摘要：现阶段，随着计算机技术以及网络技术的普遍应用，信息化建设也得到了一定的发展，数据中心集数据的运算，处理和存储等功能为一体，已经成为信息化建设的重点项目，数据中心所承载的业务性质决定了对数据处理能力要求更强，对数据的安全要求也更高。在数据中心机房中供配电系统是其安全运行的基础，对于数据中心的作用有着直接的影响。因此本文主要就结合实践项目对数据中心机房供配电系统设计相关方面进行分析和探讨。
关键词：数据中心；供配电系统；可靠性
1工程 概述
本数据中心机房为三层建筑，建筑占地面积6000平方米，建筑面积18000平方米，建筑耐火等级一级。一层设主要设备用房（如开闭所、变电所、柴发机组、UPS电池室、冷冻站、钢瓶间、送风室、运营商接入室、排风机房、核心机房等）及辅助用房（如值班室、卫生间等）； 二层设主要设备用房（如变电所、UPS电池室、IT机房、空调机房等）及辅助用房（如值班室、卫生间等）；三层平面布置及面积同二层。考虑美观、实用性，各楼层设备用房及IT机房的布置采用东西方向均匀对称。
2数据中心机房供配电系统设计要求
2.1设计标准和原则
首先，不仅满足国内现行数据中心机房的相关规范外，还结合国际标准，如美国TIA-942《数据中心的通信基础设施标准》，该项目采用最高级别 T4级。各设备、系统、模块、路由等采用2N模式设计。
其次，在对IDC机房的设计一定要确保其科学、安全以及稳定、可扩展性等。
综合考虑数据中心整体布局以及后期分期扩展的需要，每层独立设置变电所、UPS房和电池间，分别为各楼层的IT负荷提供供电。
2.2设计需求分析
随着现阶段数据中心机房所产生的作用越来越重要，机房的单位面积自身的用电负荷也在不断的提高，对于供配电可靠性要求也在提升。通常，需要加强对用电负荷的重视，相对于IT机房内设备用电负荷来讲，其主要有两种。其一是特别重要负荷设备，如IT机柜，则应采用市电+柴油机+UPS供电；其二是机房内水泵、精密空调等其他配套设施,采用市电+UPS供电或市电+柴油机供电。
3数据中心机房供配电系统设计
3.1数据中心用电负荷等级
该项目为T4级数据中心，其主要用电负荷为数据中心机房计算机设备用电、支持计算机设备正常运行的辅助设备及通信安全设备用电等，用电负荷等级为一级中特别重要负荷；排烟风机、消防控制中心与消防应急照明等消防负荷用电等级为一级；IT机房内精密空调等配套设施用电为一级；其他如正常照明等用电负荷则为三级。该工程前期采用2路独立10KV进线，并采用10KV输出多组柴发机组并机后接入市电电源，为动力设备等重要负荷供电，其中数据中心IT设备再通过UPS接入供电。
3.2供配电系统设备布置
根据IT设备总用电量并结合IT设备用电点，UPS电源机房能够和IT机房进行靠近以及空间预留以便后期实际运行能够扩容原则，进行合理布置各设备间。
一层电气设备用房具体布置如下：
a.中间位置南、北侧各设一个开闭所（9.8m×17m）。
b.南、北侧分别设三个柴发机房(9.4m×17m)，每个柴发机组内设2台2000KW柴发机组；一层南、北侧分别设一个柴发并机室(21.5m×5m)。
c.南、北侧分别设一个电池室（9.8m×5.2m）；
d.南、北侧分别设一个配电室（9.8m×16.5m），每个配电室内设1台1600kVA变压器, 1台2000kVA变压器,1台UPS （360kW）， 1台UPS (180kW)。
二、三层电气设备用房具体布置如下：
a. 南、北侧分别设3座配电室，每个配电室内设1台2000kVA变压器，4台UPS（450 kW）。
b. 南、北侧分别设3座电池室（7m×10.5m）。
3.3供配电系统设计
3.3.1市电动力配电系统设计
对于可靠性要求比较高的数据中心机房需要在两个独立变电所的专用输出回路当中，分别进行市电电源的引入，采用专线的方式按照相关敷设方法将其引入到数据中心机房。对于所引入的每一路市电电源的容量需要能够有效的满足相应的负荷要求，其主要就是需要能够满足UPS以及机房空调、机房照明、蓄电池充电及建筑设备等负荷要求。确保所引入的两路市电电源的容量为全冗余，在正常情况下需要确保其能够同时实施供电运行。
该工程初期从市政引来两路独立10KV电源（A、B）,后期根据需求再申请2路独立10KV电源，两路电源独立供电，互不联络。本次设计初期使用容量为15250KVA，预留后期扩容空间每路承担50%负载。变压器终期容量为14*2000+2*1600=31200kVA；具体供电系统架构见图1：
图1：供电系统架构图
低压配电系统（380/220V）带电导体采用三相四线制、中性点固定接地的TN-S系统；数据中心内，所有变压器均独立运行，低压侧不设联络开关，变压器容量按2N配置，所有设备均在末端切换并按2N配置，当一台变压器故障或者检修时，末端切换开关自动切换到备用电源侧或启用2N设备中的另一台设备，以保证末端IT设备正常供电。
3.3.2计量及功率因素设计
该项目在高压侧集中设计计量装置；对于变电所的低压侧，需要集中进行自动补偿设施的设置，根据当地供电部门要求 ，补偿之后其功率因素＞0.95，该工程各变压器具体补偿后功率因数参见表1：
表1变压器安装容量及补偿容量
3.3.3主要设备供配电设计
精密空调，水泵等动力设备为IT机房提供一定要求的温度和湿度，使机房能够可靠，安全，持久的工作。冷水主机为低压380/220V供电，每套冷机及其成套的泵组、冷却塔设一台变压器，每两台变压器联络运行。冷机二次泵及其它用电负荷单设两台变压器进行联络运行。
数据机房发热量大，温度梯度变化也大，若机房内精密空调停电，会造成机房温度迅速升高。对于一般的通讯机房，因其机柜功率密度低，市电和柴油发电机启动延迟的电源切换操作是不成问题的，然而对数据机房来说，在电源中断的时间内是不能接受的，空调风机会停止制冷，导致了气流不能循环，据检测，在单机柜5kW 负载情况下，机房温度会在发电机启动延迟和时间切换过程中会升高5～20°C;若电源中断时间过长，则整个机房系统瘫痪。可见，保障数据机房内精密空调的电源可靠性是尤为重要。故本项目机房模块精密空调为UPS+市电双电源供电，以防止精密空调电源中断并缩短电源中断时间。
3.3.4 UPS供配电系统设计
UPS供配电系统主要就是实现数据中心机房当中的相关IT设备能够确保正常有效的运行，一般所采用的配电方式主要就是三级配电方式，即系统输出配电柜-机房配电柜-机柜配电单元。
通常，相对于数据中心机房当中的UPS供电系统在实际的供电当中主要应用的就是冗余方式，这样设置的目的主要就是在其中的一个UPS电源产生故障之后，还能够继续为设备提供用电需求，此方式可靠性高，以满足当下对于数据机房UPS具有6个9的可用性（99.9999%）要求。
然而，UPS的容量计算需要结合实际项目用电需求，本项目IT机房布置在二、三层楼，负荷用电见表2：
表2:IT负荷计算表
图2：2N冗余UPS供配电系统图
3.3.5自备应急电源系统设计
一般，在数据中心机房，都需要进行应急电源的设置，对于应急电源其主要就是采用柴油发机组。该项目柴发机房选用主用功率为2000kW，电压等级为10KV的发电机组并机，每组均采用10+2模式运行，并根据实际需求选择初期投入数量。市电在正常时由市电进行供电，若是市电产生故障就需要采用应急柴油发电机组供电；柴油发电机组应急电源与市电在10KV侧通过高压真空断路器进行转换，在10KV市电进线断路器前端装设电压互感器，当两路10kV市电失电时，电压互感器发出信号给柴油发电机组，柴油发电机组在15秒内自动启动，为末端提供持续供电。柴油发电机组在任何情况下均不与市电并联运行。当市电电源恢复供电后，柴油发电机组将自动停机并在30秒内转换至市电供电，以确保系统恢复正常运行而不中断供电。
3.3.6 PUE值的计算与分析
随着数据机房数量越来越多，规模越来越大，能耗也随着增大。评价数据中心能源效率的指标PUE就是判断该机房是否为绿色机房的关键指标。PUE = 数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE是一个比值，越接近1表明能效水平越好。该项目PUE值计算和分析如下表3。
表3: PUE值计算表
根据以上空调系统满负荷PUE和空调系统利用自然冷却（按每年三个月）的PUE的计算，预计本项目全年平均整体PUE约为（1.51×9+1.32×3）÷12=1.46，达到了节能预期要求，也符合绿色数据机房设计理念。
结语
总之，现代数据中心机房，为IT基础设施提供可靠的运行环境,是现阶段大数据，与计算蓬勃发展的基础，因为其可靠性要求较高,中断影响范围广泛,所以需要提高可靠性的电力系统作为保证，在电气系统设计中需要充分考虑各个设计节点的风险，提出解决风险和提高可靠性的方案，保证系统可靠运行。
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论文作者:刘健
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第7期
论文发表时间:2017/9/6
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