大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過改善中央計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)，提高企業(yè)的信息和節(jié)能環(huán)保壓力，集中的大數(shù)據(jù)逐漸取代了效率低下、能源消耗高的小型數(shù)據(jù)，成為現(xiàn)在建設(shè)數(shù)據(jù)處理的主流。大型數(shù)據(jù)中心即指GB50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》中根據(jù)機(jī)房使用性質(zhì)、管理要求及其在經(jīng)濟(jì)和社會中的重要性劃分的A級機(jī)房,或美國標(biāo)準(zhǔn)TIA—942《數(shù)據(jù)中心的通信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》中依據(jù)可用性、穩(wěn)定性和安全性劃分的TierIV級數(shù)據(jù)中心,均屬于標(biāo)準(zhǔn)中劃分的最高等級。該類數(shù)據(jù)中心要求“場地設(shè)施應(yīng)按容錯(cuò)系統(tǒng)配置,在電子信息系統(tǒng)運(yùn)行期間,場地設(shè)施不應(yīng)因操作失誤、設(shè)備故障、外電源中斷、維護(hù)和檢修而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷”(GB50174—2008第3.2.1條),可用性達(dá)到99.995%(美國標(biāo)準(zhǔn)TIA—942)。為了達(dá)到大型數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面應(yīng)該關(guān)注哪些問題呢?為此,本刊記者特約采訪了有著多項(xiàng)大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的中建國際(深圳)設(shè)計(jì)顧問有限公司電氣與智能化總工程師李興林,請他就大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的若干問題予以解答。it設(shè)備特點(diǎn)電氣應(yīng)用:李總您好!非常感謝您能夠在百忙之中接受我刊的采訪。首先請您介紹一下數(shù)據(jù)中心包括哪些主要的用電負(fù)荷?李興林:你好,小楊!大型數(shù)據(jù)中心的主要用電設(shè)備包括IT設(shè)備、消防負(fù)荷、安全防范系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)用電和機(jī)房照明等,上述用電負(fù)荷都是一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷。其中,IT設(shè)備包括服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)備,按機(jī)箱結(jié)構(gòu)可分為臺式服務(wù)器、機(jī)架式服務(wù)器、機(jī)柜式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器。大型數(shù)據(jù)中心多數(shù)采用刀片式服務(wù)器。刀片式服務(wù)器是一種新型服務(wù)器,其尺寸非常小,每個(gè)機(jī)柜最多可安裝42U刀片式服務(wù)器。刀片式服務(wù)器的應(yīng)用,使得每個(gè)機(jī)柜的用電量大大增大,可達(dá)到20~30kW。另外,隨著數(shù)據(jù)中心電氣負(fù)荷密度的增加,對空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及空調(diào)系統(tǒng)電源的可靠性提出了更高的要求。不僅空調(diào)設(shè)備本身需要備份,空調(diào)用電負(fù)荷的電源也需要備份,除了市電外,還應(yīng)有柴油發(fā)電機(jī)電源。據(jù)調(diào)查,數(shù)據(jù)中心2/3的故障發(fā)生在機(jī)架頂部1/3的空間內(nèi),以往數(shù)據(jù)中心如停電25min將會造成災(zāi)難性后果,而現(xiàn)在停電僅3min就會發(fā)生災(zāi)難性后果,對供電可靠性的要求大大提高。保證供電可靠性電氣應(yīng)用:供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于保障大型數(shù)據(jù)中心的供電可靠性毋庸置疑非常重要。數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括哪幾部分?市電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括哪些內(nèi)容?李興林:大型數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)主要包括市電電源系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)自備應(yīng)急電源和蓄電池三部分。其中市電電源設(shè)計(jì)具體包括以下五個(gè)方面:1)供電電源。大型數(shù)據(jù)中心一般采用35kV或10kV電壓供電。兩路電源時(shí)分列運(yùn)行、互為備用,每路電源100%容量;三路電源時(shí)兩用一備,每路電源50%容量。2)配電變壓器。配電變壓器一般采用暗備用。每兩臺變壓器為一組,互為備用,每臺變壓器100%容量。當(dāng)采用高壓柴油發(fā)電機(jī)時(shí),每4~8臺配電變壓器設(shè)置1臺備用配電變壓器。備用配電變壓器通過兩臺高壓斷路器分別接到兩段高壓母線,低壓側(cè)通過多臺低壓斷路器分別接到對應(yīng)的低壓母線。3)低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。應(yīng)把每臺UPS的主電源與旁路電源,主用空調(diào)設(shè)備和備用空調(diào)設(shè)備分別接在兩段低壓母線上。4)繼電保護(hù)與低壓保護(hù)的完全選擇性配合。為了保證大型數(shù)據(jù)中心的供電可靠性,將故障的影響限制在最小范圍內(nèi),嚴(yán)防越級跳閘,做到在發(fā)生短路等故障時(shí),僅故障回路故障點(diǎn)上側(cè)的一個(gè)開關(guān)動(dòng)作。5)中壓備用電源自動(dòng)投入與低壓雙電源自動(dòng)切換的選擇性配合。備用電源自動(dòng)投入裝置及低壓雙電源自動(dòng)切換裝置應(yīng)與保護(hù)裝置一樣具有選擇性,時(shí)間配合的順序是從電源進(jìn)線端到到末端ATS開關(guān),應(yīng)做到某一處發(fā)生故障時(shí)僅故障回路故障點(diǎn)下側(cè)的一對開關(guān)轉(zhuǎn)換。低壓雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)也應(yīng)設(shè)置在自復(fù)位置。電氣應(yīng)用:針對繼電保護(hù)與低壓保護(hù)的選擇性配合設(shè)計(jì),您有何建議?李興林:在供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,保證從低壓保護(hù)到中壓繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)完全選擇性,無疑是一個(gè)十分重要的問題。由于現(xiàn)在都采用微機(jī)保護(hù),繼電保護(hù)時(shí)間級差可以縮小為0.3s;低壓保護(hù)應(yīng)根據(jù)廠家提供的選擇性配合表實(shí)現(xiàn)自然選擇性,在無法實(shí)現(xiàn)自然選擇性時(shí),采用ZSI實(shí)現(xiàn)選擇性;配電變壓器高壓側(cè)的過電流保護(hù)與低壓側(cè)總斷路器的瞬時(shí)保護(hù)配合,實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)保護(hù)的選擇性;保護(hù)時(shí)間配合的順序是從末端到電源進(jìn)線端。電氣應(yīng)用:請您介紹一下柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。李興林:1)柴油發(fā)電機(jī)臺數(shù)選擇。按照GB50174—2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》對于A級機(jī)房的設(shè)計(jì)要求,柴油發(fā)電機(jī)儲油時(shí)間需達(dá)到72h;而按照美國標(biāo)準(zhǔn)TIA—942《數(shù)據(jù)中心的通信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》對于TierIV級機(jī)房的設(shè)計(jì)要求,柴油發(fā)電機(jī)需要達(dá)到儲油時(shí)間96h,即柴油發(fā)電機(jī)可能運(yùn)行72h或96h,所以柴油發(fā)電機(jī)也需要備份。柴油發(fā)電機(jī)需要與配電變壓器對應(yīng)分組設(shè)置,每組柴油發(fā)電機(jī)兩臺或三臺,采用“1+1”或“2+1”方式設(shè)置,可互為備用或輪流備用。柴油發(fā)電機(jī)電源分別與兩段低壓母線引出的回路通過ATS開關(guān)轉(zhuǎn)換,然后對UPS、空調(diào)設(shè)備和消防設(shè)備供電。2)柴油發(fā)電機(jī)電壓選擇。柴油發(fā)電機(jī)宜選擇低壓發(fā)電機(jī),與配電變壓器共同組成“N+2”電源系統(tǒng),如采用中壓柴油發(fā)電機(jī),在一臺配電變壓器檢修時(shí),因檢修時(shí)間不會很短,故障發(fā)生的時(shí)機(jī)又是隨機(jī)的,有可能發(fā)生單點(diǎn)故障,造成災(zāi)難性后果,所以需要增設(shè)備用配電變壓器。由于低壓發(fā)電機(jī)單臺容量受到低壓斷路器斷流容量的限制,一般與配電變壓器同樣按組設(shè)置。采用高壓柴油發(fā)電機(jī)可以提高單臺柴油發(fā)電機(jī)容量,減少柴油發(fā)電機(jī)臺數(shù),由于需要配置備用配電變壓器,卻增加了配電變壓器臺數(shù)。每組高壓柴油發(fā)電機(jī)對應(yīng)幾組配電變壓器。3)柴油發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式選擇。柴油發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式最好選擇永磁勵(lì)磁方式或3次諧波勵(lì)磁。4)柴油發(fā)電機(jī)容量計(jì)算。即Pjs6=k8Pjs1+k7Pjs2+Pjs3+Pjs4。式中,k8為UPS需要的發(fā)電機(jī)容量系數(shù),采用永磁勵(lì)磁機(jī)時(shí),取1.2,UPS采用PFC電路時(shí),取1.3,采用帶輸入濾波器的傳統(tǒng)雙變換UPS時(shí),取3;k7為制冷負(fù)荷需要的發(fā)電機(jī)容量系數(shù),取1.5;Pjs1為IT設(shè)備計(jì)算負(fù)荷,Pjs2為空調(diào)制冷系統(tǒng)電氣計(jì)算負(fù)荷;Pjs3為照明計(jì)算負(fù)荷;Pjs4為消防計(jì)算負(fù)荷。對于大型數(shù)據(jù)中心,可能有的柴油發(fā)電機(jī)、配電變壓器僅帶UPS負(fù)載。兩種電源的選型流程及工作方式電氣應(yīng)用:大型數(shù)據(jù)中心UPS配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括哪幾部分?分別如何設(shè)計(jì)?李興林:大型數(shù)據(jù)中心UPS配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下三部分:(1)UPS兩級配電系統(tǒng)傳統(tǒng)UPS配電系統(tǒng)采用一級配電系統(tǒng),由UPS系統(tǒng)配電裝置直接對機(jī)架進(jìn)行配電;而由于刀片式服務(wù)器的應(yīng)用,功率密度加大,現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心多數(shù)采用二級配電系統(tǒng),即由UPS系統(tǒng)配電裝置對列頭柜供電,再由列頭柜對機(jī)架進(jìn)行配電。(2)列頭柜配電系統(tǒng)多數(shù)采用UPS雙總線系統(tǒng)對各列頭柜進(jìn)行放射式配電,在列頭柜經(jīng)過STS開關(guān)互相切換后對各列機(jī)柜雙電源供電。對三電源列頭柜采取分別由兩臺UPS各引一路電源,另由引自兩臺UPS的兩路電源經(jīng)STS切換后的一路電源。對機(jī)柜中容量較大的負(fù)載,采用由列頭柜直接供電。(3)機(jī)柜配電系統(tǒng)在機(jī)柜內(nèi)一般采用以下幾種配電方式:(1)對單電源負(fù)載,經(jīng)單個(gè)電源的PDU對負(fù)載供電。(2)對單電源負(fù)載,兩個(gè)電源經(jīng)ATS后對負(fù)載供電。(3)對單電源容量較大、可靠性要求較高的負(fù)載,經(jīng)兩個(gè)電源的PDU后,再經(jīng)過STS對負(fù)載供電。(4)對單電源容量較小、可靠性要求較高的負(fù)載,經(jīng)STS后再經(jīng)過PDU對負(fù)載供電。(5)對雙電源負(fù)載,經(jīng)兩個(gè)電源PDU對負(fù)載供電。(6)對三電源負(fù)載采取由兩路UPS電源再加上兩路電源切換后的電源供電。電氣應(yīng)用:關(guān)于大型數(shù)據(jù)中心UPS電源的選擇及運(yùn)行方式,您有何意見或建議?李興林:大型數(shù)據(jù)中心一般都選擇VFI1電壓性能的UPS不間斷電源系統(tǒng),即所選擇的UPS的輸出與市電電壓、頻率無關(guān)。其次,大型數(shù)據(jù)中心多數(shù)選擇雙變換UPS系統(tǒng)或Delta變換UPS系統(tǒng)。后者是近期開發(fā)的產(chǎn)品,價(jià)格較貴,生產(chǎn)廠家較少,選用時(shí)應(yīng)注意與有關(guān)廠家落實(shí)產(chǎn)品。另外,多數(shù)選擇雙總線UPS冗余運(yùn)行方式,每個(gè)總線UPS系統(tǒng)內(nèi)采用“N+1”方式冗余,即采用“2(N+1)”配置。旁路方式一般選擇采用按UPS單元設(shè)置旁路的分散式旁路。一般采用兩級配電系統(tǒng),由UPS雙總線系統(tǒng)向列頭柜供電;再由兩個(gè)列頭柜對機(jī)架進(jìn)行雙電源配電,即每個(gè)機(jī)架有引自兩個(gè)列頭柜的電源。在機(jī)架內(nèi)部根據(jù)負(fù)載需要選擇適合的配電方式。電氣應(yīng)用:您剛剛提到Delta變換UPS,與后備式UPS、在線互動(dòng)式UPS及雙變換式UPS相比,這類UPS的工作方式有何特點(diǎn)呢?李興林:Delta變換UPS系統(tǒng)拓?fù)淙缦聢D所示,工作方式如下:1)正常情況下(指市電電壓的變化在額定電壓的±15%以內(nèi)),負(fù)載由市電經(jīng)Delta變壓器的一次繞組供電,主逆變器將PBP平衡點(diǎn)的電壓控制在額定電壓。根據(jù)市電電壓變化范圍,有下面三種不同的情況:當(dāng)市電電壓等于PBP處的電壓時(shí),Delta變壓器的一次和二次繞組電壓均等于零,無任何功率變換;市電電壓低于PBP的電壓時(shí)(如-15%),Delta變換UPS從系統(tǒng)輸出端吸取一定的功率經(jīng)主逆變器、Delta逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換。此時(shí)Delta變壓器的一、二次側(cè)都有電壓和電流,有從二次側(cè)至一次側(cè)的功率變換;市電電壓高于PBP的電壓時(shí)(如+15%),為了保持功率平衡,Delta逆變器應(yīng)減小輸入電流。但是負(fù)載經(jīng)PBP從市電得到的功率不能滿足負(fù)載需要。Delta變換UPS從Delta變壓器吸取一定的功率經(jīng)Delta逆變器、主逆變器進(jìn)行整流、逆變兩次變換,最后經(jīng)PBP供給負(fù)載。此時(shí),Delta變壓器的一、二次側(cè)都有電壓和電流,因此有從一次側(cè)至二次側(cè)的功率變換。2)蓄電池充電情況。市電電壓在±15%范圍內(nèi)變化時(shí),都可以給蓄電池充電?？刂品椒ㄈ缦?市電電壓等于或低于PBP點(diǎn)的電壓時(shí),控制Delta變壓器二次電流,使從市電吸取的、送到PBP的電流比負(fù)載需要的大,多余的電流即通過主逆變器內(nèi)部的回掃二極管到達(dá)DC母線,給蓄電池充