摘 要：结合项目实例，分析某改造数据中心供配电系统的设计方案，以及选用园区厂房荷载、外市电、园区外部空间等实际遇到的问题，主要从负荷等级及电源类型、供配电系统型式、柴油发电机选择、机柜配电方式等方面进行探讨，为设计同行提供参考。
关键词：数据中心; 改造; 供配电设计; 电源类型; 柴油发电机; 小母线
随着信息技术的进步和信息社会快速发展，网络数据通信量也在急速增长。据国家统计局数据，我国移动互联网接入流量从2013年至2018年增长将近55倍。海量数据带来大量的储存和处理需求，带动数据中心需求量越发庞大。由于新建数据中心需要一个长期的建设过程，从项目初期到土建施工再到机电实施最终到交付验收，预计需要3～4年时间，因此将厂房改造为数据中心可大大节约土建施工周期及建设成本，尽早地交付数据中心，满足各大产业对数据中心的需要。
本文通过分析某改造数据中心场地荷载、室外空间、外市电等因素的影响，重点探讨改造数据中心供配电系统设计方案。本项目是一处老厂房改造的数据中心，满足《数据中心设计规范》GB 50174-2017A级认证要求。原老厂房为丁类工业建筑，建筑面积7473m²，共3层，一层层高7.8m，二层层高7.8m，三层层高7.5m，改为数据中心楼后，使用性质改为丙类多层工业建筑，一层包括：门厅、消防控制室、电气间、电池室、高低压配电及电力室、网络机房、配套用房、卫生间及管道间等，二、三层包括：IDC机房、钢瓶间、电气间、备品备件间、辅助用房、管道井等；屋顶层包括：电气间、排烟机房、电梯机房、屋顶风冷螺杆冷水机组（4用1备）、供高压配电室、电力室等使用的风冷氟泵精密空调、多联机空调等。原厂房设计荷载均为6kN/m²，屋面设计活荷载为2kN/m²，无法达到通信机房荷载设计要求，机房、电力室活荷载取值应根据《通信建筑工程设计规范》YD 5003-2014和工艺专业提供的设备参数综合确定，注意活荷载应考虑走线架吊挂荷载，本文不再赘述。本改造数据中心共布置1376个4kW服务器机柜，24个4kW网络机柜，共设计有8个机房模块，供配电系统按照《数据中心设计规范》GB50174-2017A级机房要求进行设计。数据中心A级机房的供电可靠性要求高，根据《数据中心设计规范》GB 50174 2017供电电源应由双重电源供电，变压器、不间断电源系统宜按照容错型（2N）进行电气架构设计。用电负荷等级和供电要求根据《供配电系统设计规范》GB 50052-2009及工艺要求确定，一般可分为三种负荷性质，如表1所示。根据表1中负荷类型等级、所需电源类型及项目现场市政电源实际情况，本改造数据中心需提供给另一栋楼1240个4kW机柜，两栋楼总用电负荷为16000kVA，采用双路10kV高压线路供电无法满足要求，故供电电源采用双路35kV高压线路供电，在本栋楼设置35kV/10kV变电站。因高可靠性要求，本改造数据中心35kV线路从2个独立的电网变电所引来。对于高压线路考虑接近50%冗余，因为冗余过多会增加一次投资，冗余过少对开关保护及运维管理要求很高，不利于后期局部扩展。本改造数据中心35kV变电站线路从2个独立的电网变电所引来，采用2台16MVA有载调压干式变压器，电压等级35±2.5%/10kV，35kV侧采用线变组接线，10kV侧采用单母线接线，共4路出线。本栋数据中心楼10kV配电系统采用单母线分段，两段母线间设置联络开关，10kV配电系统在正常工作时，两路电源同时工作，互为备用。母联设置自投装置，自投装置可手动解除。处于自动状态时，当一路电源失电，延时后自动投入母联开关。当市电电源恢复供电后，手动恢复正常状态（即自投不自复）。每路电源可提供100%的供电能力。进线和母联开关之间设电气联锁，任何时候只能两台开关处于合闸状态。同时配备10kV柴发机组作为备用电源，配备不间断电源（UPS）为特别重要负荷提供备用电源。本改造数据中心供电系统架构如图1所示，供电系统在不同电压等级母线段均设母联，在任何一台变压器故障及宕机事故时，由另一台变压器通过母联保持对故障段设备的供电，变压器负荷率保持在50%以下，保证用电可靠性。每段母线设置双电源转换开关ATSE（设置电气和机械连锁，严禁市电和发电机电源井网运行），当两路市电均出现故障时，发送油机启动信号油机系统井机柜，延时启动，当ATSE检测到油机侧电源带电后，自动切换至油机侧给负载供电，后端负载分批逐步加载，运行中可根据各油机系统负载率自动控制变压器柜的供电和断电。当任意一路市电恢复后，系统转由市电电源供电，后端负载分批逐步加载（变压器柜逐台延时投入），油机采用全自动化机组，可以自动启动和停机。根据供电系统架构，10kV母线段5个开关，包含1#市电进线、2#市电进线、母联开关、ATSE1(1#油机进线，1#市电开关）.ATSE2(2#油机开关，2#市电开关）,5个开关在不同运行状态下断路器开关状态如表2所示。机柜数量为1376个4kW服务器机柜，24个4kW网络机柜，考虑0.9的使用系数，总IT负荷为5040kW，其余负荷分别为风冷螺杆机组、空调末端、智能化系统、照明、加湿器、新风机组等，总负荷约3600kW，再加上UPS充电、损耗及线路损耗，变压器采用2N配置，每台变压器负载率不大于50%，选用2组织2000kVA及2组2×2500kVA变压器。给IT机柜供UPS采用2N配置，UPS满载时负载率为90%（本项目没有考虑金融客户，根据《金融业信息系统机房动力系统规范》JR/T0131-2015，UPS供配电每路设计额定容量不小于总负载容量的125%，故UPS满载时负载率为80%，在做金融行业项目时需特别注意）,IT用UPS选用3组2×2井机500kVA UPS及2×3井机500kVA UPS，末端空调、智能化等动力负荷选用600kVA UPS。A级数据中心要求UPS电池后备时间按照不低于15min考虑。UPS匹配蓄电池采用40节阀控铅酸、电池作为一组，再2～4组阀控铅酸电池并联，市场上500kVA及600kVA UPS能匹配到36～44节阀控铅酸电池，选用3～4组阀控铅酸电池。根据不同的项目电池间空间及荷载选用不同节数电池，本项目500kVA选用40节508W阀控铅酸电池串联，3组电池并联。600kVA选用40节605W阀控铅酸电池串联，3组电池并联。以上10kV配电室、变配电所、UPS、蓄电池房间均采用物理隔离才能满足《数据中心设计规范》GB50174-2017A级机房要求。《往复式内燃机驱动的交流发电机组第1部分：用途、定额和性能》GB/T 2820及《往复式内燃机驱动的交流发电机组》ISO 8528对发电机组的输出功率分为COP功率、DCP功率、PRP功率、LTP功率和ESP功率，详见表3。目前主流数据中心采用PRP功率定义的油机，同时对比了1800kW、2000kW及2200kW中压室外油机造价，从经济角度考虑，本项目采用5+1台1800kW 10kV中压室外油机。因本项目为厂房改造，室外空间并没有规划油机，长度上仅能提供11m空间，常规的室外柴发尺寸为12.2m×2.5m×3.3m（长×宽×高），本项目室外柴发采用10m×2.5m×5.2m（长×宽×高）双层设置，为满足运输要求，将双层柴发拆成4个组件进行运输，分别为进风+消声器、发动机+发电机+油箱、排风降噪箱1、排风降噪箱2，详见图2。同时设置了相应机组的井机控制系统、负荷控制系统、油路控制系统以及继电保护配置等。本项目采用5+1台1800kW中压室外油机，100%负载燃油消耗量为500L/h，《数据中心设计规范》GB 50174-2017要求A级数据中心备用电源满足12h用油量，全部柴油发电机系统需要的油耗量：V＝每小时耗油量×12(h；保障小时）×主用台数（N)=500×12×5=30000L=30m³；减去每个柴油发电机自带1m³油箱，因此需要25m³油罐，保证油箱在维护阶段既能清洗也能为柴发提供用油，故设置2个15m³油罐（直径3m，长3m）。油罐净容积计算需考虑扣除最高无效油位150mm，最低无效油位250mm，中间有效油位截面积为6.65㎡，根据公式，容积＝截面积×长度＝6.65×3≈19.95m³，故有效油位容积为19.95m³。机柜配电目前主要的供电方式为列头柜供电方式和小母线供电方式。列头柜供电方式：电缆从UPS出线柜至机房内的每个列头柜的方式；经列头柜配电后，再采用电缆接至各机柜PDU的方式。列头柜主要是对这一列机柜的交流或者直流负载提供电源，起到配电、监控、测量、保护、告警等作用。小母线供电方式：小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称，小母线供电原理是从前端UPS配电柜引出电缆连接至母线槽前端的电力始端箱，通过母线槽主体进行电力传输，再根据每一个机柜的功率密度选择相应规格的接插箱，与机柜内的PDU连接后即完成了对一个机柜的配电工作。“双碳”战略背景下，改造及新建数据中心项目采用节能技术势在必行，本项目供配电系统采用了以下节能措施。1）电源系统深入负荷中心，降低导线使用量，合理选择导线截面、线路敷设方案，降低配电线路损耗。3)2N配置的UPS，一路可运行在ECO模式，UPS系统通过旁路向负载供电，整流器给电池浮充，逆变器待机。当旁路电压／频率超出一定范围时，则UPS采用双变换工作模式，整机工作效率高达98%以上。数据中心对供电可靠性要求很高，一旦中断电源，会造成严重的经济损失及较大的社会影响，本文通过介绍某改造数据中心供配电系统，同时对厂房荷载、室外空间及外市电等因素进行分析，希望在后续类似项目的设计过程中能够起到一定的参考价值。来源：数据中心基础设施运营管理，作者：刘佳、林小钰
