某A级数据中心冷源配电系统设计

摘 要：结合某A级数据中心冷源系统实例，就数据中心配电设计中的一些特殊要求进行分析研讨，包括数据中心负荷等级及供电要求、负荷统计及变压器容量选择方法、自备电源形式与容量确定、10/0.4 kV主接线系统设计与低压配电系统设计原则及连续制冷设备供电方式等内容，给出了项目优化设计系统架构及平面布置。

关键词：冷源系统;供配电系统设计;负荷等级;数据中心;连续制冷

0  引言

在新的社会经济发展条件下，国家提出向新型基础设施建设转型的战略。所谓“新基建”主要指以5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施，本质上是信息数字化的基础设施。数据中心作为实现数字化、信息化的关键基础设施，将为我国经济转型升级提供重要支撑。

数据中心机房内集中设置了大量计算机、服务器、网络和存储等IT设备，对信息进行集中处理、存储、传输、交换和管理。设备在运行过程中会持续释放热量，一旦冷却系统发生故障，IT机柜和机房内温度就会迅速攀升。通常持续10 min左右，环境温度就会超过IT设备的允许温升限值，易导致服务器性能降低甚至宕机等重大事故。制冷与空调系统属于支持电子信息系统稳定工作的重要保障设施，数据中心需要设置以全年制冷为主的空调系统，才能保证数据中心的正常运行。

1  工程概况

本工程由一栋主楼和蓄能罐构筑物组成，主楼地上10层，地下2层。地上部分为数据中心机房、配电房、柴油发电机房及相应管理和辅助区，为数据中心服务的冷源机房布置于地下二层，地下一层为冷源配电房、汽车库等用房。

根據数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断对经济或社会造成的损失或影响程度，数据中心可划分为A级、B级和C级三个等级，各等级所承载的电子信息业务的重要程度也有所差异。根据建设方的要求和定位，本工程的数据中心按照A级要求进行设计。

冷源系统采用冷水机组+水蓄冷冗余备份方式，系统配置4台冷水机组，包括3台10 kV离心冷水机组和1台0.4 kV变频磁悬浮机组，3用1备。每套冷水机组分别配有相应的冷却、冷冻泵组。冷水机组、冷却塔、冷冻水循环泵、冷却水循环泵等设备采用N+1冗余原则设置，任何一套机组、设备发生故障或维护都不会导致系统运行中断。

A级数据中心有连续供冷需求，本工程设置水蓄冷装置，蓄冷时间需满足信息机房设备的运行要求。

冷冻水系统采用闭式循环系统，为保证供水安全，冷冻水管路采用双路供水，以满足无单点故障要求。

2  供配电系统设计

2.1  负荷等级及供电要求

根据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）中相关规定，数据中心项目在选址、环境、建筑和结构、空调、给排水、供配电系统等各方面的配套设施均应符合相应等级的技术要求。

A级数据中心对供电系统可用性要求极高，需采取容错措施。所谓容错，即具有两套或两套以上的系统，在同一时刻，至少有一套系统维持正常工作，不受计划内维护、测试和改造活动以及设备故障、意外事故、操作失误等计划外活动的影响。

机房制冷与空调设施以及为其提供电力支持的供配电系统应与数据中心的整体性能等级保持一致，A级数据中心的冷源应按一级负荷中特别重要负荷考虑。根据《供配电系统设计规范》（GB 50052—2009）要求，一级负荷中特别重要负荷应由双重电源供电，同时须设置应急电源，电源的切换时间应满足设备允许中断供电的要求。数据中心应急电源常采用柴油发电机组和不间断电源系统（UPS）。当数据中心容量巨大，周边电力资源较为丰富，且供电可靠性满足要求时，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路代替柴油发电机组。

项目基地附近新建有110/10 kV市政变电站，由两路110 kV电源供电。经和供电部门商榷，数据中心采用多路10 kV电源供电，专线接入。单路10 kV线路最大输送容量按12 000 kVA左右考虑，根据负荷计算结果，共需8条线路，其中6路10 kV电源为数据中心主机房及辅助区配电，2路为冷源系统配电。为同一个10/0.4 kV变电所供电的2路电源须分别引自110 kV变电站不同10 kV母线段，才能保证两路市电的独立性，符合双重电源标准。

本工程供电系统架构采用2N冗余方式。供电系统由两个对称的供电单元组成，两个单元同时运行，互为备用，正常运行时，每个单元各为50%负载供电，当一个单元停运时，切换至另一个单元为全部负载供电。冷源配电系统架构如图1所示。

2.2  负荷统计及变压器容量选择

数据中心冷源系统主要包括以下设备：

（1）3台10 kV离心冷水机组，其中1台备用，单台机组额定功率1 735 kW，配套冷冻、冷却水泵3组，每组450 kW。

（2）1台0.4 kV磁悬浮冷水机组，机组额定功率650 kW，配套冷冻、冷却水泵共250 kW。

（3）8台冷却塔，每台72 kW，1台冗余。

（4）2组蓄能装置冷冻水循环泵，共660 kW，应急时运行，和其他设备不同时使用。

（5）机房辅助设备，包括补水、软化水、加药装置等，约30 kW。

（6）空调监测和控制系统用电，约20 kW，包括各类控制器、电动控制阀、仪表用电。

经统计，冷源系统设备总容量为8 009 kW，其中低压用电设备2 804 kW，低压系统总计算负荷为2 520 kW。

按照A级数据中心技术要求，变压器需采用2N冗余配置。每台变压器正常运行时负载率均应小于50%。变压器低压侧采用单母线分段运行，正常时每台变压器分列运行。当一台变压器故障或者检修退出运行时，另一台变压器能负担全部负荷，且所带全部负荷不超过其额定容量。据此，共选择4台1 600 kVA变压器，正常运行时，每台变压器负载率约为45%，单台运行时，负载率为90%。

2.3  柴油发电机组选择

A级数据中心应设置自备电源，自备电源应能满足电子信息设备、制冷系统设备、照明、安全及其他相关负载的总容量需求，在市电全部停电时，其能够有效保证数据中心正常运行。A级数据中心后备柴油发电机组台数应采用“N+X”冗余（X=1～N）。

按照相关国家标准，柴油发电机组的输出功率分为4种——持续功率（COP）、基本功率（PRP）、限时运行功率（LTP）和应急备用功率（ESP）。其中，持续功率（COP）为恒定负载持续供电的最大功率，且每年运行时间不受限制。基本功率（PRP）为可变负载持续供电的最大功率，且每年运行时间不受限制，24 h运行周期内允许的平均功率输出不超过PRP的70%。数据中心用电负荷通常比较平稳，并且需不限时持续供电，因此，应以COP功率选择发电机组容量，或者以70%的PRP功率进行选择。LTP和ESP均有年运行时间限制，一般只作为消防等应急电源使用。

经统计，本工程总计算负荷约为19 000 kW，需柴油发电机组作为后备电源，容量较大，用电设备中还包括10 kV冷水机组，综上考虑，本工程采用10 kV柴油发电机组作为自备电源。发电机组容量选择可按照下述方法进行计算，并取其中较大者。

（1）按稳定负荷计算柴油发电机容量。

（2）按最大一台电动机或成组电动机启动的需要，计算发电机容量。

（3）按启动电动机时，发电机母线允许电压降计算柴油发电机容量。

具体计算过程可参见《工业与民用供配电设计手册》第四版，本文不再赘述。

设计选择15台柴油发电机组，每台机组COP≥1 800 kW。发电机分为两组，其中7台（N+1）发电机构成第一套并机系统，为冷源系统和部分数据机房负载提供后备电源;8台（N+1）发电机构成第二套并机系统，为其余负载供电。发电机组均安装在建筑首层，利于通风散热。10 kV发电机供电系统架构如图2所示，冗余方式为N+1，N=6。

2.4  10/0.4 kV主接线系统

2.4.1  运行方式

10/0.4 kV變电所高压侧采用单母线分段运行，两段母线之间设联络开关。正常工作时联络开关断开，两路10 kV电源同时工作，分别向两段母线供电。当任一路10 kV电源故障跳闸后，联络开关手动或自动合闸投入，由另一路电源负担全部负荷，停电侧市电恢复后，双路市电正常运行。两路市电的备用和切换功能由计算机综合继电保护装置完成。

变压器低压侧采用单母线分段运行，联络开关与主开关之间设闭锁装置，当一台变压器故障或者检修退出运行时，联络开关自动合闸，另一台变压器能负担全部负荷。

近年来，10 kV电源切换开关产品逐渐成熟并开始广泛使用，本工程发电机电源和市电的切换采用成套自动转换开关（ATSE）。当ATSE检测到两路市电均失电后，发电机系统延时启动，ATSE检测到发电机侧电源带电后，自动切换至发电机电源供电。当市电恢复后，可手动或者自动恢复到市电供电状态，发电机组经延时停机。市电和发电机系统电源切换功能由ATSE自动完成。10/0.4 kV主接线系统如图3所示。

在图3中，断路器S1、S2、S3设置电气连锁，同时只能有2只开关闭合。ATSE具备机械和电气联锁，防止市电和发电机电源并列运行。10 kV市电和发电机开关联锁关系如表1所示。

2.4.2  无功补偿

按照电力部门规定，用户无功容量应就地平衡，用户在高峰负荷时的功率因数，10 kV用户、容量在100 kVA及以上的用户不应低于0.95。冷水机组、水泵等设备满负荷功率因素均在0.9以下，正常运行时，一般在0.85左右，因此需设置无功补偿装置。

低压供电的设备众多，容量较小，布置分散，一般采用成套电容补偿装置，在变电所0.4 kV侧集中补偿。

用电设备含有10 kV冷水机组，因此高压侧也应设置无功补偿。由于单台10 kV机组容量较大，负荷平稳且处于长期连续运行状态，可采用每台机组单独就地补偿方式，电容补偿装置结合机组启动柜成套设置，在设备现场就地布置。

2.5  低压配电系统要求

A级数据中心的空调设备应采用两路供电及末端切换的方式。为消除单点故障，低压自动转换开关电器可选择具有旁路功能的产品，在转换开关本体检修或故障时，不影响电源的连续工作。

空调系统在进行任何一个组件维护检修时，冗余配置的组件介入并承担故障组件的工作，系统仍能保证制冷需求。为达到整体性能要求，配电系统应和空调系统运行、维护策略一致，当配电设备发生故障和维护时，不能多台空调设备同时停运，失去冗余功能。以冷却塔配电系统为例，本工程冷源系统共设置了8台冷却塔，N+1冗余，根据上述要求，其配电系统应采用放射式，每台冷却塔从变电所单独引接两路电源，并于末端配电箱设置自动切换开关，保证在任何一台冷却塔配电回路故障退出运行时，不影响其余设备继续工作。

2.6  连续制冷设备供电方式

本工程采用蓄冷罐作为连续制冷的保障措施。当供电电源切换，冷水机组需要重新启动，或因供电电源中断而停机时，空调冷源由蓄冷装置提供连续制冷，短时间内保证数据中心全部冷负荷，直到电力供给稳定，冷水机组恢复正常运行。

发电机组从启动并向负载稳定供电一般需要1～2 min，冷水机组重新启动时间在10 min以内，其间包括监控系统对水泵、冷却塔等相关配套设施完成状态监测所需时间。在这一过程中，放冷用冷冻水泵启动，维持机房冷源供给。为保证可靠性，冷冻水泵应由双路电源供电，至少一路电源由UPS供电。结合冷水机组恢复时间，考虑到一定冗余和误差，UPS容量最低需满足15 min供电要求。

冷冻泵供电UPS采用N+1冗余，也可采用可靠性更高的2N或2（N+1）方式，相比后面两种方案，前者投资较低，占用场地较少。因此，需结合空调专业运行策略、电源质量、负载特性以及场地条件等因素，在保证系统可用性的前提下，选择合理的冗余措施。

由于过负荷跳闸会中断连续制冷过程，冷冻泵配电断路器的过负荷保护功能应作用于信号，不直接动作于切断电源，以免造成更大的损失。

2.7  配变电所形式和布置

变电所设计应符合国家标准《20 kV及以下变电所设计规范》（GB 50053—2013）的各项规定。对于A级数据中心有其特殊要求，除电源系统应满足容错功能外，配变电所布置也应采取容错措施。为保证两个供电单元的独立性，两组配变电装置应分开布置在不同的配电室，实行物理隔离，当两个单元相邻布置时，其隔墙需采用防火墙，耐火等级不低于二级。

为便于设备维护、检修或更换，配变电所应设置运输通道、平台或吊装孔。配变电所内应适当预留空间，便于发展扩容。10/0.4 kV配变电所布置如图4所示。

3  结语

空调冷源系统在数据中心全生命周期内持续运行，可靠性要求高，其电源和配变电系统、自备电源系统的设置需符合相应等级数据中心的配置标准。数据中心冷源系统方案有多种选择，针对不同设计，应仔细分析，综合考虑，和空调专业协调一致，合理运用技术措施，以达到在整体上保证制冷系统性能的目的。

[参考文献]

[1]  数据中心设计规范：GB 50174—2017[S].

[2] 中国建筑标准设计研究院.18DX009数据中心工程设计与安装[M].北京：中国计划出版社，2018.

[3]  供配电系统设计规范：GB 50052—2009[S].

收稿日期：2020-04-20

作者简介：刘捷（1969—），男，江苏南京人，高级工程师，研究方向：电气技术。