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    淺談長江云數據中心供配電系統的設計與應用

    發布時間: 2021-01-29  點擊次數: 155次
    摘  要:介紹了長江云互聯網數據中心( IDC) 機房供配電系統的設計原則,分析了供配電系統結構,闡述了 IDC 機房負荷計算和關鍵設備選型方法,可為類似數據中心的供配電系統設計提供參考。
    關鍵詞:數據中心;供配電設計;負荷計算;設備選型
    0引言
            近年來,隨著云計算、大數據等技術的實現,許多大型企業為滿足自身發展需要開始建設數據中心。集裝箱式互聯網數據中心( Internet Data Center,IDC) 機房具有占地面積小、布置靈活、建設周期短等特點,越來越得到廣泛的應用[1-3]。本文結合湖北廣電長江云集裝箱式數據中心機房,詳細介紹 IDC 機房配電系統的設計。
    1項目概況 
            長江云集裝箱 IDC 機房占地面積僅為 100 m2, 由華為技術有限公司設計,機房內部安裝有32 臺標準機柜,并配備視頻監控、消防報警等配套設施??照{室外機安裝在集裝箱頂部,應急電源( UPS) 安裝在獨立的房間。機房建成后搭建湖北廣電新媒體融媒平臺,匯聚全省政務信息,實現頻道節目制作、新聞資源共享。 
    2負荷分級 
            長江云數據中心設備負荷分為 IDC 設備、空 調、照明、消防等四類。根據 GB 50174—2016《電子信息系統機房設計規范》,數據中心機房可劃分為 A、B、C 三個級別,長江云集裝箱 IDC 機 房按照 A 級機房設計,機房內 IDC 設備用電按照一級負荷中特別重要負荷設計,空調、照明、消防用電按照一級負荷設計。 
    3設計原則
            數據中心供配電系統設計的基本要求是安全、穩定、可靠,并遵循如下原則: 
            ( 1) 消除單一節點。系統不應存在某節點發生故障,導致系統全部停電的事故。 
            ( 2) 故障容錯。系統具備容錯能力,即當線 路發生部分故障或操作失誤時,不影響數據中心正常運行。 
            ( 3) 可維護。需設計足夠冗余,保證設備檢修或維護時,不影響系統正常運行。 
            ( 4) 可增容。系統設計應充分考慮今后事業發展、需求增加,便于今后擴容。 
    4供電方案 
    4.1系統結構長江云集裝箱 IDC 配電系統如圖 1 所示。 
    4.2供電電源
    4.2.1 10 kV 供配電系統 
            長江云數據中心機房供電電源10KVIDC 配電系統中心配電室,相距約 150 m。中心配電室 10 kV供電系統分別從兩個不同變電站,沿不同的路徑引入兩路 10 kV 專線( 體視線和沙視線)至中心配電房的主備電源進線柜,10 kV 母線采用單母線分段運行。當其中一路市電發生故障,通過母聯開關切換,由另一路市電承擔全部一級負荷。 
    4.2.2 380V低壓配電系統 
            10 kV 中心配電房配置有4臺變壓器,2 臺 500 kVA 工藝變壓器( 500-1 和 500-2) 通過單母線分段運行,互為備用,一級負荷中的特別重要負荷。2臺1 600 kVA 動力變壓 器 ( 1600-1 和 1600-2) 通過單母線分段運行,互為備用,主要供動力、照明。4 臺變壓器平時各帶 50% 的負荷,當其中 1 臺變壓器發生故障,通過低壓母聯開關切換,由另 1 臺變壓器承擔全部負荷。
            從 2 臺 500 kVA 的變壓器饋線柜各引一回 380 V 電源至 IDC 機房,一回送至 UPS 電源輸入柜,經過 UPS 電源后送至集裝箱機房的 1#交流列頭柜,再分別送至各機架電源分配單元( PDU) ,向設備供電。另一回直接送至交流列頭柜,再分別送至各機架 PDU,向設備供電。 
            從 2 臺 1 600 kVA 變壓器的饋線柜分別引 2 路獨立的 380 V 電源至 UPS 電源室的動力進線 配電柜,再引 6 回低壓線路至 IDC 機房空調配電箱的 3 個 ATS 切換開關,向 6 臺空調供電。 每個ATS 切換開關引入 2 回 380 V 電源,一主一備互為備用,ATS 開關切換時間小于 3 s。 
    4.3 UPS 電源系統
            按照《廣播電視安全播出管理實施細則》規定: 省級廣播電視屬于一級安全播出保障等級, 一級主要播出負荷應采用 UPS 電源供電。該項目配置一臺模塊化 UPS 電源,后備時間為 30 min,向 IDC 機房設備供電。 
    4.4 自備發電機系統
            中心配電房配置 2 臺 1 000 kW 柴油發電機互為備用,發電機輸出電源經過 ATS 切換開關( 1#ATS 和 2#ATS) 分別接入 2 臺 500 kVA 變壓器的進線柜。當 2 路市電同時停電時,發電機可在 1 min 內完成起動,原 2 臺 500 kVA 變壓器所帶全部負荷通過 ATS 切換開關切換到發電機電源,由發電機供電。 
    5主要設備選型 
    5.1 UPS 電源
            IDC 機房內部共安裝 IT 設備機架 24 臺,每臺機架可提供 7 kW 功率輸出,需要系數取0.8,則計算額定功率為 134 kW。根據 UPS 電源輸出有功功率≥額定容量 × 0. 7 kW,因此 UPS 電源容量≥192 kVA??紤]到今后擴容需要,該項目選用1 臺 240 kVA 模塊化 UPS 電源,每個模塊為 40 kVA,共 6 個功率模塊。 
    5.2 空調設備
    空調的制冷量根據機房冷負荷來確定: Qt = Q1 + Q2 ( 1)
    式中: Qt———總制冷量; 
            Q1———機房內設備負荷; 
            Q2———機房環境冷負荷。 
    根據計算,空調冷負荷為 113 kW,采用 n + 2 冗余方式 配 置 6 臺空調,每臺制冷量為35 kW,常用 140 kW,可滿足機房制冷需求。 
    5.3 電纜 
    ( 1) UPS 電源輸入電纜。UPS 電源輸入電流 Iin計算公式:
        ( 2)
    式中: P———UPS 額定功率; 
            F1———輸出功率因數;
            U———輸入額定電壓; 
            η———整機效率; 
            F2———輸入功率因數。 
            其中,整機效率 η = 0.8,輸入功率因數 F2 = 0.99,因此 UPS 電源輸入電流為 326 A。查《電氣工程常用數據速查手冊》,并考慮環境溫度 修正系數、穿管系數后,ZR-YJV-4 × 240 + 1 × 185 規格電纜允許載流量為 359 A,滿足計算要求。 
            ( 2) 空調電源輸入電纜。該項目設 6 臺空調,每臺 13 kW,空調總功率為 98 kW,計算電流為 185 A。查《電氣工程常用數據速查手冊》,并考慮環境溫度修正系數、穿管系數后,ZR-YJV-4 × 120 +1 ×70 規格電纜允許載流量為 228 A,滿足計算要求。 
    5.4 開關 
            ( 1) UPS 電源進線開關。根據式( 2) ,UPS電源的輸入電流為 326 A,進線開關額定電流取400 A,選用型號 NSX400 3P。 
            (2) UPS 電源輸出開關。    ( 3) 
    根據式( 3) ,UPS 電源輸出電流為 364 A,輸 出開關額定電流取 400 A,故選用 NSX400 3P 型號。
            (3) 空調電源輸入開關??照{負荷輸入電流計算結果為 185 A,開關額定電流取250A。
    6安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹
    6.1產品介紹
            隨著數據中心的迅猛發展,數據中心能耗問題也越來越突出,可靠的數據中心配電系統方案,是提高數據中心電能使用效率,降低設備能耗的有效方式。
            AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。
    6.2安科瑞精密配電產品解決方案
            1)交流系統
            功能要求
            遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度;
            遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,頻率過高/過低,輸入分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、頻率等參數的越限報警功能。
    配置方案如圖2,
            2)直流系統
            功能要求
            遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;
            遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
    配置方案如圖3,
    6.3產品選型
    7安科瑞智能小母線監控系統介紹
    7.1產品介紹
            針對數據中心智能小母線的監控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監控解決方案,該方案包括采集模塊、配套附件、監控系統,能對母線運行過程中的各種參數進行監控,發生故障則進行告警,以保證系統穩定運行。
            AMB檢測單元是針對數據中心智能小母線插接箱/始端箱的監控要求新設計的產品,該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部,插接箱/始端箱采用方式與母線連通,它集成全部電力參數的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數)以及電能監測和考核管理。同時可以實時監控母線接口溫度,配合2路Rs45通訊接口(1進1出)或LORA無線通訊,采用MODBUS-RTU協議可以方便可靠的將監測數據上傳至主控箱和后臺系統,保證系統可靠運行。
    7.2產品選型
    安科瑞智能母線測控儀表選型如表2,
    注:AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統、D-直流系統可選配AMB10顯示器,顯示器只循環顯示電壓、電流參數。
    8結束語
            數據中心供配電系統設計時,對不同的負荷應依據其性質進行分類、分級,并采用不同的供電方案。注意以下事項: 配電系統接線應盡可能簡單、清晰,消除單一節點,具備容錯功能;設備配置要充分考慮維護管理方便; 模塊化 UPS 采用 n + 1 配置,空調系統采用 2n 配置,留足冗余。由于資金問題,該項目雖然實現兩回路完全獨立的供電回路,但只配置 1 臺 UPS 電源,在市電供電電壓穩定、質量較好的情況下對設備不會造成影響。由于 IDC 設備都是計算機類設備,如 果市電供電質量較差,電壓波動幅度較大,將對 IDC 設備的安全造成影響。因此,在市電供電質量較差、條件許可的情況下,建議配置兩套獨立 的 UPS 電源。
    【參考文獻】
    [1]周志敏,周紀海,紀愛華.UPS 應用與故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2008.
    [2]袁令海.長江云數據中心供配電系統設計與分析[J].現代建筑電氣,2019(10):22-25.
    [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
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