宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011
摘 要：本文結合重慶某云計算數(shù)據(jù)中心項目的設計實例，分析了云計算數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)設計過程中如何兼顧配電安全性、可靠性和建設成本經(jīng)濟性。總結了一些云計算數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計體會。
關鍵詞：云計算數(shù)據(jù)中心；UPS電源；冗余備份；列頭柜
1前言
現(xiàn)在越來越多的廠商開始介入云計算數(shù)據(jù)中心建設業(yè)務，各個地方公有云、私有云、混合云建設齊頭并進。一般認為云計算數(shù)據(jù)中心是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模分布式計算模式，首先利用互聯(lián)網(wǎng)將各種廣域異構資源整合形成資源池，進行統(tǒng)一管理、調度和維護；然后通過互聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)服務提供者和用戶事先商量好的服務等級協(xié)議，按用戶需求動態(tài)地提供計算存儲能力、軟件平臺和應用軟件等服務。在用戶看來云資源是可以無限擴展的，可以隨時獲取，按需使用，按使用付費。云計算數(shù)據(jù)中心擁有大量IT設備、空調設備及消防設備等，擁有一個持續(xù)、可靠、安全的供配電系統(tǒng)尤其重要。在本文中，筆者結合重慶某云計算數(shù)據(jù)中心的實際設計過程，總結了一些云計算數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計體會。
2工程概況
該云計算數(shù)據(jù)中心位于重慶市兩江新區(qū)，市政電源條件：4路10kV電源。云計算數(shù)據(jù)中心分設數(shù)據(jù)中心樓和動力樓。IT模塊設備房、辦公管理用房等設于數(shù)據(jù)中心樓，發(fā)電機房、冷凍站房等設于動力樓。
3主要負荷及負荷分級
云計算數(shù)據(jù)中心用電負荷主要包含四類。第一類是數(shù)據(jù)中心的主體—IT模塊設備，約占總安裝容量的60％；第二類是保證IT設備工作在正常環(huán)境的公用設備負荷，如：冷凍機組、循環(huán)水泵、空調末端設備，約占總安裝容量的35％；第三類是消防負荷，如：應急照明、消防泵、噴淋泵，約占總安裝容量的2％。第四類是數(shù)據(jù)中心配套設施負荷，如：辦公用房、路燈等，約占總安裝容量的3％。除辦公用房、路燈屬三級負荷外，其它負荷均為一級負荷。一級負荷中如IT模塊設備、IT機房空調和消防設備，若將三者視為同一負荷等級，明顯不合理。IT模塊設備負荷等級明顯應高于IT機房空調，消防設備負荷等級則應比前二者低。為了有效、合理的利用市電電源、發(fā)電機組電源及UPS電源，根據(jù)負荷的重要性及中斷供電將造成的人身傷害、社會影響及經(jīng)濟損失程度，本次設計將一級負荷詳分為三個等級，即普通一級負荷、重要一級負荷和特別重要一級負荷。為了便于后文的描述，暫且將普通一級負荷命名為T3等級負荷，重要一級負荷命名為T2等級負荷，特別重要一級負荷命名為T1等級負荷。云計算數(shù)據(jù)中心詳細負荷分級詳見表1。
表 1 云計算數(shù)據(jù)中心用電負荷分級
4 10kV電源系統(tǒng)
云計算數(shù)據(jù)中心主要采用兩種10kV電源：市電、柴油發(fā)電機組。
數(shù)據(jù)中心樓和動力樓各引入兩路10kV市電，各設一10kV配電系統(tǒng)。由于兩10kV配電系統(tǒng)相似，此處以動力樓10kV系統(tǒng)為例作以闡述。動力樓10kV系統(tǒng)采用分段單母線聯(lián)絡接線方式，10kV母線以放射式向各變壓器供電。正常情況下兩路10kV電源分別向兩段母線供電，母線分段開關斷開。任一路電源故障停電或檢修時，母線分段開關投入運行，由另一路電源向兩段母線同時供電。當兩路市電均失電時，由10kV柴油發(fā)電機組向兩段母線同時供電。發(fā)電機組與市電設可靠聯(lián)鎖，以防并網(wǎng)運行。
柴油發(fā)電機組采用N＋1的冗余備份方式，當檢測到兩路市電均失電后，柴油發(fā)電機組并機啟動，達到帶載條件后向10kV并機母線提供應急電源。并機母線采用分段單母線聯(lián)絡接線方式，正常情況下發(fā)電機組同時向兩段并機母線供電，母線分段開關斷開。任一組并機系統(tǒng)故障或檢修時，另一組并機系統(tǒng)仍可以保證向10kV配電所提供可靠應急電源。每臺柴油發(fā)電機配備獨立的控制系統(tǒng)。在動力樓附近設置一組埋地柴油罐，通過兩條相互獨立供油管路向各柴油發(fā)電機的日用油箱供油，每套供油管路可以滿足柴油發(fā)電機房所有發(fā)電機全部滿負荷運行的耗油量。埋地油罐的柴油總儲量能保證本工程柴油發(fā)電系統(tǒng)滿負荷運行72h。
上述10kV電源系統(tǒng)可以在一路或兩路市電失電、故障及檢修，或任一發(fā)電機組并機系統(tǒng)故障及檢修，或任一臺發(fā)電機故障及檢修等多種情況下，保證數(shù)據(jù)中心的正常供電，避免IT系統(tǒng)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失等事故的發(fā)生。10kV電源系統(tǒng)接線圖參見圖1。
圖1 10KV電源系統(tǒng)圖
5 低壓配電系統(tǒng)
低壓配電系統(tǒng)也采用分段單母線聯(lián)絡的接線方式。10/0.4kV變電所內變壓器自動成對、低壓聯(lián)絡，分列運行。變壓器容量按2N的冗余備份方式確定，變壓器各承擔50％的負荷，當其中一臺故障時，另一臺變壓器能承擔100％的負荷。
UPS系統(tǒng)主要串接于一級負荷的0.4kV供電回路中。每套UPS系統(tǒng)配置有輸入濾波器、逆變器、通信接口、持續(xù)供電時間不少于10min的蓄電池組和輸出控制柜。輸入濾波器控制了諧波對發(fā)電機組電壓調節(jié)器及UPS同步電路的不良影響，使UPS與發(fā)電機組間更好的兼容、匹配。每個蓄電池組有一個獨立的直流斷路器，允許在不關閉UPS的情況下進行并行維修，并配備蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測每個電池組、及每節(jié)電池的內阻實時狀態(tài)。輸出控制柜，包含有UPS輸出開關、系統(tǒng)靜態(tài)開關、維修旁路開關、負載組開關和饋線開關。
由于各變壓器采用市電、柴油發(fā)電雙電源供電，因此0.4kV系統(tǒng)不再設置柴油發(fā)電系統(tǒng)。向一級負荷供電的兩路0.4kV電源，引自不同變壓器的低壓母線，再加上UPS系統(tǒng)的接入，即可保證一級負荷不會被中斷供電。下面對不同等級的一級負荷采用不同的供配電系統(tǒng)作以分析。
5.1 T1等級負荷
采用兩路0.4kV電源＋UPS供電。UPS采用2N冗余標準配置。兩路0.4kV電源供電即可保證T1等級負荷不會被中斷供電，但是發(fā)電與市電切換時需要大約15s的時間，這對于IT設備供電是不允許的。所以在0.4kV電源配電線路中串接入UPS電源，當發(fā)電與市電切換時，T1等級負荷能由UPS蓄電池持續(xù)供電。T1等級負荷的UPS采用2N冗余標準配置。當任一套UPS系統(tǒng)故障或檢修時，T1等級負荷的供電不受影響。這套配電系統(tǒng)可靠性高，但是建設成本也高，所以只用于向T1等級負荷供電。T1等級負荷配電系統(tǒng)參見圖2。
5.2 T2等級負荷
采用兩路0.4kV電源＋UPS供電，末端自動切換。UPS采用N＋1冗余標準配置。T2等級負荷與T1等級負荷供配電系統(tǒng)的差異主要是UPS的冗余標準，T2等級負荷采用N＋1冗余標準配置，可以保證T2等級負荷由UPS蓄電池持續(xù)供電。當任一臺UPS故障或檢修時，T2等級負荷的供電不受影響。T2等級負荷配電系統(tǒng)參見圖3。
5.3 T3等級負荷
采用兩路0.4kV電源供電，末端自動切換，保證T3等級負荷不會被中斷供電15s以上。
圖 2 T1 等級負荷配電系統(tǒng)圖
圖 3 T2 等級負荷配電系統(tǒng)圖
6 IT模塊的末端配電系統(tǒng)
IT模塊末端配電系統(tǒng)同其它一級負荷有所不同，它需要兩路電源同時工作，且兩路電源都能承擔100％IT負荷，其次它加入了列頭柜。每個IT模塊各從一個列頭柜引一路電源，通過IT模塊自帶的電源轉換設備，將兩路交流電源轉換成兩路直流穩(wěn)壓電源，通過由兩個具有共陰極的二極管構成的共模驅動電路向IT設備供電。
列頭柜主要起配電、監(jiān)控、測量、保護、通信等作用，內設進出線斷路器、電能質量管理監(jiān)控模塊、浪涌保護模塊等并預留雙繞組變壓器安裝空間。利用雙繞組變壓器二次側另起的TN-S系統(tǒng)，使N線與PE線間的電壓為0V。避免當N線與PE線間電壓高于IT設備信息電壓時，導致的IT設備鎖定事故。另外，UPS配電柜的輸出分路有限，而列頭柜可以按IT模塊的需求進行優(yōu)化配置，可以做到幾十上百個單相、三相回路出線，從而解決了UPS配電柜分路不足的問題，而且便于分支回路的故障檢修，大大提高了整個配電系統(tǒng)的容錯性。電能質量管理監(jiān)控模塊及浪涌保護模塊的應用，保證了配電系統(tǒng)后臺監(jiān)控、管理的通訊暢通，以及避免了瞬態(tài)過電壓對配電系統(tǒng)造成的危害。
7 安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹
7.1產品介紹
隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。
AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供準確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個數(shù)據(jù)機房的實時監(jiān)控和有效管理，為實現(xiàn)綠色IDC提供可靠保證。
7.2安科瑞精密配電產品解決方案
1）交流系統(tǒng)
功能要求
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關狀態(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、頻率等參數(shù)的越限報警功能。
配置方案如圖4，
圖4 交流系統(tǒng)配置方案
2）直流系統(tǒng)
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(tài)，具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報警功能。
配置方案如圖5，
圖5 直流系統(tǒng)配置方案
7.3產品選型
外形及尺寸 型號 功能
表2 精密列頭柜產品選型表
8 安科瑞智能小母線監(jiān)控系統(tǒng)介紹
8.1產品介紹
針對數(shù)據(jù)中心智能小母線的監(jiān)控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監(jiān)控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監(jiān)控系統(tǒng),能對母線運行過程中的各種參數(shù)進行監(jiān)控，發(fā)生故障則進行告警，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
AMB檢測單元是針對數(shù)據(jù)中心智能小母線插接箱/始端箱的監(jiān)控要求新設計的產品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部，插接箱/始端箱采用方式與母線連通，它集成全部電力參數(shù)的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數(shù))以及電能監(jiān)測和考核管理。同時可以實時監(jiān)控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協(xié)議可以方便可靠的將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至主控箱和后臺系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運行。
8.2產品選型
安科瑞智能母線測控儀表選型如表3，
表3 安科瑞智能母線測控儀表選型表
注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統(tǒng)、D-直流系統(tǒng)可選配AMB10顯示器，顯示器只循環(huán)顯示電壓、電流參數(shù)。
9 結束語
云計算數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)應做到安全可靠、技術先進、經(jīng)濟合理。本次設計對市電、發(fā)電及UPS電源進行合理、充分組合，引入列頭柜等先進設備，使數(shù)據(jù)中心在市電停電，設備故障、檢修，線路故障、檢修等各種情況下正常運行。另外，通過對一級負荷進行再次分級，保證可靠性高的、建設成本高的供配電系統(tǒng)向重要的負荷供電，從而兼顧了供電可靠性和建設成本。
【參考文獻】
[1]《低壓配電設計規(guī)范》（GB50054-2011）.中國計劃出版社.
[2]洪健.云計算數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)淺述[J].電力技術資訊,2013,(12):83-85．
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）
