【解决方案】数据中心机房供配电及能效管理系统设计方案

 

未晓妃

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

     本文部分内容引用微信公众号：数据中心运维管理，《浅谈数据中心机房供电配电系统设计》

1 系统

1.1概述

     现代的数据中心机房中都包括大量的计算机，对于这种场所的电力供应，都要求供电系统需要在所有的时间都有效，扩容容易，维护简便，容错力强，*重要的是性价比高。数据中心机房是现代信息化建设的基础工程，为各个业务提供稳定、安全的工作环境，而机房的供配电系统就是这基础工程的心脏和大动脉，供配电系统的稳定，能够保障其它系统发挥作用和核心业务正常运行。系统不同于一般建筑的供配电系统，它是一个交叉的系统，涉及到市电供电、防雷接地、防静电、UPS不间断供电、柴油发电机等，各个系统互相交叉，互有影响，这就使我们在设计时需要考虑多方面的因素。

1.2设计原则

    数据中心供配电系统设计应遵循分区、分级的原则，同一功能区域内的各类设备的供电可靠性，应能保证所有设备能够按照该区域标准的要求运行，并将供配电系统局部故障的影响面控制在尽可能小的范围。

1.3数据中心机房供配电系统需求分析

    随着信息技术的迅速发展和互联网的普及，社会各界对信息系统的应用越来越广泛，信息和数据量呈几何级增长，由此对数据中心的需求日益增加，对数据中心的要求也不断提高，信息设备功能越来越强，功率密度越来越高。数据中心设备机柜用电负荷由以前的2kVA/台，提高到3kVA/台、4kVA/台，甚至更高。机房单位面积的平均用电负荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。

    数据中心用电负荷的统计应分为两个层次，即：UPS供电系统负荷(输出)和市电供电系统负荷。

    市电供电系统负荷(输出)的统计主要包括：UPS供电系统(输入)、机房精空调系统、机房照明及建筑电气设备等。

    在发热量较大的情况下，如果柴油发电机未能及时启动而导致精空调失电停止工作超过3分钟，机柜内服务器温度将会急剧升高而宕机，因此在可靠性要求比较高的情况下精空调也可由UPS提供不间断电源，在柴油发电机启动前利用剩余冷冻水继续保持机柜气流循环散热，直到发电机全部启动。

2 供配电系统的布置

   数据中心机房供配电系统主要设备有：UPS、电池、配电柜和柴油发电机等。这些设备单位占地面积、重量大，对于这些设备的摆放位置既要考虑功能上的需求，又要考虑空间和承重的需要，还要考虑对外界的危害。

   数据中心机房供电系统应有独立的配电间、变配电所，UPS 电源机房应靠近设备机房(负荷中心)布置，这样能保证从UPS输出到用电设备之间的压降和损耗尽可能的小。UPS 电源主机、配电柜与蓄电池组是否需要分隔，按照数据中心等级的要求决定，另外还需要考虑到UPS属于大型设备，重量比较大，噪声大，需要摆放在一个承重比较好，并且不影响办公和休息环境的地方。配电柜位置的选择，主要考虑功能上的需求，配电柜应在满足功能分区的基础上，尽可能靠近供电负载。发电机房宜设置在地面一层，当发电机房设置于地下层时，应特别注意进、出风通道能否满足要求，应注意发电机组储油装置（日用油箱、储油罐）的消防要求。

   变配电所、发电机房、UPS电源机房均应留有足够的面积，可与设备机房同步发展，应对设备机房面积扩展或设备机房功率密度上升引起的供电需求。于非专门设计用于数据中心的建筑，应注意其是否满足设备安装和线路敷设的要求，包括楼面荷载、净高、抗震等级、耐火等级等方面。

   下图为典型数据中心的供配电系统示意图，采用双路110kV进线，配置10kV柴油发电机作为自备应急电源，UPS采用冗余供电方式，末端精配电柜和精空调均采用UPS供电，提高数据中心运行稳定性，见图1

图1 数据中心典型供配电系统示意图

3 供配电系统设计
3.1 市电动力配电系统设计

    为了提高数据中心供电可靠性，减少电网故障的干扰，大型数据中心一般采用110kV甚至更高电压等级市电电源，根据当地供电条件确定。市电动力配电主要用于供给机房精空调设备、普通照明和给排风、维修插座、一般动力、UPS设备等。市电动力配电一般由大楼总配电柜馈出的动力供配电系统，采用50Hz交电，380/220V三相五线电源，TN-S接地方式，零线和地线分开设置且零地线之间电压小于1V。

    一般可靠性要求数据中心宜引入两路市电电源，条件受限制时也可引入一路市电电源。引入两路市电电源时，宜为冗余关系，也可作为供电容量扩展关系。

    每一路市电电源的供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求，包括UPS电源系统、机房精空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。两路市电电源的供电容量应为全冗余，正常时应同时供电运行，两路电源在负荷设备输入端自动切换。

图2 110kV变电站或10kV开闭所保护测控装置配置示意图

    市电动力配电柜一般采用放射式配电直接配至各用电设备或电箱，机房内所有动力配电线缆需要设计桥架或钢管敷设，市电动力配电柜具有火警联动保护功能，出现火警时可与消防系统联动及时切断电源，动力配电柜、照明箱内的开关和主要元器件应设置有效的防雷措施。

 

表1 110/10kV变电站和10kV开闭所、变电所保护测控装置选型表

图3 0.4kV配电柜测控装置配置示意图

表2 0.4kV配电柜测控装置选型表

3.2自备应急电源系统设计

   数据中心一般采用柴油发电机组作为自备应急电源，对于大型、高等级数据中心也可以选择可靠性高、输出电源品质好、带非线性负载能力强、体积小、重量轻的大功率燃气轮机发电机组。一般可靠性要求的数据中心宜配置一路自备应急电源，供电容量应能满足全部一、二级负荷的需求，包括UPS电源系统、机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备中的一、二级负荷。当数据中心条件受限制，且市电电源具有较高可靠性时，也可以部分或全部采用移动式发电机组作为自备应急电源。发电机组燃料储备量应根据数据中心等级的要求，结合市电电源可靠性、供油可靠性、消防要求综合决定，一般不宜少于发电机组满负荷运行8小时的用油量。

图4 10kV柴油发电机室保护测控装置配置示意图

表3 10kV柴油发电机保护测控装置选型表

3.3 UPS供配电系统设计
UPS配电主要用于计算机设备、服务器、小型机、存储、网络设备、保安监控设备等。UPS 电源系统输出一般采用三级配电方式：系统输出配电柜－机房配电柜－机柜配电单元。

UPS电源系统蓄电池组容量的计算方法有以下两种：

(1) 按负荷电流计算；

(2) 按负荷功率计算；

 

图5 数据中心UPS和蓄电池监测配置示意图

 

表4 数据中心蓄电池监测选型表

4 末端配电系统

    机房UPS、精空调电源系统输入应设置专用的输入配电柜。电源系统输入配电柜应引接两路电源、自动切换。UPS 电源主机的主电源和旁路电源应分别引入，并宜由不同的输入配电柜引接。UPS电源系统输出应采用放射式、双回路配电方式。UPS 电源系统输出应采用三相配电，末端分相，以利三相平衡。

   机房配电柜、UPS电源柜落地安装，动力配电箱、照明配电箱底边距地1.4m墙上暗装，配电柜及其他电气装置的底座应与建筑楼地面牢靠固定，并接地，机房内应分别设置维修和测试用插座，且有明显区别标志，测试用电源插座应由UPS供电，维修插座由市电供电。所有线路的敷设是要以设备布局和设计图纸为基础进行，设计时考虑供电距离尽量短，机房内的电源线、信号线和通信线应分别铺设，不能共走同一线槽，UPS电源配电箱(柜)引出的配电线路，穿镀锌钢管，沿机房活动地板下敷设至各排网络或服务器机柜，使用插座或工业连接器为机柜供电。

4.1 精配电柜

   精配电柜是为数据中心的设备机柜提供电源的末端配电设备，一般采用双回路供电，电源分别来自两台冗余的UPS，分为交流和直流供电，一般放置在机柜阵列的两端，也称列头柜，如图6所示。

图6 ANDPF精配电柜

    安科瑞精配电监控解决方案针对精配电柜监控数字化要求，方案包括交流（AC220V）、直流（DC-48V/240V/336V）系统。由触摸式液晶显示屏、综合信息处理主机模块、开关状态采集模块、电流互感器(交流)或霍尔传感器(直流)采集单元模块等组成。监测两路主进线和A+B双面馈线回路电量参数、开关状态、谐波含量、柜内温湿度等数据，可以在本地触摸屏显示，同时可以上传AcrelEMS-IDC数据中心能效管理系统显示和报警。产品方案见表5。

 

表5 精配电柜数字化方案产品选型

4.2 智慧母线槽

   近年来随着数据中心建设的快速发展，智能母线槽的方案运用越来越多。相比传统精配电柜，数据中心母线槽架空铺设，具有安装检修方便、不占地、散热快、易增容等优势。母线槽通过始端箱从前端UPS取电，以母排系统组成输电结构，采用即插即用的方式，通过插接箱给各个IT机柜内的PDU供电。

图7 智能母线槽数据采集方案示意图

    安科瑞智能母线槽方案在始端箱和插接箱内配置AMB100/AMB110监测单元，测量始端箱、插接箱电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能、谐波畸变、温湿度、漏电电流等数据，可以通过有线或无线方式传输数据，在本地触摸屏显示，同时可以上传数据中心能效管理系统，实现母线槽的数据展示和异常预警。

    另外由于母线槽是由铜制母排搭接而成，接头部位可能会由于接触不良而异常发热，所以需要对母线槽接头温度进行实时监测，安科瑞AMB200母线接头温度监测装置进行接触式测温，AMB300通过红外非接触式测温方式监测母线温度，数据通过有线或无线方式传输本地触摸屏显示，同时可以上传数据中心能效管理系统，实现母线槽温度的实时预警，设备选型如表6所示。

表5 精配电柜数字化方案产品选型

 

 

表6 智能母线槽解决方案选型表

5 数据中心能效管理系统设计

5.1 概述

   AcrelEMS-IDC数据中心能效管理系统搭建基于高、中、低压配电系统、柴油发电机、UPS的实时监控和末端配电系统数据采集的电力监控、PUE分析以及动环监测，帮助数据中心管理者了解数据中心能源运行情况，并关注消防和电气安全，及时预警异常情况，保障数据中心稳定可靠运行。除了变电站、柴油发电机和UPS运行监控以外，特别是针对数据中心的末端配电环节，系统数据跟踪到每一个回路的电气参数和开关状态、温湿度数据等。

5.2 系统结构

图8 数据中心能效管理系统架构图

5.3 系统功能

1） 电力监控

监控110kV变电站、10kV开闭所、10/0.4kV低压变配电室配电系统运行情况，实现遥测、遥信、越限报警、故障分析、电能质量分析、运行报表等功能。

 

2） 设备监控

监测柴油发电机、变压器、UPS、蓄电池组、精配电柜、精空调的状态以及运行参数，并提供异常预警、运行报表等功能。

 

3） 能耗分析

统计数据中心总能耗、IT设备能耗、制冷系统能耗、供电系统能耗、照明及办公能耗等分项用能，并计算CLF/PLF/PUE等能耗指标。

 

4 ）环境监测

监测数据中心温湿度、水浸，蓄电池内阻、温度、电压、蓄电池间氢气浓度等数据并提供越限告警和联动控制。

 

5） 精配电柜或小母线运行监测

系统监测精配电柜或母线槽系统电气接点温度以及漏电电流，并设置温度、漏电越限告警，及时消除系统隐患。系统监测每路馈线回路的电流、功率、开关状态和用电量，还可以配置温度、湿度传感器用于监测线路接点温度和柜内湿度，设置参数高低越限告警，避免回路超负荷运行而导致意外断电。

 

6 ）故障预警

系统对数据中心的故障类型进行分级分类处理，可以通过语音、文字弹窗、短信等方式提供故障预警信号，并对故障进行分类展示。

 

7 ）运维管理

系统为数据中心提供设备管理和运维管理功能，包括设备台账、设备保养、工单管理、巡检记录、缺陷管理、抢修记录等功能，告别依靠手工记账，降低人力和时间成本。

 

作者介绍

未晓妃，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为微电网能效管理和环保安全用电。