淺談大型數據中心機房的供配電系統規劃及監控產品選型
更新時間：2021-12-22
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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：首先對大型數據中心負荷進行分析，重點研究供配電系統的規劃要點，為大型數據中心的建設提供參考，具有一定的現實意義。
關鍵詞：數據中心；供配電系統；規劃設計
0 引言
大型數據中心的建設具有很強的綜合性，涉及土建、機電、網絡、能源、消防等方方面面 [1]，因此做好科學規劃意義重大。 本文重點研究了大型數據機房規劃中供配電子系統，以期通過合理的規劃提高能源利用率，達到節能減排、安全高效的目標。
1 大型數據中心負荷分析
供配電系統是大型數據中心各類設備的主要電力來源，而供配電系統的規劃必須與數據中心的建設規模和設備數量、類型相適應，達到供電可靠的同時又實現了節能減排的目的。因此對數據中心的負荷情況進行分析十分重要。
負荷的分級：根據我國 2017 年頒布的《數據中心設計規范》（GB50174-2017），一般根據規模、性能、重要性等因素將數據中心劃分成 A、B、C 三個級別，其中 A 級最高，C級。顯然不同級別的數據中心，其供配電系統的設計是有區別的，但從應用的角度考慮，對于大型數據中心機房而言，無論是什么級別，都應保證在發生一次意外事故的情況下仍可正常運行。數據中心的供配電系統負荷也可以分為三個級別，考慮到機房中的大量服務器、網絡設備均要求連續不間斷工作，不允許供電中斷，因此大型數據機房大部分負荷都是一級負荷，要求采用雙電源供電。
大型數據中心的主要負荷：大型數據中心最重要的負荷是數據生產交換設備，例如服務器、交換機、存儲器等，這些設備應保證任何情況下都不能斷電，因此必須作為特別重要的負荷來設計供配電方案，采用兩路市電進線或柴油發電機等應急電源保證特殊條件下的連續供電。制冷設備也是大型數據中心的重要負荷，因為大密度的主機分布會產生大量的熱量，這些熱量散發大空間中使機房環境惡化，如果制冷設備由于斷電而停止工作，機房溫度將迅速上升，很容易釀成大面積的設備宕機或燒壞。所以制冷系統中涉及的空調主機、冷凍水泵、風機等設備均屬于一級負荷中的特別重要負荷。數據中心的動力設備允許出現短暫的電力中斷，但應該由 UPS 和柴油發電機等備用電源及時接續電力，也可認為是一級負荷中特別重要的負荷。另外，還包括消防設備和安防設備，均作為一級負荷中特別重要的負荷進行供配電規劃。
2 總體規劃要求
大型數據中心一般是對外開放的商業性計算資源，為了滿足客戶需求，規劃時應保證其高可靠性和高安全性。對于*數據中心，必須做到7×24有人值守，不允許發生單點故障，要求很高的容錯能力。為了減少成本、提高收益，機房規劃應考慮經濟性和可維護性原則，盡量減少初始投資和后期運維費用。大型數據機房由于工程浩大，因此需要滿足一定的靈活性和可擴展性，為數據中心的分期建設和分期投運提供保障。但數據中心的整體容量規劃以及結構設計必須一次性完成，避免給供配電系統的規劃帶來不必要的麻煩。因此，高壓配電系統的規范應與所申請的配額相適應，有針對性地確定的容量和變壓器型號。大型數據中心不允許出現設備斷電事故，因此應急電源配置要合理，本文采用雙路市電+UPS+柴油發電機的多層次應急供電方案。
3 大型數據中心供配電系統規劃
高壓配電系統：從我國目前的數據中心建設情況來看，供電等級以 35kV/10kV/6kV/3kV 幾種類型為主，以 10kV 的應用較為廣泛，具體等級根據實際需求進行規劃。主接線的母線可選擇有匯流或無匯流方案，配線則采用放射型或樹型。高壓配電系統必須具備高可靠性，采用雙路電源并聯進線，同時接入UPS 和柴油發電機等多種應急。變壓器必須采用容錯配置，采用雙路市電進線，必要時采用雙備份設計。
應急電源系統：應急電源系統規劃是大型數據中心供配電規劃的重點，也是難點。筆者使用 N+1 配置柴油發電機，每組柴油發電機又單獨作為一套 2N 電源后備。在接線方案上，根據多年的實踐經驗，10kV 主接線應具有兩路電源，分別與兩段獨立的母線連接。當市電突然發生斷電時，兩路電源同時失電，此時柴發必須立即自啟動，保持母線持續供電。為節約室內空間，柴油發電機安裝在室外即可。
不間斷電源系統：不間斷電源在數據中心得到了廣泛的應用，是關鍵設備之一，目前采用較多的是UPS以及HVDC，但由于后者價格昂貴，技術復雜，因此通常只有越大型數據中心才會采用，一般的大型數據中心采用 UPS系統即可滿足需求。本系統的規劃采用2N配置的UPS方案，即把兩個獨立的 UPS主機通過切換裝置連接在一起，當市電和柴發均無法供電時，UPS自動為數據中心接續電力。
4安科瑞列頭柜及監測產品介紹
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，高效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精確的電參量信息，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。
4.1精密配電管理解決方案
4.1.1交流系統
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。
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
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,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 開關電源 SBD-30 （48V）
4.2產品規格
4.3配套附件
5 安科瑞母線槽監測產品介紹
5.1 概述
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和更高需求，智能小母線系統逐漸被應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的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
5.2 AMB智能小母線管理系統
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
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、開關狀態、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，開關狀態、開關跳閘；
5.3 產品介紹
說明：■為標配功能。
6 結語
本文提出的大型數據中心機房供配電系統規劃方案在某企業網絡數據中心機房進行了實施，目前已持續運行一年，期間成功處理了多次外電斷電事故，使企業免遭損失。實際上，本文的規劃方案是立足于傳統數據中心的，隨著技術的進步，一些采用新風自然冷卻技術的大型數據中心也開始得到應用，本文的規劃方案對于此類新型數據中心的供配電系統規劃也有重要的參考價值。
【參考文獻】
【1】 韋作韜. 數據中心供配電系統的節能方案 [J]. 通信電源技術,2019,36(08)：66-67.
【2】 魏支坤. 大型數據中心機房的供配電系統規劃.
【3】 安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
【4】 安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
淮亞利，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心智能小母線監控的研發及應用。
