数据中心供配电系统设计

2015-03-22华东建筑设计研究院有限公司上海200002

现代建筑电气 2015年10期

邱奕侃(华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200002)

数据中心供配电系统设计

邱奕侃
(华东建筑设计研究院有限公司, 上海 200002)

基于GB 50174—1992《电子计算机机房设计规范》和美国国家标准协会TIA-942—2010的相关要求,结合某大型IT企业的实际数据中心机房设计案例,对数据中心机房电气技术中的供配电系统进行探讨,阐释了在数据中心机房实际设计配电系统的方法,以期为类似数据中心供配电系统。

数据中心; 供配电系统; 供电可靠性; TIA-942—2010; 负荷等级

0 引言

随着国内IT企业及金融业全面对外开放,大数据时代已步入人们的日常工作与生活中,这些庞大数据处理的背后同样需要庞大的数据处理器及交换机完成,而这些集中式的数据处理设备对环境要求极其苛刻,所以集中放置这些数据载体的设备成为亟待解决的问题,于是数据中心的概念应运而生。

数据中心作为一种物理载体在企业发展和运营中的作用越来越突出,国内很多大型 IT 公司、金融、电信、政府等行业的数据中心在不断地投入建设。于是,设计出一套可靠性高、节能、经济的数据中心成为电气设计师的共同目标。本文结合亲身参加的国内一些大型数据中心项目的设计工作,在方案初期阶段,通过掌握的国际和国内有关方面的资料,对数据中心各等级的特性要求作了分析比较,并对在实际项目设计过程中遇到供配电系统方面的实际问题作了简要分析。

1 数据中心机房的等级及分级依据

数据中心机房的国内标准一般以GB 50174—1992《电子计算机机房设计规范》为主,该规范针对机房选址、建筑结构、机房环境、安全管理及供电电源的质量要求等方面对数据机房分级,可分为 A (容错型)、 B (冗余型)、 C (基本型)三个级别。

目前国际上较全面地以数据中心为对象的技术规范标准是TIA-942—2010《数据中心的通信基础设施标准》,该标准根据数据中心基础设施的可用性、稳定性和安全性将数据中心的机房等级分为Tier Ⅰ、Tier Ⅱ、Tier Ⅲ、Tier Ⅳ四级。该标准依据国际上多种数据机房工程的需求与实践,提出了与之相匹配的机房场地基础设施的供配电以及其他相关系统的可用性等级指标。下面将介绍该标准中每个等级的特性及其数据中心基础设施等级中相关电气部分的类型、要求和相关特性,如表1所示。

通过比较国内规范及国际行业标准,国际行业标准TIA-942—2010更具有指导意义。从表1可以看出,数据中心机房的等级越高,供电可靠性越高,电源的配电要求更高,线路更复杂,设备数量随着冗余要求增加,导致造价成倍提高。所以在设计数据中心的过程中,将数据中心概括的电气技术指标落实到到实际的设计中,并且能权衡好造价及供电可靠性的这两个对立因素,是设计人员需要仔细考虑的问题。

表1 国际行业标准TIA-942—2010 关于数据中心分级的主要电气技术指标

2 数据机房设计实例

项目要求概况:

(1) 数据服务器主机房面积为600 m2。

(2) 数据中心机房总面积为1 000 m2左右。

(3) 机房总体供电可靠性要求达到99.982%,提供365 d×24 h服务。

感受过V12的气度，该轮到V8涡轮增压展现实力了。从性价比角度考量，带“T”的GTC4Lusso无疑是更划算、更合理的存在。由于装备3.9升V8涡轮增压发动机，取消四驱系统采用后轮驱动，GTC4Lusso T拥有更扎实的低扭输出、更轻盈的体态以及更低的油耗。但问题是，真的有用户会在意我在意的这些细枝末节吗？其实GTC4Lusso T就是一种相比GTC4Lusso更“实惠”的选择，可满足四人同行的日常驾乘所需，我很欣赏它务实的一面。

(4) 数据中心机房内服务器机柜总用电负荷为1 180 kW。

(5) 双路市电输入,应急发电机要有冗余。市电中断后20 s内发电机组能自动起动,发电机组燃油(双油桶)能支持24 h以上。

(6) UPS供电系统采用2N模式,提供满负荷10 min的电池支撑时间。

(7) 放置电源分配单元(Power Distibution Unit,PDU)区域的门口需安装紧急电源关闭总掣(EPO),用于在紧急状态下关闭所有PDU使用,总开关上需增加保护护罩,防止人员误操作。

(8) 冷冻机、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、精密空调等为数据中心服务的设备总容量约为1 608 kW。

3 设计分析

3.1 数据中心负荷等级的确定

数据中心负荷等级如表2所示。

表2 数据中心负荷等级

3.2 UPS容量估算

UPS容量估算表3所示。UPS配置:2×(3×600)kVA，电池时间10 min。

表3 UPS容量估算

由于UPS采用2N形式,故需要2台来自不同电网的2 000 kVA变压器为UPS提供进线电源,平时2台变压器及UPS电池组各带服务器机房负荷的50%;当一路失电后,另一台变压器及UPS承担100%的服务器机房负荷。

3.3 方案设计

根据国际行业标准TIA-942—2010的机房分级要求,从供电可靠性上来说,该项目的数据机房等级应为Tier Ⅲ,但业主要求UPS电源需采用2N形式,也就是说,该项目数据中心的供电系统在TierⅢ机房可靠性的前提下尽量向最高可靠性方案靠拢。

方案一是根据TIA-942—2010中推荐采用的主接线方式,如图1所示。TIA推荐方案要求设置两组柴油机,与两路市电分别切换,保证任意一组柴油机组或切换设备或线路发生问题时,另一组能带起数据中心100%的用电负荷。该方案可靠性最高,但缺点是造价非常昂贵。

图1 方案一

为保证数据中心供电可靠性及降低造价,设计出方案二，如图2所示。

图2 方案二

由图2可以发现,方案二为了降低造价,采用折中的方式,即减少柴油机组数量,但加大单台柴油机容量,配出母排分两路分别引至两路市电进行切换,即解决了单自动转换开关的故障点,并且满足了一组柴油机组在故障时带起数据中心100%的用电负荷,比方案一大大降低了造价,同时可靠性也高于现行规范。

另外,由于数据中心用电容量非常大,对应柴油机组的容量也非常大,所以柴油机配出母线载流量也随之增大;又由于数据中心对供电可靠性要求非常高,故在选择柴油机配出母线时防护等级的要求也极高(达到防尘防水要求),直接提高了母线单位每米的造价。不仅如此,由于震动、爆炸等土建及消防安全等因素,一般数据中心、数据中心配电机房距离柴油发电机房有一定距离,故柴油机柜馈出母线的距离也相对较长,这大大增加母线的造价。所以,若采用单根配出母线至数据中心低压配电柜处再以三通形式分成两路引至市电切换处，又不失为另一种降低造价的选择。

4 结语

随着时代的发展,信息处理技术会越来越深入到每个人的生活中,而数据中心作为加速信息特定的硬件载体,开始引起人们的高度重视。数据中心不同于一般公建项目,是个复杂的系统工程,而电气设计对于数据中心而言,是一项极其重要的基础性工作。随着建设规模和数量的不断增多,建造出一个可靠性高、节能以及经济的数据中心将会是发展中国家的建造者们共同的目标。

[1] ANSI/TIA-942—2010 Telecommunications infra-structure standard for data centers[S].[2] GB 50174—2008 电子计算机机房设计规范[S].

[3] JGJ 16—2008 民用建筑电气设计规范[S].

[4] 中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组.数据中心供配电系统技术白皮书[G].2011.

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Electrical Power Supply and Distribution System Design of Data Center

QIU Yikan

(East China Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002, China)

Based on the requirements of GB 50174—1992 and TIA-942—2010,combined by a factual data center design of a big-scaled IT company in China,this paper discussed the power supply and distribution system technology of data center design,and elaborated the practical design method in the distribution system of data center.It can proveide references for the reliability design of power supply and distribution system in data center.

data center; power supply and distribution system; reliability of power supply; TIA-942—2010; load level