滨州市政务云数据中心供配电系统设计分析

　　【摘要】大型数据中心在运行的过程中出现的主机停止运行故障，和电源系统应用本身之间存在密切的关联​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。为了充分保证大型数据中心供电配电系统应用的安全、可靠、稳定，滨州市政务云数据中心严格参照相关规范，对大型数据中心配电系统进行详细的规划和安排​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。文章在阐述滨州市政务云数据中心对供电配电系统要求和设计具体方法的基础上，根据不同用电、供电需要，在供电电源、供电系统安排和供电配电系统结构形式等方面，采用相应的电力系统设计技术措施，达到节省电能的目的​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。

　　【关键词】大型数据中心;2N ;配电系统;供电系统

　　近几年，在计算机技术、网络技术的快速发展下，各个单位对信息的需求增加，云计算、大数据应运而生，由此加快了大型数据中心的建设。大型数据中心能够批量管理和存储数据信息资源，从而为党政机关、企事业单位的发展提供全方位的信息服务，同时也在某种程度上为云计算和虚拟化技术的发展应用奠定了硬件基础设施的支持。

　　大型数据中心拥有大量的IT 设备、空调设备和消防设备，可靠、安全的供配电系统是十分必要的，是数据中心基础设施建设的核心部分，一旦电力不稳定，很容易对数据中心机房造成损害，引起网络的传输业务问题，甚至数据的丢失，做好数据中心机房配电系统的设计与施工是数据中心建设的重中之重。其主要包括柴油发电机、高压变配电、不间断电源系统、UPS 输入/ 输出柜、精密配电柜、输入低压配电、防雷、电气照明以及末端配电等子系统。

　　本文结合滨州市政务云数据中心的配电系统设计，对大型数据中心的供配电系统进行分析。

　　建筑论文投稿刊物：山西建筑创刊于1975年，由山西省住房和城乡建设厅主管，山西省建筑科学研究院主办，面向国内外公开发行，是山西省建设行业唯一的一份国家级刊物，山西省一级期刊。

　　一、工程概况

　　滨州市政务云数据中心位于滨州市市政办公楼附属楼，总面积约3000 平方米，主要包括机房建筑装饰装修系统，电气系统工程、暖通系统工程、弱电系统工程、消防工程五个子系统，其中政务云数据中心机房电气系统工程，主要包括市政大楼高压配电系统及数据中心机房高低压配电系统两部分。

　　二、本数据中心供配电系统设计的原则

　　本数据中心供配电系统的设计依照供配电相关规范和行业标准进行，并充分考虑大型数据中心用电负荷密度较大、供电要求可靠性强的问题，根据实际选择适合的供配电技术措施。供电配电系统的设计需要遵循分区、分级的原则，在同一个功能区域内保证各个数据设备供电的稳定可靠，同时要将大型数据配电供电系统故障的局部影响控制在最小的范围内。

　　三、本数据中心的供配电系统

　　1.1 高压配电系统架构

　　在市政办公楼西侧和北侧分别有一个110 kV 变电站，本项目考虑两路中压进线，从两个变电站分别引两路中压电到数据中心高压配电室，在变配电室设置两台1000kVA 变压器，配置相应的电容补偿和滤波等，并设置母联开关。由变配电室引两路封闭母线至机房UPS 配电间，为机房动力设备、IT 设备等提供电源。其中每一路市电都能承载所有用电设备的负荷，配电系统整体按照双总线冗错系统设计，关键负载(IT 设备、精密空调)的供电要求从前端到末端完全分开(包括线缆等)。空调系统需要双路电源供电，末端切换(不少于两个ATS 切换)。

　　变配电室为机房提供双路市电，市电总容量约为1000kVA。UPS 系统配置2 台500kW UPS(A\B 路各一台)，构成双总线“2N”系统为机房负载提供双路UPS 电源，以保证在其中一路电出现故障，另一路电继续为数据中心提供配电。

　　为保证高压供配电系统的安全性、可靠性，10kV 线路的断路器采用真空断路器，并在10kV 出线开关柜内安装避雷器，为真空断路器的操作提供过电压保护。真空断路器采用弹簧储能操作机构，并用直流铅酸免维护电池作为操作继电保护及信号的电源。高压开关柜继电保护、短路保护、过电流保护、温度保护和接地保护等均使用微机综合保护装置，并按设计规范要求进行配置。

　　1.2 低压供配电系统架构

　　根据《数据中心设计规范》(GB50174-2017)要求，A 级数据中心应满足冗余要求，可采用2N 或M(N+1) 冗余系统。常规A 级数据中心供配电系统主要有2N、DR、RR 三种架构。相比DR、RR 系统，2N 系统建设成本最高，但是三者从后期运维角度综合比较，2N 系统架构相对简单，容易实现物理隔离，能够避免并联环流产生损耗，且后期运维相对简单。综合考虑项目预算及管理能力，结合本工程供配电情况及建设需求，本数据中心配电系统按照A级机房的“双总线”2N 冗余结构进行配置。

　　按照2N 系统设计架构，整个电气系统分为两套镜像对称系统。正常运行时，两套系统之间都没有直接的电气联系;当其中任何一套系统出现任何故障时都不会影响另一套系统的正常运行。IT 设备和空调动力设备供电，采用双路电源引入，其供电电源由两路市政电源经双电源转换开关切换后，再与后备电源经双电源转换开关切换，当一路电源故障时，另一路电源能完全承担全部负载。

　　空调动力设备供电采用双电源ATS 切换装置，末端切换，在机房设置ATS 切换箱，ATS 切换箱交叉为机房精密空调供电。

　　1.3 不间断电源系统

　　数据中心机房的供电必须由不间断电源系统提供，不间断电源系统是指由电池组、逆变器及其电路组成，能够提供持续、稳定、不间断供应电能的设备，是供配电系统的心脏。本次项目UPS 选用模块化UPS，最大容量可扩容至500kVA，设计为2 套模块化UPS 组成双母线结构，每路母线UPS 功率≥500kW 并至少冗余1 个功率模块。不间断电源系统和数据中心动力设备的回路各自独立，并有手动和自动旁路装置，两台单机双总线运行，为机房IT 设备提供双路电源供电，后备时间15min。

　　1.4 机房照明动力电源系统

　　机房空调系统用电：设计为双路市电电源供电保障，在机房及辅助区域设置照明配电箱，为市电照明、维修插座、舒适型空调等负荷供电。

　　机房动力配电部分设置消防联动，当机房处于消防状态时，由消防系统发出报警信号，自动切断机房内的非UPS 系统电源，如新风系统、空调系统、市电维修插座系统、照明系统等。第一可关闭空调通风系统，以防止气流流动而助长火势，第二也可以防止因火灾影响造成配电系统发生次生灾害的可能。

　　机房动力配电系统各主要设备(如机房精密空调)设置独立的空气开关控制，不与其他设备交叉，保证供电的安全性。

　　机房内设置照明配电箱和市电维修插座配电箱;市电维修插座各回路安装漏电保护开关。

　　所有配电柜的开关容量根据机房满载运行设计。主动力电缆及负载电缆采用阻燃交联聚氯乙烯电缆。

　　整个配电系统满足现有实际需要，同时要考虑到以后的扩容，进行预留。低压配电柜(包括柜体、开关部件等)，配电柜内断路器的设计数量有适度冗余量，满足扩容和应急备用。

　　1.5 末端供电系统

　　机房末端供电设计采用列头柜，由列头柜提供双路UPS 电源，后端供电为双总线供电模式，为服务器、网络等设备提供双电源配电。

　　机房内的其他单电源设备以及辅助单电源设备采用双电源引入+ 机架式STS 供电，满足单电源设备的供电需求。

　　机房内每台计算机机柜配置2 个独立的配电回路，采用双路UPS 电源供电方式，分别引自配电列头柜内不同的不间断电源输出系统，设置独立的控制开关，连接至机柜内的PDU。每个配电回路均能满足服务器机柜100% 的用电负荷，任何一路空开或线路的故障均不影响另一路电源的正常使用。

　　机房内各回路电缆通过机柜顶的槽道系统敷设到位，通过工业连接器与机柜内PDU 相连接。

　　四、结束语

　　不同用途或等级的数据中心对可靠性的要求不同，直接关系到数据中心的建设投资和运营成本。数据中心供配电系统是数据中心最重要的基础设施，应在数据中心建设初期予以统筹考虑和全面规划，并根据数据中心对供电可靠性的要求，在供电电源选择、供配电系统布置、供配电系统结构和形式等方面采取相应的技术措施。同时，还应充分运用成熟有效的节能措施，降低供配电系统的损耗。若数据中心存在不同等级的功能区域，在供配电系统设计中也应区别对待，以减少不必要的建设投资和运营成本​‍‌‍​‍‌‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍​‍‌‍​‍‌​‍​‍​‍‌‍​‍​‍​‍‌‍‌‍‌‍‌‍​‍‌‍​‍​​‍​‍​‍​‍​‍​‍​‍‌‍​‍‌‍​‍‌‍‌‍‌‍​。

　　本数据中心配电系统采用了两套互为备份的配电系统进行物理分隔，双路独立路由为末端负载供电，设备采用冗余备份的配置方式，提高系统的可靠性。配电系统采用先进、智能化的管理系统，提高了系统的可管理性，是数据中心机房中一种主流的供配电解决方案。

　　【参考文献】

　　[1] 中国电子工程设计院.GB50174—2017 数据中心设计规范 [S].北京：中国计划出版社.2017.

　　[2] 中华人民共和国机械工业部. 供配电系统设计规范[M].北京：中国计划出版社，1996.

　　[3] 中机中电设计研究院有限公司.G B 50054—20 1l 低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

　　[4] 高春荣，胡君，刘建立. 谈数据中心机房配电系统设计与施工 [J]. 山西建筑，2012.

　　[5] 包昀毅. 数据中心供配电系统设计[J]. 现代建筑电气,2010.

　　作者：孙昌亮 姚志新 吕风杰