大型数据中心供配电系统设计

杜懿凡

(中国中建设计集团有限公司,北京 100037)

0 引言

随着现代社会的快速发展以及大量信息、数据的交互往来，数据中心的建设、使用已经成为必然趋势，目前，几乎所有大型企业、机构都建立了自己的数据中心。因此，对数据中心用电负荷准确分级，提供合理、安全、可靠的供电方案成为使IT设备稳定运行，信息数据安全交互的重要前提和保障。对此，笔者将结合实际项目中数据中心的设计以及目前一些针对数据中心的主流设计思路及做法，对数据中心在用电设备负荷分级、供电方案选择等问题进行详细阐述。若见解有误之处，望同行们批评指正。

1 工程概况

本文所介绍的是某航空公司设置在其运控中心的数据中心工程，该工程根据业主以往的运行使用经验以及实际需求，在建筑物首层共设置4个数据主机房，其中1、2号主机房为一期使用，3、4号机房为二期使用，每个主机房面积为250 m2，主机房总建筑面积1 000m2。另在建筑首层设置数据中心的辅助用房，包括IT监控室、运营商进线间、值班前厅、库房等共计约660 m2。

在建筑物地下一层设置数据中心的支持区，包括数据中心专用变配电室、柴油发电机房、UPS室、电池室、制冷机房等设备机房共计约1 500 m2。

2 数据中心等级的确定以及用电设备负荷分级

2.1 数据中心等级的确定

数据中心的等级与其使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度有关，GB 50174-2017《数据中心设计规范》(以下简称“《数规》”)中将数据中心的等级分为A、B、C三级。根据《数规》第3.1条相关规定，符合下列情况之一的数据中心应为A级：(1)电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失；(2)电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。符合下列情况之一的数据中心应为B级：(1)电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失；(2)电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序混乱。不属于A级或B级的数据中心为C级。

本文所介绍的数据中心对所有航班的编排调配、机组人员的飞行签派、机务维修、物流运送等安全有序的运行起着至关重要的作用，航空公司电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失和公共场所秩序混乱，因此，根据《数规》相关规定，本文所写数据中心按A级设计。

2.2 数据中心用电设备的负荷分级

《数规》中对数据中心内具体用电设备的负荷分级并未做出明确规定，其他规范对此也并未提及，但可以视数据中心的等级、使用性质、用电设备对保障数据中心可靠运行的重要程度，来进行相应的负荷分级。对此，笔者建议A级数据中心用电设备的负荷等级可按表1进行划分。

A级数据中心用电负荷分级 表1

2.3 不同等级负荷的供电措施

对于数据中心机房内的IT设备、空调和制冷设备、监控中心等一级负荷中的特别重要负荷，除了保证双重电源外，还应设置应急电源。可以设置UPS系统为IT设备的应急电源，主要是为了满足此类负荷需要不间断供电的要求；空调和制冷设备等大容量负荷可选用柴油发电机组作为其应急电源。

一级负荷中的消防负荷采用双重电源供电，末端设置ATSE互投。

一级负荷中的非消防负荷采用双重电源供电，如果用的负荷容量较大，采用双重电源末端互投的方式供电；如果负荷容量较小，可分区域设置ATSE，再放射式供电至各个用电点。

二级负荷采用两回线路供电，分区域设置ATSE互投。

三级负荷采用单回线路供电。

3 变配电室及电气机房的设置

根据《数规》第3.2.1条有关规定，A级数据中心的基础设施按容错系统配置，即在电子信息系统运行期间，基础设施可以在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统的正常运行。因此，在变配电室和电气机房的设置上，把为数据中心IT设备供电的两组变压器、为数据中心制冷设备供电的两组变压器、UPS以及蓄电池组分别设置在两套独立的电气用房内，使相互备用的设备在物理空间上隔离。

数据中心专用变配电室设置如图1所示，在数据中心变配电室A中放置为4个IT设备主机房服务的1#变压器、低压配电柜、第一组UPS以及其进出线柜；在数据中心变配电室B中放置为4个IT设备主机房服务的2#变压器、低压配电柜、第二组UPS以及其进出线柜。

在动力变配电室A中放置为数据中心制冷设备(如冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、精密空调等)服务的1#变压器、低压配电柜；在动力变配电室B中放置为数据中心制冷设备服务的2#变压器、低压配电柜、UPS以及其进出线柜。

在电池室A和电池室B分别设置了4列蓄电池架，用来放置为4个IT设备主机房服务的UPS的后备蓄电池组。根据《数规》中有关规定，柴油发电机做完后备电源时，蓄电池组的容量可满足单台UPS满负荷运行15min，整个系统满负荷运行30min。

图1 数据中心专用变配电室设置图

4 UPS、变压器、柴油发电机容量的确定

4.1 UPS容量的确定

根据业主的使用功能要求，每个机房模块内安装86个服务器机柜、22个网络机柜，按平均每个机柜4kW计算，则一个IT设备主机房的设备安装容量Pe=108×4=432kW，计算有功功率Pj=Pe×0.8=345kW，计算视在功率Sj=Pj/0.9=383kVA，所以为每个机房模块内IT设备供电的UPS选用400kVA即可。另外，考虑到监控运维室、应急照明等用电负荷，在400kVA容量的基础上，将其中一台UPS的容量扩大到500kVA。

根据《数规》，A类数据中心UPS采用多组2N供电系统，所以在数据中心变配电室A、B中分别设置UPS，且两组UPS互为备用，平时分列运行，当其中一组UPS发生故障或保养维修时，另一组UPS可以满足全部IT设备运行使用。

综上，为IT设备供电的UPS总装机容量为 3 400kVA，具体安装位置、数量及容量见表2。

IT设备专用UPS信息列表 表2

4.2 变压器容量的确定

4.2.1 为IT设备供电的变压器容量

由4.1可知，全部IT设备运行的UPS总装机容量，列如变配电室自用电，可得单侧1台2 000kVA的变压器即可满足全部IT设备用电。因供电系统采用2N系统，故此在数据中心变配电室A、B中各设置一台2 000kVA的变压器，两台变压器低压母线段中间设置母联开关，两台变压器互为备用，平时分列运行，每台变压器的负载率为42.5%，当一台变压器故障时，另一台变压器可以承担全部负荷。综上，为IT设备供电的变压器总装机容量为4 000kVA。

4.2.2 为制冷设备供电的变压器容量

本工程在地下一层设置一个专为数据中心服务的制冷机房，制冷机房内设置3台223kW冷水机组、3台37kW冷冻水泵、3台55kW冷却水泵(均为两用一备)，以及其他设备16kW。在屋顶设置3台(两用一备)60kW冷却塔，每个机房模块设置5台(四用一备)5kW精密空调，另再加上变配电室和柴发机房用电以及一些其他设备用电，整个数据中心制冷设备的总安装容量Pe=1 056kW，计算有功功率Pj=950.4kW，视在功率Sj=1 056kVA。

根据《数规》A级数据中心有关规定，供电系统应采用2N系统，故选用2台1 250kVA的变压器为数据中心制冷设备及附属设备供电，分别设置在动力变配电室A、B中，低压母线段中间设置母联开关，互为备用，平时分列运行，每台变压器的负载率为42.2%，当一台变压器故障时，另一台变压器可以承担全部负荷。

综上，为数据中心制冷设备供电的变压器总装机容量为 2 500kVA。变压器具体安装位置、数量及容量见表3。

数据中心专用变压器信息列表 表3

4.3 柴油发电机组容量的确定

根据《数规》第8.1.12条有关规定，A 级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源。经过综合分析比较计算，本工程共设置3台基本功率为1 600kW，性能等级为G3级别的10kV柴发机组为数据中心专用备用电源，3台机组采用并机运行方式。

3台柴油发电机组经过并机柜输出2回10kV线路引至运控中心10kV总配电室两段不同的10kV重要负荷母线段，和市电电源进行互投后再供电给数据中心变压器，市电电源和柴发机组电源互投处设置电气联锁措施， 保证市电和柴发电源不会并列运行。

1号发电机房控制室设置柴发测试母线段，输出1路电缆至屋顶10kV柴发测试负载，屋顶设置1台1 600kW柴发测试负载。柴发机组1～3都可通过手动操作，接入柴发测试负责进行测试。

柴发机房内每台油机各配置1个1m3日用油箱及相应管道至室外加油口。根据业主要求，室外不设置柴油储罐，通过和附近加油站签订供油协议，可以保障应急情况下的柴发供油。柴油发电机组具体安装位置、数量及容量见表4。

数据中心专用柴油发电机组信息列表 表4

5 供配电系统

5.1 数据机房供配电系统

本工程数据中心等级为A级，为IT负载供电的变压器及不间断电源UPS系统采用2N系统，两组变压器和UPS之间互为备份，当其中一组变压器及UPS故障时，另一组变压器和UPS仍能保证全部IT设备正常运行。

不间断电源UPS系统电池后备时间≥15min。UPS 主机可提供RS232 或RS485 等智能通信接口，实现远程遥控、遥信遥测功能，系统能全面了解UPS 的运行状态以及并机状态，随时监测记录UPS 机组的运行状态的各种参数，并支持智能电池管理。

UPS 交流配电柜至各台UPS 主机之间各设置主路及静态旁路输入开关。UPS 系统配备所需的机械和电气联锁装置，可实现安全维修旁路和负载组运行。

机房设备电源由安装于变电室内的UPS电源装置引来至列头柜，再由列头柜提供电源至弱电机柜，数据机房供电系统示意图如图2所示。

图2 数据中心供电系统示意图

5.2 制冷设备供配电系统

大型制冷设备，如冷水机组采用放射式供电，末端互投；小容量制冷设备，如精密空调、冷却水泵、冷冻水泵等采用树干式供电，末端每台空调、水泵配置独立双电源互投箱。其中冷冻水泵、精密空调一路电源由UPS不间断电源提供。

6 结束语