数据中心供配电设计

数据中心供配电设计

顾彬彬

中设设计集团股份有限公司江苏南京210001

摘要：数据中心的基础设施的设计建设，直接决定了系统的可靠性，对突发事件的自动抵抗能力，系统业务的持续高效的运转，以及绿色、节能、环保等运维目标的实现。根据行业里著名的“浴盆曲线”，数据中心的可用性是可控可管理的，在数据中心所有初步设计完成后，最好采用模拟的软件对机房设计结果进行模拟分析，进行整个动环平衡进行优化设置，实现最优的建设投资和运维成本控制，达到系统建设的整体目标。

关键词：数据中心；供配电；设计

引言

随着科学技术的快速发展，信息化建设不仅成为国家发展战略，也日益受到各部门、院校和企业等单位的高度重视。作为信息数据交流、处理的数据中心，其地位和作用也日益突显。随着计算机技术、网络技术、信息技术等的广泛应用，信息化建设也起得了长足的进步，集大数据运算、存储、处理等功能为一体的大型数据中心，已经成为信息化建设的重中之重。大型数据中心不仅数据处理能力更强，对数据安全的要求也更高。供配电系统是大型数据中心安全运行的基础和前提，直接影响到数据中心功能的有效发挥。因此，研究供配电系统设计，对于充分发挥大型数据中心效能有着重要的现实意义。

1工程概况

本工程为某企业的产业园区项目，园区包含1栋智慧城市体验中心、1栋大数据研发中心、3栋数据中心机房楼及配套的动力中心、1座110KV变电站，每栋数据中心机房楼均配置地面动力中心一个和地下制冷站一个。大数据应用研发中心与智慧城市体验展示中心布置于主入口正前方，其中智慧城市体验展示中心呈半圆形，象征整个数据中心园区的大脑，广场造型呈线性布置，象征着大脑以中心的姿态向周边散发数据信息，数据中心机房楼共分三栋，以对称式布局与中轴线的两侧和后方，数据中心机房楼均为三层结构，可设置约1500个机柜，三栋楼共可设置4500个机柜，动力中心旁各设置1个70m3的油罐区域满足数据中心紧急供油需求，园区建筑平面示意如图1所示。

本工程的数据中心供配电系统按照GB50174-2017《数据中心设计规范》进行设计:a.按照高安全、高可靠性、可灵活扩展性要求，整体链路无单点故障，可靠性≧99.9999%；b.每栋机房楼设置独立配套动力中心、独立的变电所深入负荷中心且物理隔离，每栋机房楼设置8台3150KVA(2N配置)；c.每栋动力中心楼采用8台2000KW10KV高压油机，系统相对简单，能效高；d.采用非晶合金变压器，空载损耗相较于常规工艺降低50%；e.UPS室、蓄电池室物理隔离，2N配置，满足安全性要求；f.同时展示机房可采用1路市电+1路UPS供电或1路市电+1路高压直流供电方式，满足展示需求；g.机房取消传统配电列头柜方式，采用智能小母线形式，满足后期灵活变化负载需求。H.采用高频UPS，谐波小，效率大于96%。H.采用高压冷水机组，减少变压器投入，减少电力损耗。

2数据中心供配电系统设计概述

数据中心的运行时间是：全天24小时不停歇工作。特点是：用电量较大；可靠性要求较高；电源品质要求较高。最常见运用的是电力系统中对电能进行发、输、配、用中的配和用两个要求。而且最重要的是要与电力系统维持一样的水平。学过电气工程的一般都知道，在供配电系统里，功率一般都是单向在流动着的，即按照电源端到用户端的方向，通过利用一定的分配手段，达到它的目的，也就是把电力系统里的电能改变成用户所使用的用电设备可以利用的电能。按照目前的数据看，它的电压等级都会在在110kV或以下。因此对于供配电系统的设计，甚至于制定可行方案的话都应该考虑以下几点：第一，所需用电量多少；第二，负荷的性质；第三，周围区域供电的状况。

3数据核心供配电体系设想的根本准则

在设置数据中心供配电体系过程中，要按照我国与行业有关法律法规，还可以参照海外有关准则、标准，采纳合适的技能举措是要综合思索数据核心用电负荷密度高、供电稳当性需求高等特征。另外还有就是不得违背符合相关工程建筑机构法律法规的要求。按照分区和分级的原则设置数据核心供配电体系，供电稳当性是相同功效地域当中的各种设施，要确保全部设施依照该区域准则的需求运转，同时把供配电体系部分故障碍的影响力，限制在很小的范围内。数据核心的特点有用电负载密度高、总量大，所以在供配电系统的设计过程中，一定要考虑到节约能源的方面，只有这样才可以更大程度的减少能源消耗。

4供配电系统设计

4.1供电负荷等级及容量计算

数据中心机房整体为一级负荷用户，为了更好的进行用电保障，将监测系统设备、消防用电设备、机房空调设备、应急照明为一级负荷;其余机房照明、空调、电梯电力等分为二级负荷。随着IT设备的集成度越来越高，机房的功率密度也在不断的升高，对不同设备的机柜功率估算值也不同。IT单机柜功耗（KW)按5kW计算，弱电柜功耗（KW)按1kW计算，单个数据中心楼负荷为10500kW。

4.2外部电源

该项目由场区外引来两路独立的110kV高压电源，最好从2个不同变电站引入，进入场区前一公里外埋地引入至110kV变电站高压配电设备。

4.3低压配电

每栋数据中心楼配置8台3150kVA的10/0．4kV型变压器（2N配置），变压器绕组接线组别为DYn11，进线分别引自两路不同的高压电源，采用单母线分段运行，平时母联断开，满足工艺及照明负荷、机房空调及动力负荷需求。

4.4应急电源

为保证工艺设备的不间断供电，本项目选择了8台备用功率为2000kW的柴油发电机作为本项目的备用电源，满足所有一二级负荷的用电要求。

4.5防雷接地设计

按二类防雷建筑设计。防雷接地、保护接地、工作接地、弱电系统接地等共用一个接地装置，低压配电房设专用接地线进行等电位联结，并与大楼预留的总等电位盘连通。优先考虑利用建筑物基础作为接地极，要求接地电阻不大于1欧姆，实测不能满足接地电阻值的要求时增设人工接地体。

4.6照明设计

照明光源主要采用LED灯等高效、节能光源。机房及控制室、变配电室等重要房间设置应急工作照明。同时，按《建筑设计防火规范》GB50016—2014的要求在各有关部位设置疏散标志灯,应急工作照明及疏散标志灯采用集中蓄电池供电，电池持续供电时间不低于30分钟。

4.7设备选型

变压器选用损耗小、过载能力强、满足防火要求的树脂浇注干式变压器。变压器绕组接线组别为DYn11，以提高变压器承受不平衡负载的能力，削减谐波干扰。35kV高压开关柜选用手车中置柜，内装真空开关，采用弹簧操作机构，直流电源操作。低压配电柜选用抽屉式配电柜，低压配电柜内进出线开关分断能力不小于35KA。

5数据中心供配电系统的设计要点

与工业建筑和民用生活方面的应用不同，数据中心供配电系统非常关键，是数据中心基础设施建设的核心部分，它是由诸多子系统共同组成的，具体包括柴油发电机、高压变配电、不间断电源系统、自动转换开关、UPS输入/输出柜、电气照明、精密配电柜、输入低压配电、防雷以及末端配电等子系统。

其中，不间断电源系统是指由电池组、逆变器和其他电路组成，能够提供持续、稳定、不间断供应电能的设备。不间断电源系统是供配电系统的心脏，它可以利用冗余技术满足不同用户的需求，可以根据数据中心的规模，来选择相应的供配电冗余设计。总而言之，不间断电源系统的设计，一方面要保证满足稳定性、安全性和基本需求，另一方面也要尽量控制投入成本。

传统数据中心使用的是工频不间断电源系统，而新型数据中心改用了功率因数和转换效率更高的高频不间断电源系统。这种系统不仅重量轻、效率高，而且非常节约成本和耗能，一般情况下，电源及不间断电源系统的供电方案有N+1系统、N系统和2N系统三种模式。

6数据中心供配电系统设计的注意要素

6.1合理规划和布局

供配电系统通常情况下，供电系统的线路长度越长，损耗也就越大，如果电压是380V，且供电线路的电阻为10Ω，那么产生的损耗为14.44kW，用电量基本等同于高密机柜设备的两倍。因此，配电室和不间断电源系统之间以及精密配电柜与不间断电源系统之间的距离应尽量缩短，同时，以保证安全为前提，尽量使各级供配电设备的线路均为最短，从而有助于减少电缆传输过程中的电流消耗。

6.2供配电单元的设计要坚持规范化

如果需要切换柴油发动机和市电，必须选用拥有旁路功能的ATS（自动转换开关），以从而保障检修自动转换开关时与切换电源不冲突。同时，不间断电源系统和数据中心动力设备的回路都应各自独立，前者为后者供电，并有手动和自动旁路装置，且应留有余量。此外，应使用精密配电柜对电子信息设备进行配电，同时配备电流监控、电压监控、防雷、远程通信以及报警功能，安装在用电设备附近，供配电系统还要具备可扩展性，便于预留容量以备用。

6.3优化不间断电源系统的并联方案

当前不间断电源系统中单机容量最大为2000kVA，，为了提高容量和可靠性，还需要并联使用多台不间断电源系统，如果并联系统中某台或某几台不间断电源系统出现故障，其他不间断电源系统可以继续保持供电，在动力中心楼内设置柴油发电机组控制室，通过柴油发电机组的群控系统，提高电源的可靠性和稳定性。

6.4加强对模块化不间断电源系统的应用

应用模块化不间断电源系统，就是在不间断电源系统主机系统的配置过程中严格遵循总公司需求，然后以实际负荷为依据配置不间断电源系统模块，倘若负荷提高，可用热插拔的方式来增加功率相似的不间断电源系统板块。这样不仅有助于降低不间断电源系统的功耗，也有助于延长其运行生命周期。除了上述要素之外，还可以使用智能PDU，通过运用网络化和智能化的技术手段，来精准计量和检测电气参数，并采用声光报警或短信通知等方式来对异常用电进行报警，帮助用户实时了解机柜电源体系的用电情况，进而科学计算PUE值。

结束语

综上所述，为了快速部署新型数据中心的供配电系统，达到高效低耗的运维效果，必须保证供配电系统设计和规划的可用性、稳定性、安全性以及合理性，通过模块化的设计规划，来满足不同等级或用途数据中心的需求。

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