数据中心供配电系统规划设计中的若干关注事项（二）

2019-04-17魏中磊倪宇军

通信电源技术 2019年3期

关键词：发电机组柴油数据中心

魏中磊，顾飞，倪宇军，田密，杨政

（1.杭州云之鼎数据科技有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江核新同花顺网络信息股份有限公司，浙江杭州 310023；3.杭州山脉通信有限公司，浙江杭州 310014；4.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

（上接通信电源技术 2019年第1期《数据中心供配电系统规划设计中的若干关注事项（一）》）

4 数据中心供配电系统中的若干注意事项

4.1 设计等级定位

数据中心的等级不同对数据中心各专业技术要求也不尽相同，数据中心涉及专业众多，而且各专业之间相互影响，如果部分专业条件或要求变更，甚至会推翻原数据中心规划设计方案，如果数据中心规划等级发生变化，这意味着该数据中心将重新规划设计。数据中心等级技术要求详见GB 50174-2017“附录1 各级数据中心技术要求”[1]。

目前，一些业主并未考虑自身需求和资源条件的限制，盲目确定企业数据中心的等级，过高定位会造成资源浪费，过低定位会影响业务安全。数据中心等级的确定应该综合考虑业务需求和发展、资源条件、管理水平及社会影响等。数据中心等级的确定建议从以下几个条件考虑[2-5]。

（1）数据中心的用途，如企业自用、租赁或灾备。

（2）数据中心的建设需求、规模及投资限制。数据中心建设最初和最终都要专注于自身的业务需求及发展上来，根据近期和远期需求来规划确定数据中心的建设规模。业主的投资要求也是限制对数据中心等级定位的一个关键因素。

（3）数据中心的基础资源条件，如网络资源、电力、水源、建设场所的建筑条件、改建或扩建等因素均能影响数据中心等级的定位。

（4）业主的管理水平会对数据中心规划设计、采购建设及运营维护产生重大影响。关键决策的制定甚至会改变数据中心等级。

4.2 负荷分析

4.2.1 负荷分级

根据数据中心建设对不同种类供配电系统的可靠性要求不同，划分配电系统中各负荷的负荷等级。以下为某大型数据中心负荷等级分级情况供参考[6-8]。

一级负荷：机房IT负荷、连续制冷系统、机房监控系统、消防供电系统以及应急照明用电等。其中，消防供电系统主要为消防设备、消防报警系统、消防联动控制设备提供配电。按照国家相关规范，它的用电等级属于一级负荷中特别重要负荷。

二级负荷：机房的动力系统、日常维护、维修和照明系统用电，如普通排风风机、机房照明等。

三级负荷：其他动力系统和公共区域相关用电。该类供电系统的系统故障不会影响数据中心的正常运行，且有充分的时间供维护人员进行故障恢复，如辅助区域的办公用电等。

4.2.2 负荷计算

对数据中心的负荷分级并进一步细分，目的是将相同或相似用电类型的负载归类，根据数据中心等级及不同类别的负载配置不同类型的电源。对数据中心进行负荷计算是对数据中心整体用电情况进行预估，便于向当地供电部门进行容量报装，负荷计算对主要用电设备用电进行核算，便于合理选择主要供配电设备。

数据中心负荷计算常用的方法是需要系数法，采用需要系数法进行负荷计算应注意以下几点[9-11]。

（1）经常而短时及经常而断续运行的设备应予计算。正常情况下使用且运行时间2 h以内10 min以上或周期性工作但工作时长不足10 min的设备，应计入负荷计算表，如为保证机房正压及每小时换气次数的新风风机。

（2）不经常而短时及不经常而断续运行的设备不予与计算。正常情况下不使用，在检修或事故期间等非正常情况下使用且运行时间2 h以内10 min以上或周期性工作但工作时长不足10 min的设备，不计入负荷计算表，如临时维修的用电设备。

（3）成组用电设备的设备功率，不应包括备用设备。如机房末端风柜一般采用N+X配置，在进行负荷计算时只需要核算主用设备的总功率，进行配电柜设计时可以按照N+X设备进行配置。

（4）同一变压器供电范围内的季节性用电设备，应选取两者中较大者计人总设备功率。如冷水机组在夏季采用压缩机制冷，在冬季采用板式换热器制冷，应该按照压缩机制冷模式的功率计算。冷却塔在夏季正常工作，在冬季还需要电伴热供暖，但此时冷水机组采用板式换热器模式工作，电伴热供暖负荷不需要计入计算，冷却塔配电设计时需要按照电伴热和正常工作功率之和配置。

（5）具有换流部件的设备需要考虑电源转换设备的效率，如直流电源、UPS等换流器件有2%～6%的能量损失。

（6）一般不考虑消防负荷。通常数据中心消防负荷容量远小于与消防发生时应切除的一般电力的容量。消防负荷中与平时兼用的负荷，如消防排烟风机除用于火灾时排烟外，平时还用于通风（有些情况下排烟和通风状态下的用电容量尚有不同）在负荷计算时应计入一般电力负荷，在配电设计时消防和一般电力负荷均按较大负荷配置。

（7）在计算范围内，单相负荷设备总容量不足三相负荷设备总容量的15%时，单相负荷容量直接按照三相负荷统容量统计，否则单相负荷应换算为等效三相负荷后计入三相容量。配电设计时单相用电设备应尽量均衡分配至三相上，使各相的计算负荷尽量相近，减小不平衡度。

（8）需要系数与同时系数的取值均为经验值，不是一成不变的，需要根据项目特点综合选用。需要系数表示用电设备组在最大负荷时需要的有功功率与其设备额定装机功率的比值。需要系数是在一定的条件下，根据统计方法得出的，它不仅与用电设备组的工作性质、设备台数、设备效率和线路损耗等因素有关，而且与操作人员的技能和生产组织等多种因素都有关。数据中心一般设置有楼宇设备自控系统和动环监控系统，空调风柜等用电设备的需要系数需要根据其设备及运行特点选择合适的需要系数，并应尽可能地通过实际测量分析确定。数据中心负荷特点有别于一般的民用建筑负荷，目前各种书籍提供的需要系数数值参考均未专为数据中心负荷特点考虑，若需要系数直接选取书籍中的参考数值，一般会造成负荷计算值与实际偏差较大。数据中心中同时系数的计取应该根据各设备组间工作特点综合考虑，同时系数的选取可以根据已建成的相似的数据中心取得，同时系数一般可取0.9～1.0。需要系数的选择对象是同一设备组，同时系数的选择对象是配电干线下不同设备组之间。需要系数和同时系数的选取是利用概率论和统计学知识计算得来，凭经验值进行设计，需要实际项目的校验，并根据项目特点优化系数值，从“设计”到“实践”再到“设计”如此反复迭代更新，这样才能更好的利用需要系数法进行负荷计算。

（9）数据中心负荷计算中各设备容量取值不宜预留过多余量。PUE（Power Usage Efectivenegs）是评价数据中心能源效率的指标[7]，是数据中消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比，是评价数据中心最重要的参数之一。

从数据中心的负荷计算表中可以估算出数据中心的理论PUE设计值，这个设计值是数据中心工程审批和建设的关键数值之一。2017年8月工业和信息化部办公厅发布了《关于组织申报2017年度国家新型工业化产业示范基地的通知》，“通知”中要求大型数据中心运行年PUE必须小于1.5，对于运行未满一年的数据中心，在设计上PUE必须小于等于1.5，中小型数据中心则需要年均PUE小于等于1.7。2018年9月北京市政府公布《北京市新增产业的禁止和限制目录》（2018年版）要求“全市层面禁止新建和扩建互联网数据服务、信息处理和存储支持服务中的数据中心（PUE值在1.4以下的云计算数据中心除外），中心城区全面禁止新建和扩建数据中心”。因此数据中心规划设计时就应对PUE提出要求，规划设计阶段中的负荷计算就必须满足PUE限制的要求。PUE限值的要求对数据中心设备的选型对“能耗指标”有更高的要求。规划设计时可以通过PUE、CLF等值对规划设计的合理性进行校验。

4.3 数据中心工艺电源布局

数据中心工艺电源布局主要是指数据中心电气用房、电气设备布置及电气路由井道等与数据中心各专业协调、合理布置。数据中心工艺电源设备对建筑布局的要求主要有以下几点供参考[12]。

（1）数据中心机楼推荐采用矩形建筑，柱间距的选择主要综合考虑电气设备、暖通设备及IT设备的特点综合选择，常见的柱间距为7.2 m、7.5 m、8.4 m及9.6 m。柱间距的选择会影响到具有一般大型设备的电气及暖通专业的设备布置，也会对IT机房的机柜布置产生较大影响，直接影响数据中心总机柜数量。

（2）数据中心一般采用柴油发电机作为备用电源，柴油发电机房的进风、排风、排烟及油箱间等需要建筑特别考虑。柴油发电机、变压器、蓄电池等重量较重的设备对机房承重有较高要求，需要建筑及结构特别考虑。

（3）数据中心的主配电所不应设置在地下的最底层，当数据中心的主配电所只能设置在建筑物的地下层且地下只有一层时，应采取预防洪水、消防水、或积水从其他取到淹渍配电所的措施。

（4）数据中心不同等级对通信、电气及暖通等专业要求不同，各专业的物理井道的配置也不同。比如，A级数据中心容错配置的变配电设备应分别布置在不同的物理隔间内，IT机柜引电要求双路由。这样就要求建筑井道及工艺走线布置合理且要与其他专业用管线协调一致。

（5）数据中心应由专用配电变压器或专用回路供电，变压器宜采用干式变压器，变压器宜靠近负荷布置。常见的大型数据中心将各配电所分布在不同的楼层，将变压器尽量靠近IT机房，减小低压配电引电路由。变配电所和不间断电源系统及不间断电源系统与精密列头柜间的距离应尽量短，这样有助于减少配电金属的使用，也能降低电力传输中的损耗。

（6）储油罐位置应布置合理。园区级的数据中心储油罐的布置应综合考虑园区需求及储油罐距离道路、建筑物的安全距离合理布置储油罐的位置。

4.4 配电系统

4.4.1 中压配电系统

（1）规划设计中压配电系统时，需要与当地电力相关部门协调。数据中心总用电量的申请及市电引入的选择都需要与电力部门协商，因地域差异，各地的供电部门要求可能不同。如部分地区2路10 kV配电不允许联络即只能使用两个单母线系统，又如部分电力局要求10 kV引电容量不能超过8 000 kVA。

（2）中压配电设备参数选型需要验证。中压配电设计中经常忽略对中压配电装置的动热稳定校验，特别是容易忽略中压母线的校验。表1给出了中压系统设备及材料需要校验的项目，表2给出了10 kV系统中压断路器额定短路开断电流值与主母线额定载流量的配置（环境温度按30 ℃计算）。

表1 中压系统设备及材料需要校验的项目

表2 10 kV系统中压断路器额定短路开断电流值与主母线额定载流量配置表

（3）电源以放射式供电时，变压器前须设置高压开关，可采用负荷开关或断路器，当变压器安装在本配电所时，可不设置高压开关。变压器前装设负荷开关或断路器是为了检修变压器时有明显的断开点，并考虑了带负荷操作的情况，以保证检修人员的安全。当变压器在本配电所内时，由于距离近，停电检修联系方便，能防止误操作，可不装设开关。

（4）中压柴油发电机电源与正常电源之间必须采取防止并列运行的措施。

4.4.2 备用电源

GB 50174-2017规定独立于正常电源的发电机组和供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路都可以作为备用电源[1]。柴油发电机组具有以下特点[13]：

（1）柴油发电机组启动及带载等性能符合数据中心应用场景。

（2）柴油发电机系统技术成熟，燃料易得，储存运输方案成熟；

（3）使用要求相对简单，维护方便。

由于柴油发电机组具有以上优点，工程可操作强，因此目前大部分数据中心采用柴油发电机组作为备用电源。

在柴油发电机组规划设计中，应注意以下几点：

（1）数据中心对发电机组的输出频率、电压和波形有严格要求，要求发电机组的性能等级不应低于G3级[14]。发电机组的性能分级见GB/T 2820.1-2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组第1部分：用途、定额和性能》。

（2）柴油发电机组电压等级的选择。数据中心常用的柴油发电机组电压等级一般有低压和中压两类，具体采用哪种电压等级的柴油发电机组需要从数据中心的机房条件、设计标准、控制系统、投资、维护要求等综合考虑决定。一般来讲单组0.4 kV柴油发电机系统总容量一般不宜超过3 600 kW，超过3 600 kW以上保障容量可采用中压柴油发电机组或分组的0.4 kV发电机组方案[15]。

（3）柴油发电机组容量的选择。GB/T 2820.1-2009中规定发电机组的输出功率分为四种持续功率、基本功率、限时运行功率和应急备用功率。ISO8528-1：2018《往复式内燃机驱动的交流发电机组》专为数据中心应用场景增加了数据中心功率DCP（Data Centre Power）。几种柴油发电机功率定义对比见表3。

表3 柴油发电机功率定义

笔者认为，规划设计时可以根据数据中心的性质选用合适容量的柴油发电机组。按A级标准建设的金融行业或对可靠性有高要求的数据中心，发电机组的输出功率可按持续功率（COP）选择。普通行业数据中心发电机组的输出功率可按数据中心功率（DCP）选择。按B级标准建设的数据中心发电机组输出功率可按限时运行功率（LTP）选择。

（4）柴油发电机房设计的相关问题。在规划设计中一般都能注意到柴油发电机组的基础、减震、油机房的冷却及通风、排烟、等问题，关于柴油发电机房规划设计此处提出以下两点供参考。

①基础荷载要求。柴油发电机组基础要能够支撑机组湿重及动负荷，如果油机机组不并机，基础载荷可取按照湿重的1.25～1.5倍[16]，如果油机机组并机运行，会产生较大的反扭力矩，要求基础更加坚固，基础荷载可取湿重的2倍。

②排油污措施。柴油发电机房建议设置排油污措施，油箱间也可以采用敷设细沙或设置排污管等方式，方便后期使用。油污建议排至机房楼室外并设置隔油池，隔油池须经常检查并及时清污，排除安全隐患。

（5）储油系统。采用柴油发电机作为备用电源的数据中心应一般选择设置地埋储油罐保障数据中心用电的连续性，关于储油罐的选择此处提出以下两点供参考。

①储油罐容量。根据主用油机数量估算数据中心总用油量，在油量估算过程中建议考虑油罐或油箱的储油量的装载系数。当外部供油时间有保障时，燃料存储量仅需大于外部供油时间。因此大多数数据中心均会与就近的加油站签署供油协议，在满足供电连续的条件下，尽量减少储油量。大型数据中心储油罐建议设置2个以上[17]，方便储油罐的维护。储油罐的选择可以参考02R11《小型立、卧油罐图集》。储油总容量估算举例：某数据中心配置7台1 800 kW（6+1）柴油发电机组，并要求储油8 h，油罐总容量的估算为0.24 kW/h×1 800 kW×6台 ×8 h/0.82/0.9=28 m3，其中柴油发电机燃烧用油量参照YD/T 502-2007《通信用柴油发电机组》中的限制值，其中0.82为柴油密度，0.9为装载系数，考虑每个油机配置有1个1 m3油箱，建议储油罐总容量不小于22 m3。

②油箱至油罐设置紧急回油设施。考虑到机房防火需求，当出现火情时，可以启动紧急回油方案，将储存在油箱里的柴油紧急排至油罐，油罐内储油情况应预留紧急情况下的回油量。

4.4.3 低压配电系统

（1）数据中心多电源（单母线分段）TN-C-S系统中性点接地应采用“一点接地”

为了防止杂散电流产生的杂散电磁场干扰电子信息系统的正常工作，多电源（单母线分段）TN-C-S系统中性点接地应采用“一点接地”。GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中规定，对用电设备采用单独的PE和N的多电源TN-C-S系统和对于具有多电源的TN系统，应符合下列要求：

①不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接。

②变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与用电设备连接。

③电源中性点间相互连接的导体与PE之间，应只一点连接，并应设置在总配电屏内。

④对装置的PE可另外增设接地。

（2）数据中心低压配电系统中ATS的选择

为避免数据中心UPS零线在电源切换过程中腾空，造成UPS故障影响电子信息系统的正常工作，市电与油机切换的ATS应采用PC级带零线重叠切换的四级型开关。对于后级非UPS系统设备的双电源ATS切换应采用PC级四级型开关，UPS系统输入配电的双电源ATS切换采用PC级带零线重叠切换的四级型开关。

（3）数据中心各级低压配电屏或配电柜宜留有不少于10%的备用回路

配电柜备用回路预留不宜过多，可以参考10%预留[18]，既能保证发展需求又不浪费。

（4）数据中心低压配电系统SPD的选择

数据中心低压供电系统SPD一般可以设置三级。第一级SPD可根据实际情况选择在变压器低压侧或低压配电室电源入口处安装；第二级SPD可选择在后级配电室、楼层配电箱、机房交流配电柜处安装；第三级SPD作为精细保护可选择在IT机柜的配电箱（柜）内安装；

配电系统中设备的耐冲击电压额定值Uw，可按表4规定选用。低压配电系统三级SPD冲击电流和标称放电电流的推荐值可按表5选择。

表4 低压配电系统中设备耐冲击电压额定值

表5 低压配电系统三级SPD冲击电流和标称放电电流的推荐值

4.4.4 不间断电源及蓄电池

数据中心常用的不间断电源主要有直流不间断电源和交流不间断电源。直流不间断电源主要有-48 V系统、240 V系统和336 V系统，其中240 V和336 V系统常称做高压直流不间断电源系统。交流不间断电源主要有工频UPS、高频UPS。一般不间断电源的不间断功能需要后备电池实现。由于锂电池安全性存疑、消防配置技术不成熟及综合价格较高等原因，目前数据中心以铅酸蓄电池应用为主。

（1）-48 V系统直流正极应做工作接地，240 V系统和336 V系统采用悬浮方式供电，直流正、负极均不应接地。240 V系统和336 V系统直流输出应与地、机架、外壳电气隔离。

（2）数据中心蓄电池容量选择

数据中心蓄电池后备时长的不同会影响蓄电池容量的选择，根据现行的规范，对蓄电池选型主要有以下常用的两种方法。

第一，理论公式估算法。根据GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》中提供的估算蓄电池容量的计算方法，蓄电池组总容量为：

式中：Q为蓄电池组总容量，单位Ah；K为安全系数，取1.25；I为负荷电流，单位A；η为放电容量系数，如表6所示；t为实际电池所在地最低环境温度数值，所在地有采暖设备时按15 ℃考虑，无采暖设备时按5 ℃考虑；α为电池温度系数。当放电小时率≥10时，取α=0.006；当10＞放电小时率≥1时，取α=0.008；放电小时率＜1时，取α=0.01。

第二，恒功率计算法。根据T/CECS 486-2017提供的蓄电池恒功率计算方法[2]如下，2 V电池单体功率为：

式中：W为2 V电池单体功率，单位W；K为安全系数，取1～1.25；P为负载额定功率，单位kW；n为逆变器的效率，交流系数取0.95，直流系数取1；N为2 V电池单体串联数量。

A级数据中心UPS后备时间一般设置为15 min，理论计算法在蓄电池保障时间30 min以内无相关计算参数，所以数据中心通常采用恒功率计算法选择蓄电池。目前行业中相同要求条件下，不同品牌单体电池功率值差别较大，而且产品的也在性能提升，在综合选型时应查询各厂家最新产品参数。当数据中心后备时长不小于30 min时理论计算法和恒功率计算法均可使用。