摘 要:結合某A級數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)實例,就數(shù)據(jù)中心配電設計中的一些特殊要求進行分析研討,包括數(shù)據(jù)中心負荷等級及供電要求、負荷統(tǒng)計及變壓器容量選擇方法、自備電源形式與容量確定、10/0.4 kV主接線系統(tǒng)設計與低壓配電系統(tǒng)設計原則及連續(xù)制冷設備供電方式等內容,給出了項目優(yōu)化設計系統(tǒng)架構及平面布置。
關鍵詞:冷源系統(tǒng);供配電系統(tǒng)設計;負荷等級;數(shù)據(jù)中心;連續(xù)制冷
0? 引言
在新的社會經濟發(fā)展條件下,國家提出向新型基礎設施建設轉型的戰(zhàn)略。所謂“新基建”主要指以5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網為代表的新型基礎設施,本質上是信息數(shù)字化的基礎設施。數(shù)據(jù)中心作為實現(xiàn)數(shù)字化、信息化的關鍵基礎設施,將為我國經濟轉型升級提供重要支撐。
數(shù)據(jù)中心機房內集中設置了大量計算機、服務器、網絡和存儲等IT設備,對信息進行集中處理、存儲、傳輸、交換和管理。設備在運行過程中會持續(xù)釋放熱量,一旦冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障,IT機柜和機房內溫度就會迅速攀升。通常持續(xù)10 min左右,環(huán)境溫度就會超過IT設備的允許溫升限值,易導致服務器性能降低甚至宕機等重大事故。制冷與空調系統(tǒng)屬于支持電子信息系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保障設施,數(shù)據(jù)中心需要設置以全年制冷為主的空調系統(tǒng),才能保證數(shù)據(jù)中心的正常運行。
1? 工程概況
本工程由一棟主樓和蓄能罐構筑物組成,主樓地上10層,地下2層。地上部分為數(shù)據(jù)中心機房、配電房、柴油發(fā)電機房及相應管理和輔助區(qū),為數(shù)據(jù)中心服務的冷源機房布置于地下二層,地下一層為冷源配電房、汽車庫等用房。
根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質、數(shù)據(jù)丟失或網絡中斷對經濟或社會造成的損失或影響程度,數(shù)據(jù)中心可劃分為A級、B級和C級三個等級,各等級所承載的電子信息業(yè)務的重要程度也有所差異。根據(jù)建設方的要求和定位,本工程的數(shù)據(jù)中心按照A級要求進行設計。
冷源系統(tǒng)采用冷水機組+水蓄冷冗余備份方式,系統(tǒng)配置4臺冷水機組,包括3臺10 kV離心冷水機組和1臺0.4 kV變頻磁懸浮機組,3用1備。每套冷水機組分別配有相應的冷卻、冷凍泵組。冷水機組、冷卻塔、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵等設備采用N+1冗余原則設置,任何一套機組、設備發(fā)生故障或維護都不會導致系統(tǒng)運行中斷。
A級數(shù)據(jù)中心有連續(xù)供冷需求,本工程設置水蓄冷裝置,蓄冷時間需滿足信息機房設備的運行要求。
冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng),為保證供水安全,冷凍水管路采用雙路供水,以滿足無單點故障要求。
2? 供配電系統(tǒng)設計
2.1? 負荷等級及供電要求
根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》(GB 50174—2017)中相關規(guī)定,數(shù)據(jù)中心項目在選址、環(huán)境、建筑和結構、空調、給排水、供配電系統(tǒng)等各方面的配套設施均應符合相應等級的技術要求。
A級數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)可用性要求極高,需采取容錯措施。所謂容錯,即具有兩套或兩套以上的系統(tǒng),在同一時刻,至少有一套系統(tǒng)維持正常工作,不受計劃內維護、測試和改造活動以及設備故障、意外事故、操作失誤等計劃外活動的影響。
機房制冷與空調設施以及為其提供電力支持的供配電系統(tǒng)應與數(shù)據(jù)中心的整體性能等級保持一致,A級數(shù)據(jù)中心的冷源應按一級負荷中特別重要負荷考慮。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》(GB 50052—2009)要求,一級負荷中特別重要負荷應由雙重電源供電,同時須設置應急電源,電源的切換時間應滿足設備允許中斷供電的要求。數(shù)據(jù)中心應急電源常采用柴油發(fā)電機組和不間斷電源系統(tǒng)(UPS)。當數(shù)據(jù)中心容量巨大,周邊電力資源較為豐富,且供電可靠性滿足要求時,也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路代替柴油發(fā)電機組。
項目基地附近新建有110/10 kV市政變電站,由兩路110 kV電源供電。經和供電部門商榷,數(shù)據(jù)中心采用多路10 kV電源供電,專線接入。單路10 kV線路最大輸送容量按12 000 kVA左右考慮,根據(jù)負荷計算結果,共需8條線路,其中6路10 kV電源為數(shù)據(jù)中心主機房及輔助區(qū)配電,2路為冷源系統(tǒng)配電。為同一個10/0.4 kV變電所供電的2路電源須分別引自110 kV變電站不同10 kV母線段,才能保證兩路市電的獨立性,符合雙重電源標準。
本工程供電系統(tǒng)架構采用2N冗余方式。供電系統(tǒng)由兩個對稱的供電單元組成,兩個單元同時運行,互為備用,正常運行時,每個單元各為50%負載供電,當一個單元停運時,切換至另一個單元為全部負載供電。冷源配電系統(tǒng)架構如圖1所示。
2.2? 負荷統(tǒng)計及變壓器容量選擇
數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)主要包括以下設備:
(1)3臺10 kV離心冷水機組,其中1臺備用,單臺機組額定功率1 735 kW,配套冷凍、冷卻水泵3組,每組450 kW。
(2)1臺0.4 kV磁懸浮冷水機組,機組額定功率650 kW,配套冷凍、冷卻水泵共250 kW。
(3)8臺冷卻塔,每臺72 kW,1臺冗余。
(4)2組蓄能裝置冷凍水循環(huán)泵,共660 kW,應急時運行,和其他設備不同時使用。
(5)機房輔助設備,包括補水、軟化水、加藥裝置等,約30 kW。
(6)空調監(jiān)測和控制系統(tǒng)用電,約20 kW,包括各類控制器、電動控制閥、儀表用電。
經統(tǒng)計,冷源系統(tǒng)設備總容量為8 009 kW,其中低壓用電設備2 804 kW,低壓系統(tǒng)總計算負荷為2 520 kW。
按照A級數(shù)據(jù)中心技術要求,變壓器需采用2N冗余配置。每臺變壓器正常運行時負載率均應小于50%。變壓器低壓側采用單母線分段運行,正常時每臺變壓器分列運行。當一臺變壓器故障或者檢修退出運行時,另一臺變壓器能負擔全部負荷,且所帶全部負荷不超過其額定容量。據(jù)此,共選擇4臺1 600 kVA變壓器,正常運行時,每臺變壓器負載率約為45%,單臺運行時,負載率為90%。
2.3? 柴油發(fā)電機組選擇
A級數(shù)據(jù)中心應設置自備電源,自備電源應能滿足電子信息設備、制冷系統(tǒng)設備、照明、安全及其他相關負載的總容量需求,在市電全部停電時,其能夠有效保證數(shù)據(jù)中心正常運行。A級數(shù)據(jù)中心后備柴油發(fā)電機組臺數(shù)應采用“N+X”冗余(X=1~N)。
按照相關國家標準,柴油發(fā)電機組的輸出功率分為4種——持續(xù)功率(COP)、基本功率(PRP)、限時運行功率(LTP)和應急備用功率(ESP)。其中,持續(xù)功率(COP)為恒定負載持續(xù)供電的最大功率,且每年運行時間不受限制?;竟β剩≒RP)為可變負載持續(xù)供電的最大功率,且每年運行時間不受限制,24 h運行周期內允許的平均功率輸出不超過PRP的70%。數(shù)據(jù)中心用電負荷通常比較平穩(wěn),并且需不限時持續(xù)供電,因此,應以COP功率選擇發(fā)電機組容量,或者以70%的PRP功率進行選擇。LTP和ESP均有年運行時間限制,一般只作為消防等應急電源使用。
經統(tǒng)計,本工程總計算負荷約為19 000 kW,需柴油發(fā)電機組作為后備電源,容量較大,用電設備中還包括10 kV冷水機組,綜上考慮,本工程采用10 kV柴油發(fā)電機組作為自備電源。發(fā)電機組容量選擇可按照下述方法進行計算,并取其中較大者。
(1)按穩(wěn)定負荷計算柴油發(fā)電機容量。
(2)按最大一臺電動機或成組電動機啟動的需要,計算發(fā)電機容量。
(3)按啟動電動機時,發(fā)電機母線允許電壓降計算柴油發(fā)電機容量。
具體計算過程可參見《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版,本文不再贅述。
設計選擇15臺柴油發(fā)電機組,每臺機組COP≥1 800 kW。發(fā)電機分為兩組,其中7臺(N+1)發(fā)電機構成第一套并機系統(tǒng),為冷源系統(tǒng)和部分數(shù)據(jù)機房負載提供后備電源;8臺(N+1)發(fā)電機構成第二套并機系統(tǒng),為其余負載供電。發(fā)電機組均安裝在建筑首層,利于通風散熱。10 kV發(fā)電機供電系統(tǒng)架構如圖2所示,冗余方式為N+1,N=6。
2.4? 10/0.4 kV主接線系統(tǒng)
2.4.1? 運行方式
10/0.4 kV變電所高壓側采用單母線分段運行,兩段母線之間設聯(lián)絡開關。正常工作時聯(lián)絡開關斷開,兩路10 kV電源同時工作,分別向兩段母線供電。當任一路10 kV電源故障跳閘后,聯(lián)絡開關手動或自動合閘投入,由另一路電源負擔全部負荷,停電側市電恢復后,雙路市電正常運行。兩路市電的備用和切換功能由計算機綜合繼電保護裝置完成。
變壓器低壓側采用單母線分段運行,聯(lián)絡開關與主開關之間設閉鎖裝置,當一臺變壓器故障或者檢修退出運行時,聯(lián)絡開關自動合閘,另一臺變壓器能負擔全部負荷。
近年來,10 kV電源切換開關產品逐漸成熟并開始廣泛使用,本工程發(fā)電機電源和市電的切換采用成套自動轉換開關(ATSE)。當ATSE檢測到兩路市電均失電后,發(fā)電機系統(tǒng)延時啟動,ATSE檢測到發(fā)電機側電源帶電后,自動切換至發(fā)電機電源供電。當市電恢復后,可手動或者自動恢復到市電供電狀態(tài),發(fā)電機組經延時停機。市電和發(fā)電機系統(tǒng)電源切換功能由ATSE自動完成。10/0.4 kV主接線系統(tǒng)如圖3所示。
在圖3中,斷路器S1、S2、S3設置電氣連鎖,同時只能有2只開關閉合。ATSE具備機械和電氣聯(lián)鎖,防止市電和發(fā)電機電源并列運行。10 kV市電和發(fā)電機開關聯(lián)鎖關系如表1所示。
2.4.2? 無功補償
按照電力部門規(guī)定,用戶無功容量應就地平衡,用戶在高峰負荷時的功率因數(shù),10 kV用戶、容量在100 kVA及以上的用戶不應低于0.95。冷水機組、水泵等設備滿負荷功率因素均在0.9以下,正常運行時,一般在0.85左右,因此需設置無功補償裝置。
低壓供電的設備眾多,容量較小,布置分散,一般采用成套電容補償裝置,在變電所0.4 kV側集中補償。
用電設備含有10 kV冷水機組,因此高壓側也應設置無功補償。由于單臺10 kV機組容量較大,負荷平穩(wěn)且處于長期連續(xù)運行狀態(tài),可采用每臺機組單獨就地補償方式,電容補償裝置結合機組啟動柜成套設置,在設備現(xiàn)場就地布置。
2.5? 低壓配電系統(tǒng)要求
A級數(shù)據(jù)中心的空調設備應采用兩路供電及末端切換的方式。為消除單點故障,低壓自動轉換開關電器可選擇具有旁路功能的產品,在轉換開關本體檢修或故障時,不影響電源的連續(xù)工作。
空調系統(tǒng)在進行任何一個組件維護檢修時,冗余配置的組件介入并承擔故障組件的工作,系統(tǒng)仍能保證制冷需求。為達到整體性能要求,配電系統(tǒng)應和空調系統(tǒng)運行、維護策略一致,當配電設備發(fā)生故障和維護時,不能多臺空調設備同時停運,失去冗余功能。以冷卻塔配電系統(tǒng)為例,本工程冷源系統(tǒng)共設置了8臺冷卻塔,N+1冗余,根據(jù)上述要求,其配電系統(tǒng)應采用放射式,每臺冷卻塔從變電所單獨引接兩路電源,并于末端配電箱設置自動切換開關,保證在任何一臺冷卻塔配電回路故障退出運行時,不影響其余設備繼續(xù)工作。
2.6? 連續(xù)制冷設備供電方式
本工程采用蓄冷罐作為連續(xù)制冷的保障措施。當供電電源切換,冷水機組需要重新啟動,或因供電電源中斷而停機時,空調冷源由蓄冷裝置提供連續(xù)制冷,短時間內保證數(shù)據(jù)中心全部冷負荷,直到電力供給穩(wěn)定,冷水機組恢復正常運行。
發(fā)電機組從啟動并向負載穩(wěn)定供電一般需要1~2 min,冷水機組重新啟動時間在10 min以內,其間包括監(jiān)控系統(tǒng)對水泵、冷卻塔等相關配套設施完成狀態(tài)監(jiān)測所需時間。在這一過程中,放冷用冷凍水泵啟動,維持機房冷源供給。為保證可靠性,冷凍水泵應由雙路電源供電,至少一路電源由UPS供電。結合冷水機組恢復時間,考慮到一定冗余和誤差,UPS容量最低需滿足15 min供電要求。
冷凍泵供電UPS采用N+1冗余,也可采用可靠性更高的2N或2(N+1)方式,相比后面兩種方案,前者投資較低,占用場地較少。因此,需結合空調專業(yè)運行策略、電源質量、負載特性以及場地條件等因素,在保證系統(tǒng)可用性的前提下,選擇合理的冗余措施。
由于過負荷跳閘會中斷連續(xù)制冷過程,冷凍泵配電斷路器的過負荷保護功能應作用于信號,不直接動作于切斷電源,以免造成更大的損失。
2.7? 配變電所形式和布置
變電所設計應符合國家標準《20 kV及以下變電所設計規(guī)范》(GB 50053—2013)的各項規(guī)定。對于A級數(shù)據(jù)中心有其特殊要求,除電源系統(tǒng)應滿足容錯功能外,配變電所布置也應采取容錯措施。為保證兩個供電單元的獨立性,兩組配變電裝置應分開布置在不同的配電室,實行物理隔離,當兩個單元相鄰布置時,其隔墻需采用防火墻,耐火等級不低于二級。
為便于設備維護、檢修或更換,配變電所應設置運輸通道、平臺或吊裝孔。配變電所內應適當預留空間,便于發(fā)展擴容。10/0.4 kV配變電所布置如圖4所示。
3? 結語
空調冷源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心全生命周期內持續(xù)運行,可靠性要求高,其電源和配變電系統(tǒng)、自備電源系統(tǒng)的設置需符合相應等級數(shù)據(jù)中心的配置標準。數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)方案有多種選擇,針對不同設計,應仔細分析,綜合考慮,和空調專業(yè)協(xié)調一致,合理運用技術措施,以達到在整體上保證制冷系統(tǒng)性能的目的。
[參考文獻]
[1]? 數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范:GB 50174—2017[S].
[2] 中國建筑標準設計研究院.18DX009數(shù)據(jù)中心工程設計與安裝[M].北京:中國計劃出版社,2018.
[3]? 供配電系統(tǒng)設計規(guī)范:GB 50052—2009[S].
收稿日期:2020-04-20
作者簡介:劉捷(1969—),男,江蘇南京人,高級工程師,研究方向:電氣技術。