银行数据中心供配电系统设计探析

2019-10-12陈明霞深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院安徽合肥230000

安徽建筑 2019年9期

陈明霞（深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽合肥 230000）

数据中心（DataCenter）是指在一个物理空间内实现对所有数据信息集中处理、存储、传输、交换、管理，含有计算机设备、服务器、网络设备、通讯设备、存储设备等关键设备，以及环境、空气，电气、机房布线，电源质量部分等外部设备。数据中心在一个建筑物内，相当于是建筑物的大脑，具有极其重要的位置，对用于支撑其运行的供配电系统安全性、可靠性、连续性等方面也提出了高标准的要求，笔者今天就曾设计的“中国银行集团客服中心（合肥）项目一期工程数据中心”项目，进行整理、阐述，对数据中心的供配电系统做一个整体的分析。

1 工程概况

中国银行集团客服中心（合肥）项目一期工程位于合肥市滨湖新区，园区总建筑面积为114953.9m2。其中数据中心机房（D区）建筑面积4087m2，坐落于本工程地块北边，为独立单体，地上共两层，一层主要功能为高低压配电房、柴油发电机房、ATS配电室，二层主要功能为数据机房。

图1 建筑鸟瞰图

2 负荷等级及负荷计算

2.1 数据中心负荷等级

本工程数据中心为中国银行总行数据灾备中心，根据其使用性质、数据丢失及网络中断引起的经济损失和社会影响程度，根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）,确定本工程数据中心机房为A级机房。

数据中心机房内IT设备、精密空调、水冷机组、应急照明、消防负荷、走道照明等均为一级负荷，其中数据中心机房IT设备为一级负荷中特别重要负荷，其他普通照明、动力用电为三级负荷。

2.2 负荷计算

根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）中第3.2.1 条规定，电子信息系统机房用电负荷等级及供电要求应根据数据中心的等级，按本规范附录A及现行国家标准《供配电系统设计规范》（GB50052）的有关规定执行，供配电系统应为电子信息系统的可扩展性预留备用容量。

根据本期数据中心机房建设需求，IT设备总装机容量约为2400kVA，设计按两台2500kVA变压器考虑，变压器实现M（1+1）冗余备份，当其中一台变压器故障时，另一台变压器可承担全部负荷，备用电源选用两台1500kW柴油发电机并机运行，作为IT系统后备电源，同时选用两套2400kVA的UPS系统，UPS不间断电源系统实现2N冗余备份。精密空调、制冷机组总装机容量约为1600kW，选用两台2000kVA的变压器，实现M（1+1）冗余备份，备用电源选用两台1500kW柴油发电机并机运行，作为机房空调后备电源，同时作为园区消防应急备用电源。

3 数据中心供配电系统

3.1 高低压供电系统

本工程在数据中心一层设置一座20kV总变电所，供园区用电。由于本工程总建筑面积约11.5万m2，变压器总装机容量为19400kVA，根据当地供电局用电方案批复，变电所进线设置三路20kV市政电源，分别引自不同的市政变电所。其中1#电源为专线回路，供电容量为20000kVA，2#、3#电源为公网回路，每路供电容量为10000kVA。考虑到本工程供配电系统对可靠性、经济性和后期可扩展性等需求，结合用电方案的供电情况，20kV高压系统采用单母线分段运行方式。正常情况下，I段、II段母线分列运行，1#、2#电源分别承担相应母线段用电负荷，当1#电源或2#电源故障，3#电源作为市政备用电源投入运行。

图2 电气主接线方案示意图

3.2 数据中心备用电源的选择

根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）规定，A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行时所需要的用电负荷。后备柴油发电机组的性能等级不应低于G3级，A级数据中心发电机组应连续和不限时运行，发电机的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。

考虑到柴油发电机组具有较高的可操作性，且目前大部分数据中心均采用柴油发电机组作为后备电源。本工程共设置4台1500kW低压柴油发电机组作为后备应急电源。每组由2台1500kW柴油发电机并机运行，分别作为IT设备和制冷设备备用电源，以确保数据中心设备电源的稳定性、可靠性。

当市政电源均发生故障时，柴油发电机组自动投入运行，切换时间不大于15s。柴油发电机房设置于数据中心一层，毗邻高低压配电室和ATS配电室，柴油发电机房内设置储油间，同时在数据中心室外设置两套50m3埋地式储油罐，确保储存柴油的供电时间大于外部供油时间，以满足连续和不限时运行的要求。

常规的工业、民用建筑中多为电动机、开关等感性负载，工作时电压相位超前于电流相位，功率因数滞后。而数据中心的电子信息设备属于非线性负载，工作时产生大量谐波电流，电压相位滞后于电流相位，功率因数超前，会引起系统中性线电流增大，导致柴油发电机输出电压失真[4]等问题。目前市场上的柴油发电机，基本都基于功率因数0.8（滞后）的感性负载生产，当柴油发电机组所带负载为感性，发电机可以提供良好的输出功率，而当其负载为容性时，功率因数超前将会影响柴油发电机的输出功率，甚至导致柴油发电机宕机。因此在确定柴油发电机输出功率时，还应综合考虑容性负载及谐波等对发电机组的影响。

4 数据中心供配电架构分析

根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）3.2.1规定，A级数据中心应满足冗余要求，可采用2N或M(N+1)冗余系统。常规A级数据中心供配电系统主要有三种架构[3]：2N、DR、RR。结合本工程供配电情况及建设方要求，本次设计采用2N系统。

4.1 供配电2N 系统架构介绍

2N系统由两个供配电单元组成，两个单元同时工作，互为备用，每个单元均能满足全部负载的用电需求。正常运行时，每个单元承担50%负载，当其中一个单元故障或检修时，另一个单元承担100%负载。

相比DR、RR系统而言，2N系统建设成本最高，但是三者从后期运维角度综合比较，2N系统架构相对简单明了，容易实现物理隔离，且后期运维相对简单。因此，在金融系统的数据中心机房设计中，综合考虑建设方经济能力及管理能力，采用2N系统具有较为明显的优势。

4.2 数据中心供配电架构设计

本工程设计采用2N系统，IT设备与制冷设备分别设置两组变压器，互为备用。UPS不间断电源电池后备时间为30min，确保市政电源与后备电源切换时的不间断供电。

图3 供配电系统架构示意图

IT负载容量为2400kVA，其供电电源由两路市政电源经双电源转换开关切换后，再与后备电源经双电源转换开关切换，同时配置两组2400kVA UPS不间断电源。

精密空调、冷水机组等总用电容量约为1600kW。其中冷水机组、列间空调供电电源由一路市政电源与后备电源经双电源转换开关切换后，再与另一路市政电源经双电源转换开关切换，同时配置一组800kVA UPS不间断电源。精密空调为双电源接口，供电电源分别由一路市政电源与后备电源经双电源转换开关切换后接入。

需要注意的是，输入电源的中性线中断或扰动会引起数据中心UPS设备工作异常，甚至导致UPS设备停机，因此而引发重要负载停电的严重故障。根据《数据中心供配电设计规程》（TCECS486-2017）5.7.2-4条第三款“供电电源转换过程不应造成IT设备中性线对地电压的悬浮”，及《金融建筑电气设计规范》（JGJ284-2012）7.3.1.12“自动转换开关在电源转换过程中不得造成负载设备中性线悬浮”的相关要求，数据中心所选用的ATS双电源转换开关，应具备“中性线重叠转换”功能，即要求双电源转换开关在切换的过程中，始终保持N相不断开，以确保ATS在切换过程中不会引起的“零线漂移”现象。同时，根据其他相关规范要求，对供电系统可靠性、连续性有很高要求的特别重要场所，为防止自动转换开关出现故障、损坏或检修而影响供电系统的连续性，应设置旁路隔离抽出型自动转换开关，确保供电连续可靠。