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浅谈大型数据中心机房的供配电系统规划及监控产品选型

发布时间: 2022-01-04  点击次数: 74次
摘要:首先对大型数据中心负荷进行分析,重点研究供配电系统的规划要点,为大型数据中心的建设提供参考,具有一定的现实意义。 
 
关键词:数据中心;供配电系统;规划设计
 
0 引言
       大型数据中心的建设具有很强的综合性,涉及土建、机电、网络、能源、消防等方方面面 [1],因此做好科学规划意义重大。 本文重点研究了大型数据机房规划中供配电子系统,以期通过合理的规划提高能源利用率,达到节能减排、安全高效的目标。
 
1 大型数据中心负荷分析 
       供配电系统是大型数据中心各类设备的主要电力来源,而供配电系统的规划必须与数据中心的建设规模和设备数量、类型相适应,达到供电可靠的同时又实现了节能减排的目的。因此对数据中心的负荷情况进行分析十分重要。
       负荷的分级:根据我国 2017 年颁布的《数据中心设计规范》(GB50174-2017),一般根据规模、性能、重要性等因素将数据中心划分成 A、B、C 三个级别,其中 A 级最高,C级。显然不同级别的数据中心,其供配电系统的设计是有区别的,但从应用的角度考虑,对于大型数据中心机房而言,无论是什么级别,都应保证在发生一次意外事故的情况下仍可正常运行。数据中心的供配电系统负荷也可以分为三个级别,考虑到机房中的大量服务器、网络设备均要求连续不间断工作,不允许供电中断,因此大型数据机房大部分负荷都是一级负荷,要求采用双电源供电。
       大型数据中心的主要负荷:大型数据中心最重要的负荷是数据生产交换设备,例如服务器、交换机、存储器等,这些设备应保证任何情况下都不能断电,因此必须作为特别重要的负荷来设计供配电方案,采用两路市电进线或柴油发电机等应急电源保证特殊条件下的连续供电。制冷设备也是大型数据中心的重要负荷,因为大密度的主机分布会产生大量的热量,这些热量散发大空间中使机房环境恶化,如果制冷设备由于断电而停止工作,机房温度将迅速上升,很容易酿成大面积的设备宕机或烧坏。所以制冷系统中涉及的空调主机、冷冻水泵、风机等设备均属于一级负荷中的特别重要负荷。数据中心的动力设备允许出现短暂的电力中断,但应该由 UPS 和柴油发电机等备用电源及时接续电力,也可认为是一级负荷中特别重要的负荷。另外,还包括消防设备和安防设备,均作为一级负荷中特别重要的负荷进行供配电规划。 
 
 
2 总体规划要求 
       大型数据中心一般是对外开放的商业性计算资源,为了满足客户需求,规划时应保证其高可靠性和高安全性。对于*数据中心,必须做到7×24有人值守,不允许发生单点故障,要求很高的容错能力。为了减少成本、提高收益,机房规划应考虑经济性和可维护性原则,尽量减少初始投资和后期运维费用。大型数据机房由于工程浩大,因此需要满足一定的灵活性和可扩展性,为数据中心的分期建设和分期投运提供保障。但数据中心的整体容量规划以及结构设计必须一次性完成,避免给供配电系统的规划带来不必要的麻烦。因此,高压配电系统的规范应与所申请的配额相适应,有针对性地确定供电系统的容量和变压器型号。大型数据中心不允许出现设备断电事故,因此应急电源配置要合理,本文采用双路市电+UPS+柴油发电机的多层次应急供电方案。 
 
3 大型数据中心供配电系统规划 
       高压配电系统:从我国目前的数据中心建设情况来看,供电等级以 35kV/10kV/6kV/3kV 几种类型为主,以 10kV 的应用较为广泛,具体等级根据实际需求进行规划。主接线的母线可选择有汇流或无汇流方案,配线则采用放射型或树型。高压配电系统必须具备高可靠性,采用双路电源并联进线,同时接入UPS 和柴油发电机等多种应急供电系统。变压器必须采用容错配置,采用双路市电进线,必要时采用双备份设计。
       应急电源系统:应急电源系统规划是大型数据中心供配电规划的重点,也是难点。笔者推荐使用 N+1 配置柴油发电机,每组柴油发电机又单独作为一套 2N 电源后备。在接线方案上,根据多年的实践经验,10kV 主接线应具有两路电源,分别与两段独立的母线连接。当市电突然发生断电时,两路电源同时失电,此时柴发必须立即自启动,保持母线持续供电。为节约室内空间,柴油发电机安装在室外即可。 
       不间断电源系统:不间断电源在数据中心得到了广泛的应用,是关键设备之一,目前采用较多的是UPS以及HVDC,但由于后者价格昂贵,技术复杂,因此通常只有越大型数据中心才会采用,一般的大型数据中心采用 UPS系统即可满足需求。本系统的规划采用2N配置的UPS方案,即把两立的 UPS主机通过切换装置连接在一起,当市电和柴发均无法供电时,UPS自动为数据中心接续电力。
 
4安科瑞列头柜及监测产品介绍
       随着数据中心的迅猛发展,数据中心能耗问题也越来越突出,高效可靠的数据中心配电系统方案,是提高数据中心电能使用效率,降低设备能耗的有效方式。
       AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的,能够综合采集所有能源数据的智能系统,为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息,并可通过通讯将数据上传到动环监控系统,实现对整个数据机房的实时监控和有效管理,为实现绿色IDC提供可靠保证。     
4.1精密配电管理解决方案
4.1.1交流系统
1)功能要求:
       遥测:输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度;输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度;
       遥信:输入分路的过压/欠压,缺相,过流,输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2)配置方案-示意图
配置方案 
       多功能仪表       PZ72L-E4
       电流互感器       AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系统
1) 功能要求
       遥测:输入分路的电压、电流、功率、电度;
       遥信:输入分路的过压/欠压,输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计,实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图
配置方案
        多功能仪表          PZ72L-DE
        霍尔传感器          AHKC-F-  XXA/5V 开关电源            SBD-30  (48V)
 
 
4.2产品规格
4.3配套附件
5 安科瑞母线槽监测产品介绍
5.1 概述
        数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来,随着数据中心建设的快速发展和更高需求,智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中,具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点,即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块,将数据上传至动环监控中心。
5.2  AMB智能小母线管理系统
1)交流系统功能:
       遥测:三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度,系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率;
       遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;    
2)直流系统功能:
       遥测:电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率;
       遥信:过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警,开关状态、开关跳闸;                             
 
5.3 产品介绍
说明:■为标配功能。
 
6 结语 
       本文提出的大型数据中心机房供配电系统规划方案在某企业网络数据中心机房进行了实施,目前已持续运行一年,期间成功处理了多次外电断电事故,使企业免遭损失。实际上,本文的规划方案是立足于传统数据中心的,随着技术的进步,一些采用新风自然冷却技术的大型数据中心也开始得到应用,本文的规划方案对于此类新型数据中心的供配电系统规划也有重要的参考价值。 
 
【参考文献】 
【1】 韦作韬. 数据中心供配电系统的节能方案 [J]. 通信电源技术,2019,36(08):66-67. 
【2】 魏支坤. 大型数据中心机房的供配电系统规划.
【3】 安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
【4】 安科瑞企业微电网设计应用手册.2020.06版.


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