安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

【摘要】江蘇有線數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)為前端機房、模塊化數(shù)據(jù)機房、監(jiān)控大廳和制冷、消防設(shè)施提供可靠電能，是保障數(shù)據(jù)中心運行的核心設(shè)施。本文從安全供電的角度，重點闡述了江蘇有線數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)。

 

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心，供配電，雙總線，不間斷電源

 

        江蘇有線數(shù)據(jù)中心是國家干線網(wǎng)在華東的節(jié)點站，為全省2700萬有線電視用戶提供播出信源，為省內(nèi)數(shù)百萬寬帶用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入，同時為數(shù)千家金融、、公安、教育和企事業(yè)單位提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對業(yè)務(wù)的安全性、可靠性有著*的要求。

        供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心核心設(shè)施，必須為各類業(yè)務(wù)運行提供優(yōu)質(zhì)可靠的能源保障，同時還要滿足各類輔助設(shè)施用電需求，對供配電系統(tǒng)提出了較高的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，江蘇有線數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)依據(jù)安全、實用、經(jīng)濟、靈活的原則進行設(shè)計，在保證滿足各類負(fù)荷安全用電的基礎(chǔ)上，還要考慮系統(tǒng)的可擴展性，可維護性。下文主要從安全角度，淺述江蘇有線數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)。

 

        數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)根據(jù)不同種類負(fù)荷對電源可靠性要求的不同，對用電負(fù)荷進行安全等級劃分和分類供電保障設(shè)計。

1.1負(fù)荷

        機房IT負(fù)荷供配電設(shè)備、連續(xù)制冷系統(tǒng)、機房監(jiān)控系統(tǒng)、消防供電系統(tǒng)、應(yīng)急照明用電、冷源設(shè)備以及機房區(qū)日常照明。

        1）IT供配電系統(tǒng)設(shè)計參照國標(biāo)的高可靠性配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，使用2N配電方式，并通過雙路進線電源相互備份，滿足進線電源無單點故障的要求。

        2）連續(xù)制冷系統(tǒng)用于保證數(shù)據(jù)中心在市電故障、柴油機未啟動時仍有足夠的制冷能力，在數(shù)據(jù)中心的整體可用性中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，使用UPS為冷凍水系統(tǒng)的水泵、機房內(nèi)精密空調(diào)風(fēng)機供電，并設(shè)置冷凍水蓄冷池。機房空調(diào)正常情況下由市電供電、油機保障，在市電和油機失效時，有UPS保障，以提供機房機柜的制冷。

        3）機房監(jiān)控系統(tǒng)為整個數(shù)據(jù)中心重要的操作、維護與管理平臺，其配電系統(tǒng)應(yīng)能保證在市電斷路時，系統(tǒng)仍能正常使用，因此由UPS為其供電。

        4）消防供電系統(tǒng)主要為消防設(shè)備、消防報警系統(tǒng)、消防聯(lián)動控制設(shè)備提供配電。按照國家相關(guān)規(guī)范，應(yīng)使用雙路市電供電，并由柴油發(fā)電機保證其電源供應(yīng)的不間斷性。

        5）機房應(yīng)急照明應(yīng)保證機房等重要區(qū)域在異常狀況下保持正常運行的照明能力，使用EPS電源供電，并保證疏散指示照明配備90分鐘后備電池，保證停電后，機房照明系統(tǒng)仍可使用。

        6）機房重要動力供電主要指為冷凍站冷水機組、水泵、IT機房、UPS機房空調(diào)設(shè)備提供供電，包括機房精密空調(diào)、機房消防排煙系統(tǒng)及其他與機房環(huán)境相關(guān)的動力設(shè)備的供配電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)可以接受因為市電故障所引起的關(guān)機重啟，不需要使用UPS進行不間斷供電，但必須使用柴油發(fā)電機后備，以保證供電鏈路故障或市電缺失階段仍然可用。

1.2二級負(fù)荷

        非關(guān)鍵動力系統(tǒng)、日常維護、維修和照明系統(tǒng)用電。機房維護用電需要在市電缺失階段保證同樣可用，以實現(xiàn)該階段內(nèi)的系統(tǒng)故障維護。負(fù)荷安全等級劃分及電源保障規(guī)劃如表1所列。

        江蘇有線三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)中心設(shè)計總電力容量為32MW，分兩期建設(shè)，一期為24個機房，容量18MW，二期為16個機房，容量14MW。數(shù)據(jù)中心按照GB50174《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》機房設(shè)計，配電系統(tǒng)采用2N雙總線冗余設(shè)計，配電系統(tǒng)可靠性為99.998%，其安全冗余架構(gòu)如下。

2.1外部市電安全保障

        一期供電需求為18000kVA，設(shè)計兩路來自不同變電站市電，兩路市電分別來自光華變和西崗變，共4個回路，數(shù)據(jù)中心設(shè)立4個KB所。一期建設(shè)2個KB所，引入4路10kV市電，每路8000kVA，總?cè)萘繛?2000kVA，實現(xiàn)外市電單路滿載的全冗余安全備份。確保數(shù)據(jù)中心外部市電接入的可靠性和安全等級，兩個變電站至三網(wǎng)融合樞紐數(shù)據(jù)中心的距離分別為600m和3km，市電接入布局如圖1和2所示。

2.2柴油發(fā)電機保障

        為了進一步提升供電的可靠性，應(yīng)對外部市電突發(fā)大面積的停電發(fā)生，三網(wǎng)融合樞紐數(shù)據(jù)中心另配備備用功率2000kW的10kV自備發(fā)電機17臺（其中一期9臺，二期8臺），在市電發(fā)生停電時，啟用發(fā)電機給數(shù)據(jù)中心供電。如圖3所示。

2.3冗余的中低壓配電架構(gòu)

        江蘇有線三網(wǎng)融合樞紐數(shù)據(jù)中心一期共設(shè)置了2個KB所、10個低壓配電室，采用2N的冗余架構(gòu)，每個KB所分別引入光華變和西崗變的10kV市電，并設(shè)有中壓的母聯(lián)裝置，實現(xiàn)10kV中壓的互聯(lián)互投。確保一路中壓停電或故障或常規(guī)檢修時，另一路市電提供后端的供電。

        一期配電系統(tǒng)共設(shè)計了20臺1600kVA干式變壓器，每個低壓配電室安裝兩臺變壓器，取自兩路不同的10kV外電，兩路低壓系統(tǒng)之間均可以實現(xiàn)低壓互聯(lián)互投，確保一路中低壓停電或故障時，另一路市電提供后端的供電。

        柴發(fā)、中壓和低壓配電系統(tǒng)的冗余架構(gòu)如圖4所示。

2.4UPS電源保障

        國家有線網(wǎng)絡(luò)的骨干線路、全省有線電視安全播出和信息傳送是江蘇有線三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)中心的核心業(yè)務(wù)，在建設(shè)中對IT的設(shè)備和部分關(guān)鍵設(shè)備配置了UPS的保障。同時根據(jù)運行系統(tǒng)的重要性對UPS的配置采用了2N（N=1）、2N（N=2）、2N（N=3）、2（N+1）的組合方式，在提升可靠性的同時，兼顧投資平衡。

2.4.12N（N=3）組合方式

        安全播出和信息傳送是三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)中心中心的核心業(yè)務(wù)，因此在UPS系統(tǒng)的設(shè)計中采用了2N（N=3，2+1）的組合配置，即3臺UPS并聯(lián)，其中1臺是冗余備份的UPS，提高供電的可靠性。如圖5所示。

2.4.22N（N=2）組合方式

        對運營的計費、客服、互動等重要的系統(tǒng)，UPS采用了2N組合方式（N=2），如圖6所示。

2.4.32N（N=1）組合方式

        其他的系統(tǒng)采用了2N（N=1）的UPS組合方式，架構(gòu)如圖7所示。

2.5空調(diào)配電的保障

        三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)采用高效的離心冷凍水機組、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔。為了滿足空調(diào)系統(tǒng)在應(yīng)急情況下的機房環(huán)境溫度的保障與UPS后備的時間保持一致，除了設(shè)置的蓄冷罐外，對冷卻水泵和末端精密空調(diào)增加了UPS的供電保障措施。與UPS后備15分鐘后備時間相匹配。如圖8、圖9和圖10所示。

2.5.1末端空調(diào)的配電保障

        數(shù)據(jù)中心末端的精密空調(diào)的供電安全保障采取兩種方式：

        1）應(yīng)急情況下UPS供電

        機房末端精密空調(diào)在正常運行時，采用市電供電，在市電中斷時通過ATS自動切換到UPS供電，見圖8。

        2）同一組空調(diào)的配電來自不同的配電系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)中心每個模塊化機房設(shè)計了6臺末端精密空調(diào)，將每個模塊化機房的6臺末端精密空調(diào)分為兩組，1、3、5的末端精密空調(diào)配電來自配電房1、2、4、6的末端精密空調(diào)的配電來自配電房2，兩個配電房在距離和防護上做了嚴(yán)格的物理隔離。其目的是為了防止配電房的突發(fā)事件（如火災(zāi)）引發(fā)電力中斷，確保在這種突發(fā)的情況下，有一半的末端精密空調(diào)工作，繼續(xù)維持該機房的制冷，延長機房溫升的時間，見圖9。

2.5.2冷凍水泵的供電保障

        冷卻水泵正常運行時，UPS運行在ECO的模式，實際上采用交流直供的經(jīng)濟運行模式，當(dāng)市電中斷時自動由UPS接管，保持冷卻水泵的持續(xù)運行，不僅是滿足應(yīng)急保障的要求，同時達到節(jié)能效果，見圖10。

2.6數(shù)據(jù)中心2N供電系統(tǒng)的物理安全保障架構(gòu)

        江蘇有線三網(wǎng)融合數(shù)據(jù)中心的2N配電的架構(gòu)設(shè)計上，在建筑平面布局上充分考慮到配電系統(tǒng)物理安全，一期不僅設(shè)置了2個獨立的KB所，同樣在每層樓設(shè)置了兩個配電房，將2N的配電系統(tǒng)分別安裝在各自獨立的配電房中，在一個配電房發(fā)生突發(fā)的配電中斷事件時，另一個配電房繼續(xù)給模塊化機房的IT設(shè)備和空調(diào)設(shè)備供電，確保業(yè)務(wù)連續(xù)性。如圖11所示。

2.7接地系統(tǒng)

        接地系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心機房供配電系統(tǒng)的重要組成部分，它直接關(guān)系到供電系統(tǒng)的可靠性、安全性?！稄V播電視工程工藝接地技術(shù)規(guī)范》（GY/T5084—2011）對廣電工程類的數(shù)據(jù)機房接地系統(tǒng)提出了具體規(guī)定：有線前端及傳輸網(wǎng)絡(luò)機房應(yīng)采用綜合工程工藝接地系統(tǒng)的聯(lián)合接地方式，工藝接地引出點以上的工藝接地部分應(yīng)與建筑物其它接地系統(tǒng)相對獨立相互絕緣。工藝接地點至少引出2根，接地引出點接地電阻應(yīng)小于0.5Ω。

        根據(jù)規(guī)范要求，數(shù)據(jù)中心接地系統(tǒng)分為大樓聯(lián)合接地和專用的工藝地，其中工藝地網(wǎng)和大樓地網(wǎng)在地下是相通的，工藝地網(wǎng)框架為30×30m，工藝水平接地體采用直徑為25mm的實心銅質(zhì)材料組成網(wǎng)格狀鋪設(shè)，網(wǎng)格采用6×6m；工藝垂直接地體采用2.5m長，直徑為35mm的銅棒打入地下。先經(jīng)過實測，接地電阻小于0.5Ω，符合規(guī)范要求。

        工藝設(shè)備電源進入機房后，將電源PE線轉(zhuǎn)換為工藝地線，如圖12所示。

        江蘇有線三網(wǎng)融合樞紐中心建成后已有5個模塊化數(shù)據(jù)機房投入運行使用，從2019年元旦至3月底，光華線計劃性停電累計1.5小時，西崗線計劃性停電累計20分鐘，KB1可靠率為99.93%，KB2可靠率為99.99%，發(fā)電機累計運行1小時50分鐘，機房樓層配電可靠率為100%，*數(shù)據(jù)中心各類負(fù)荷用電需求。

        隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。

        AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設(shè)計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。

4.1精密配電管理解決方案

4.1.1交流系統(tǒng)

        1）功能要求：

        遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

        遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。

        2）配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表PZ72L-E4

電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A

4.1.2直流系統(tǒng)

        1)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(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

        2)配置方案-示意圖

配置方案

多功能儀表PZ72L-DE

霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V開關(guān)電源SBD-30（48V）

 

4.2產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標(biāo)配功能。

 

4.3配套附件

5.1概述

        數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動環(huán)監(jiān)控中心。

5.2AMB智能小母線管理系統(tǒng)

        1）交流系統(tǒng)功能：

        遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；

        2）直流系統(tǒng)功能：

        遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

        遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；

 

5.3產(chǎn)品介紹

 

說明：■為標(biāo)配功能。

 

        數(shù)據(jù)中心往往承載著企業(yè)的核心業(yè)務(wù)，是企業(yè)的信息樞紐，供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)施，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到供用電的安全性、可靠性和可維護性，因此在數(shù)據(jù)中心建設(shè)計階段，就應(yīng)該充分考慮各類用電需求，明確不同負(fù)荷的用途、用電量和對用電安全等級的要求，根據(jù)具體需求設(shè)計適用的供配電架構(gòu)，才能建成一張安全可靠、簡潔高效的供配電網(wǎng)絡(luò)，為業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定的能源保障。

 

參考文獻：

【1】鐘景華.中國數(shù)據(jù)中心技術(shù)指針[M].機械工業(yè)出版社（北京）2014.

【2】鄒芳明，俞小玲，楊曉平. 線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

【3】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用手冊.2020.06版.

 

作者簡介：

        趙娜，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心智能小母線監(jiān)控的研發(fā)及應(yīng)用。