王 燁

(中國航空國際建設(shè)投資有限公司,北京 100120)

0 引 言

GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》[1]將數(shù)據(jù)中心分為 A、B、C 三級。根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度確定所屬級別。

本文以某基地數(shù)據(jù)中心為例進行分析。該數(shù)據(jù)中心主要功能分區(qū)為IT機房、發(fā)電機房、變配電室、UPS配電室、電池室、冷水機房等區(qū)域。作為整個使用單位的核心設(shè)施,由于其涉及的計算或通信規(guī)模較大,一旦運行中斷,將造成重大的經(jīng)濟損失,因此按A級數(shù)據(jù)中心進行供配電設(shè)計。

根據(jù)規(guī)范要求,A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電,并應(yīng)設(shè)置備用電源。變壓器按2N配置,備用電源可采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組,按N+X(X為1～N)配置。電子信息設(shè)備宜由不間斷電源(UPS)供電,當使用柴油發(fā)電機組作為備用電源時,UPS系統(tǒng)電池最少備用時間為15 min。

1 負荷分級與負荷計算

機房電力負荷分級如下。

(1)一級負荷中特別重要負荷:IT設(shè)備(包括服務(wù)器、交換機等),此類負荷在雙路市電電源+柴油發(fā)電機基礎(chǔ)上,增加UPS電源回路保障。

(2)一級負荷:IT機房區(qū)行間制冷空調(diào)設(shè)備、冷凍水循環(huán)泵、冷水機組及相關(guān)設(shè)施、電氣支持區(qū)精密空調(diào)、消防負荷(排煙、應(yīng)急照明等)、IT機房新風機組、IT機房及支持區(qū)照明等,此類負荷由雙路市電電源+柴油發(fā)電機電源供電。

(3)二級負荷:輔助區(qū)照明、動力、維修插座等,此類負荷由雙路市電電源供電。

負荷統(tǒng)計如表1所示。根據(jù)負荷計算結(jié)果,選擇2臺1 600 kVA的變壓器為IT設(shè)備供電,另外選擇2臺1 250 kVA的變壓器為輔助設(shè)備供電。配電室設(shè)低壓靜電電容器補償裝置,補償后變壓器的10 kV側(cè)功率因數(shù)達到0.9以上。同時低壓配電系統(tǒng)設(shè)有源電力濾波器,通過采集負荷電流動態(tài)消除諧波。

表1 負荷統(tǒng)計

2 供配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心采用10 kV供電系統(tǒng),10 kV主接線采用分段單母線,正常運行時母聯(lián)斷路器斷開運行,兩路10 kV電源分別向兩段母線供電。當一路10 kV電源停電時,母聯(lián)斷路器手動(或自動)投入運行,由第二路電源向兩段母線供電,每路電源均可帶起全部重要負荷。10 kV母線以放射式向各臺變壓器供電。變壓器采用2N配置,每臺變壓器的負荷率不大于50%,當一臺變壓器故障時,另一臺變壓器可帶起全部重要負荷。0.4 kV母線采用分段單母線,每兩段0.4 kV母線設(shè)母聯(lián)斷路器。當兩段10 kV母線失去市電后,柴油發(fā)電機自起動,發(fā)電機并機成功后向變電所10 kV母線供電。

柴油機起動需要時間,由于IT負載不能接受短時斷電,所以在切換時間內(nèi)需要配置UPS維持生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)備工作。

供配電單線圖分別如圖1所示。

圖1 供配電單線圖

3 UPS的選擇及電池容量計算

UPS采用2N配電架構(gòu),兩路電源平時各帶50%的用電設(shè)備,當一路電源失電時由另一路電源帶全部負荷。

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》第8.1.7條:確定UPS系統(tǒng)的基本容量時應(yīng)留有余量。不間斷電源系統(tǒng)的基本容量為

E≥1.2P

(1)

式中:E——UPS系統(tǒng)的基本容量;

P——電子信息設(shè)備的計算負荷。

控制UPS的負載率是因為服務(wù)器運行功耗是不平穩(wěn)的,存在用電功耗的波動,而UPS過載能力比較差,從安全可靠的角度預留余量。UPS長期運行過載能力為105%,過載125%時只能維持10 min,過載150%時僅30 s。通常要求UPS滿載時的負載率控制在90%,半載時的負載率為45%。

對于IT設(shè)備,1F機房計算功率共計641 kW,2F機房計算功率共計641 kW,每層負載采用2組UPS供電,每組2臺400 kV UPS。

UPS后掛電池組,后備電池為641 kW,持續(xù)供電時間為15 min。后備時間的核算采用恒功率計算法,認為在電池放電期間UPS輸出的額定功率不變,電池參考施耐德APC12V-230AH電池,恒功率放電數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 恒功率放電數(shù)據(jù)

選用12 V電池,42只/組,查表得,選擇15 min放電終止電壓1.70 V,每只電池直流功率666 W/CELL,電池組數(shù)為

N=P/(42×6Plη)

(2)

式中:P——負載功率;

Pl——每只電池直流功率;

η——逆變器效率,一般取0.98。

經(jīng)計算,UPS配置4組12V-230AH電池可以滿足IT負載后備15 min的要求。

4 柴油發(fā)電機組的選擇

后備柴油發(fā)電機的容量應(yīng)包括IT設(shè)備、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量、應(yīng)急照明及關(guān)系到生命安全等需要的負荷容量。

影響發(fā)電機的帶載能力的因素有用電設(shè)備的輸入THDi、發(fā)電機帶階躍性負載的能力、發(fā)電機帶電容性負載的能力。發(fā)電機的額定輸出功率是在檢測條件下所檢測到的技術(shù)參數(shù):負載的輸入電流諧波的THDi=0、負載的相移功率因數(shù)cosφ=0.8(感性)、在后接負載的加載量很小的條件下,從0逐漸增大到其額定值時所獲得的。而數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備、變頻空調(diào)、LED燈具等屬于非線性負載,服務(wù)器等IT設(shè)備的負載特性呈容性,以及空調(diào)、水泵起動過程中產(chǎn)生的電涌電流,都會使發(fā)電機的帶載能力明顯下降。因此,在設(shè)計數(shù)據(jù)中心機房的發(fā)電機供電系統(tǒng)時,應(yīng)在能確保發(fā)電機安全帶載的前提下,盡量地降低發(fā)電機的設(shè)計容量配比[2-4]。

該項目中柴油機所帶負荷總計算有功功率為2 196 kW,其中最大的單臺電動機功率為151 kW。按設(shè)備計算功率計算發(fā)電機容量為

PC1=k1Pjs1+k2Pjs2+Pjs3+Pjs4

(3)

式中:k1——UPS需要的發(fā)電機容量系數(shù),采用永磁勵磁機時取1.2,UPS采用PFC電路時取1.3,采用帶輸入濾波器的傳統(tǒng)雙變換UPS時取3;

k2——制冷負荷需要的電動機容量系數(shù),取1.5;

Pjs1、Pjs2——IT設(shè)備、空調(diào)制冷系統(tǒng)計算負荷;

Pjs3、Pjs4——照明計算負荷和消防負荷。

按單臺最大電機起動的需求計算發(fā)電機容量為

(4)

式中:PΣ——總計算有功功率;

Pm——起動容量最大的電動機或成組電機的容量;

ηΣ——負荷在計算效率,一般取0.85;

cosφm——電動機起動功率因數(shù),一般取0.4;

K——電動機起動電流倍數(shù);

C——按照電動機起動方式確定的系數(shù),全壓啟動取1,Y/Δ啟動取0.67;自藕變壓器起動時,50%抽頭取0.25,65%抽頭取0.42,80%抽頭取0.64。

由于應(yīng)急負荷與柴油發(fā)電機有一定距離,不校驗電動機起動時母線電壓降。經(jīng)計算比較,采用3臺容量為1 800 kW的10 kV柴油發(fā)電機,二用一備。

柴油發(fā)電機房設(shè)機組處于自動備用狀態(tài),按(2+1)模式并機運行,柴油機并機原理圖如圖2所示。機組起動信號發(fā)出后,3臺發(fā)電機同時啟動。第1臺機組暖機后自動閉合其斷路器并向轉(zhuǎn)換開關(guān)供電;第2臺機組暖機后自動與已投入機組同步并閉合其斷路器;當2臺機組同時向轉(zhuǎn)換開關(guān)供電時,轉(zhuǎn)換開關(guān)才將機組投向負載,同時負載檢測器決定是否需要2臺機組同時并聯(lián)運行,如果主機組出現(xiàn)故障,則備用機組會自動起動并轉(zhuǎn)向負載。通過并機的運行方式,可以弱化諧波的影響,有利于機組的穩(wěn)定運行。

圖2 柴油機并機原理圖

5 結(jié) 語

供配電系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心重要的基礎(chǔ)設(shè)施,應(yīng)在數(shù)據(jù)中心對供電可靠性要求的基礎(chǔ)上,合理地設(shè)計供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電源的選擇,使數(shù)據(jù)中心更加安全、可靠、節(jié)能,運行更加高效。