【解決方案】數據中心機房供配電及能效管理系統設計方案

 

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

     本文部分內容引用微信公眾號：數據中心運維管理，《淺談數據中心機房供電配電系統設計》

1 系統

1.1概述

     現代的數據中心機房中都包括大量的計算機，對于這種場所的電力供應，都要求供電系統需要在所有的時間都有效，擴容容易，維護簡便，容錯力強，*重要的是性價比高。數據中心機房是現代信息化建設的基礎工程，為各個業(yè)務提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境，而機房的供配電系統就是這基礎工程的心臟和大動脈，供配電系統的穩(wěn)定，能夠保障其它系統發(fā)揮作用和核心業(yè)務正常運行。系統不同于一般建筑的供配電系統，它是一個交叉的系統，涉及到市電供電、防雷接地、防靜電、UPS不間斷供電、柴油發(fā)電機等，各個系統互相交叉，互有影響，這就使我們在設計時需要考慮多方面的因素。

1.2設計原則

    數據中心供配電系統設計應遵循分區(qū)、分級的原則，同一功能區(qū)域內的各類設備的供電可靠性，應能保證所有設備能夠按照該區(qū)域標準的要求運行，并將供配電系統局部故障的影響面控制在盡可能小的范圍。

1.3數據中心機房供配電系統需求分析

    隨著信息技術的迅速發(fā)展和互聯網的普及，社會各界對信息系統的應用越來越廣泛，信息和數據量呈幾何級增長，由此對數據中心的需求日益增加，對數據中心的要求也不斷提高，信息設備功能越來越強，功率密度越來越高。數據中心設備機柜用電負荷由以前的2kVA/臺，提高到3kVA/臺、4kVA/臺，甚至更高。機房單位面積的平均用電負荷也由1kVA每平方，提高到1.5kVA每平方、2kVA每平方，甚至更高。

    數據中心用電負荷的統計應分為兩個層次，即：UPS供電系統負荷(輸出)和市電供電系統負荷。

    市電供電系統負荷(輸出)的統計主要包括：UPS供電系統(輸入)、機房精空調系統、機房照明及建筑電氣設備等。

    在發(fā)熱量較大的情況下，如果柴油發(fā)電機未能及時啟動而導致精空調失電停止工作超過3分鐘，機柜內服務器溫度將會急劇升高而宕機，因此在可靠性要求比較高的情況下精空調也可由UPS提供不間斷電源，在柴油發(fā)電機啟動前利用剩余冷凍水繼續(xù)保持機柜氣流循環(huán)散熱，直到發(fā)電機全部啟動。

2 供配電系統的布置

   數據中心機房供配電系統主要設備有：UPS、電池、配電柜和柴油發(fā)電機等。這些設備單位占地面積、重量大，對于這些設備的擺放位置既要考慮功能上的需求，又要考慮空間和承重的需要，還要考慮對外界的危害。

   數據中心機房供電系統應有獨立的配電間、變配電所，UPS 電源機房應靠近設備機房(負荷中心)布置，這樣能保證從UPS輸出到用電設備之間的壓降和損耗盡可能的小。UPS 電源主機、配電柜與蓄電池組是否需要分隔，按照數據中心等級的要求決定，另外還需要考慮到UPS屬于大型設備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個承重比較好，并且不影響辦公和休息環(huán)境的地方。配電柜位置的選擇，主要考慮功能上的需求，配電柜應在滿足功能分區(qū)的基礎上，盡可能靠近供電負載。發(fā)電機房宜設置在地面一層，當發(fā)電機房設置于地下層時，應特別注意進、出風通道能否滿足要求，應注意發(fā)電機組儲油裝置（日用油箱、儲油罐）的消防要求。

   變配電所、發(fā)電機房、UPS電源機房均應留有足夠的面積，可與設備機房同步發(fā)展，應對設備機房面積擴展或設備機房功率密度上升引起的供電需求。于非專門設計用于數據中心的建筑，應注意其是否滿足設備安裝和線路敷設的要求，包括樓面荷載、凈高、抗震等級、耐火等級等方面。

   下圖為典型數據中心的供配電系統示意圖，采用雙路110kV進線，配置10kV柴油發(fā)電機作為自備應急電源，UPS采用冗余供電方式，末端精配電柜和精空調均采用UPS供電，提高數據中心運行穩(wěn)定性，見圖1

圖1 數據中心典型供配電系統示意圖

3 供配電系統設計
3.1 市電動力配電系統設計

    為了提高數據中心供電可靠性，減少電網故障的干擾，大型數據中心一般采用110kV甚至更高電壓等級市電電源，根據當地供電條件確定。市電動力配電主要用于供給機房精空調設備、普通照明和給排風、維修插座、一般動力、UPS設備等。市電動力配電一般由大樓總配電柜饋出的動力供配電系統，采用50Hz交電，380/220V三相五線電源，TN-S接地方式，零線和地線分開設置且零地線之間電壓小于1V。

    一般可靠性要求數據中心宜引入兩路市電電源，條件受限制時也可引入一路市電電源。引入兩路市電電源時，宜為冗余關系，也可作為供電容量擴展關系。

    每一路市電電源的供電容量應能滿足全部一、二級負荷的需求，包括UPS電源系統、機房精空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。兩路市電電源的供電容量應為全冗余，正常時應同時供電運行，兩路電源在負荷設備輸入端自動切換。

圖2 110kV變電站或10kV開閉所保護測控裝置配置示意圖

    市電動力配電柜一般采用放射式配電直接配至各用電設備或電箱，機房內所有動力配電線纜需要設計橋架或鋼管敷設，市電動力配電柜具有火警聯動保護功能，出現火警時可與消防系統聯動及時切斷電源，動力配電柜、照明箱內的開關和主要元器件應設置有效的防雷措施。

 

表1 110/10kV變電站和10kV開閉所、變電所保護測控裝置選型表

圖3 0.4kV配電柜測控裝置配置示意圖

表2 0.4kV配電柜測控裝置選型表

3.2自備應急電源系統設計

   數據中心一般采用柴油發(fā)電機組作為自備應急電源，對于大型、高等級數據中心也可以選擇可靠性高、輸出電源品質好、帶非線性負載能力強、體積小、重量輕的大功率燃氣輪機發(fā)電機組。一般可靠性要求的數據中心宜配置一路自備應急電源，供電容量應能滿足全部一、二級負荷的需求，包括UPS電源系統、機房空調、機房照明、蓄電池充電及建筑設備中的一、二級負荷。當數據中心條件受限制，且市電電源具有較高可靠性時，也可以部分或全部采用移動式發(fā)電機組作為自備應急電源。發(fā)電機組燃料儲備量應根據數據中心等級的要求，結合市電電源可靠性、供油可靠性、消防要求綜合決定，一般不宜少于發(fā)電機組滿負荷運行8小時的用油量。

圖4 10kV柴油發(fā)電機室保護測控裝置配置示意圖

表3 10kV柴油發(fā)電機保護測控裝置選型表

3.3 UPS供配電系統設計
UPS配電主要用于計算機設備、服務器、小型機、存儲、網絡設備、保安監(jiān)控設備等。UPS 電源系統輸出一般采用三級配電方式：系統輸出配電柜－機房配電柜－機柜配電單元。

UPS電源系統蓄電池組容量的計算方法有以下兩種：

(1) 按負荷電流計算；

(2) 按負荷功率計算；

 

圖5 數據中心UPS和蓄電池監(jiān)測配置示意圖

 

表4 數據中心蓄電池監(jiān)測選型表

4 末端配電系統

    機房UPS、精空調電源系統輸入應設置專用的輸入配電柜。電源系統輸入配電柜應引接兩路電源、自動切換。UPS 電源主機的主電源和旁路電源應分別引入，并宜由不同的輸入配電柜引接。UPS電源系統輸出應采用放射式、雙回路配電方式。UPS 電源系統輸出應采用三相配電，末端分相，以利三相平衡。

   機房配電柜、UPS電源柜落地安裝，動力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝，配電柜及其他電氣裝置的底座應與建筑樓地面牢靠固定，并接地，機房內應分別設置維修和測試用插座，且有明顯區(qū)別標志，測試用電源插座應由UPS供電，維修插座由市電供電。所有線路的敷設是要以設備布局和設計圖紙為基礎進行，設計時考慮供電距離盡量短，機房內的電源線、信號線和通信線應分別鋪設，不能共走同一線槽，UPS電源配電箱(柜)引出的配電線路，穿鍍鋅鋼管，沿機房活動地板下敷設至各排網絡或服務器機柜，使用插座或工業(yè)連接器為機柜供電。

4.1 精配電柜

   精配電柜是為數據中心的設備機柜提供電源的末端配電設備，一般采用雙回路供電，電源分別來自兩臺冗余的UPS，分為交流和直流供電，一般放置在機柜陣列的兩端，也稱列頭柜，如圖6所示。

圖6 ANDPF精配電柜

    安科瑞精配電監(jiān)控解決方案針對精配電柜監(jiān)控數字化要求，方案包括交流（AC220V）、直流（DC-48V/240V/336V）系統。由觸摸式液晶顯示屏、綜合信息處理主機模塊、開關狀態(tài)采集模塊、電流互感器(交流)或霍爾傳感器(直流)采集單元模塊等組成。監(jiān)測兩路主進線和A+B雙面饋線回路電量參數、開關狀態(tài)、諧波含量、柜內溫濕度等數據，可以在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統顯示和報警。產品方案見表5。

 

表5 精配電柜數字化方案產品選型

4.2 智慧母線槽

   近年來隨著數據中心建設的快速發(fā)展，智能母線槽的方案運用越來越多。相比傳統精配電柜，數據中心母線槽架空鋪設，具有安裝檢修方便、不占地、散熱快、易增容等優(yōu)勢。母線槽通過始端箱從前端UPS取電，以母排系統組成輸電結構，采用即插即用的方式，通過插接箱給各個IT機柜內的PDU供電。

圖7 智能母線槽數據采集方案示意圖

    安科瑞智能母線槽方案在始端箱和插接箱內配置AMB100/AMB110監(jiān)測單元，測量始端箱、插接箱電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能、無功電能、諧波畸變、溫濕度、漏電電流等數據，可以通過有線或無線方式傳輸數據，在本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽的數據展示和異常預警。

    另外由于母線槽是由銅制母排搭接而成，接頭部位可能會由于接觸不良而異常發(fā)熱，所以需要對母線槽接頭溫度進行實時監(jiān)測，安科瑞AMB200母線接頭溫度監(jiān)測裝置進行接觸式測溫，AMB300通過紅外非接觸式測溫方式監(jiān)測母線溫度，數據通過有線或無線方式傳輸本地觸摸屏顯示，同時可以上傳數據中心能效管理系統，實現母線槽溫度的實時預警，設備選型如表6所示。

表5 精配電柜數字化方案產品選型

 

 

表6 智能母線槽解決方案選型表

5 數據中心能效管理系統設計

5.1 概述

   AcrelEMS-IDC數據中心能效管理系統搭建基于高、中、低壓配電系統、柴油發(fā)電機、UPS的實時監(jiān)控和末端配電系統數據采集的電力監(jiān)控、PUE分析以及動環(huán)監(jiān)測，幫助數據中心管理者了解數據中心能源運行情況，并關注消防和電氣安全，及時預警異常情況，保障數據中心穩(wěn)定可靠運行。除了變電站、柴油發(fā)電機和UPS運行監(jiān)控以外，特別是針對數據中心的末端配電環(huán)節(jié)，系統數據跟蹤到每一個回路的電氣參數和開關狀態(tài)、溫濕度數據等。

5.2 系統結構

圖8 數據中心能效管理系統架構圖

5.3 系統功能

1） 電力監(jiān)控

監(jiān)控110kV變電站、10kV開閉所、10/0.4kV低壓變配電室配電系統運行情況，實現遙測、遙信、越限報警、故障分析、電能質量分析、運行報表等功能。

 

2） 設備監(jiān)控

監(jiān)測柴油發(fā)電機、變壓器、UPS、蓄電池組、精配電柜、精空調的狀態(tài)以及運行參數，并提供異常預警、運行報表等功能。

 

3） 能耗分析

統計數據中心總能耗、IT設備能耗、制冷系統能耗、供電系統能耗、照明及辦公能耗等分項用能，并計算CLF/PLF/PUE等能耗指標。

 

4 ）環(huán)境監(jiān)測

監(jiān)測數據中心溫濕度、水浸，蓄電池內阻、溫度、電壓、蓄電池間氫氣濃度等數據并提供越限告警和聯動控制。

 

5） 精配電柜或小母線運行監(jiān)測

系統監(jiān)測精配電柜或母線槽系統電氣接點溫度以及漏電電流，并設置溫度、漏電越限告警，及時消除系統隱患。系統監(jiān)測每路饋線回路的電流、功率、開關狀態(tài)和用電量，還可以配置溫度、濕度傳感器用于監(jiān)測線路接點溫度和柜內濕度，設置參數高低越限告警，避免回路超負荷運行而導致意外斷電。

 

6 ）故障預警

系統對數據中心的故障類型進行分級分類處理，可以通過語音、文字彈窗、短信等方式提供故障預警信號，并對故障進行分類展示。

 

7 ）運維管理

系統為數據中心提供設備管理和運維管理功能，包括設備臺賬、設備保養(yǎng)、工單管理、巡檢記錄、缺陷管理、搶修記錄等功能，告別依靠手工記賬，降低人力和時間成本。

 

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為微電網能效管理和環(huán)保安全用電。