大型数据中心供电系统连续可靠运行设计探讨

　　摘要:全球性大型金融服务业数据中心供配电系统的配置组成、相互间的逻辑关系设置，两路电源同时供电，互为备用，科学的冗余设计，多重逐级投切功能，从供配电安全、可靠、连续性的角度设计，以满足大型计算机主机及网络设备等特别重要负荷及其配套的重要基础环境设备的连续可靠运行要求。
　　
　　关键词:特别重要负荷，供电连续可靠性，母联断路器，应急柴油发电机组，ATS应急联络自动切换开关，UPS不间断电源，STS静态开关，大型计算机主机及网络设备，机房精密空调
　　
　　正文:
　　大型金融服务业数据中心一般都担负着全国百姓乃至全球人们的经济、消费支付等数据信息处理任务，因此其对数据信息处理整个系统运行的连续性、可靠性要求非常高，其中包括对供配电这一系统的连续可靠性运行的要求。
　　数据中心机房的大型计算机主机及网络等设备为一级负荷中的特别重要负荷，为其配套的精密空调及照明、消防设施、监控设施等为一级负荷，一旦中断供电，数据信息处理就会中断，将会立即造成全国乃至国际性的金融消费支付结算的混乱，就算马上供电重启，恢复时间较长，会使国内、国际上造成重大的政治和经济影响。
　　针对数据中心机房大型计算机主机及网络等设备负荷的重要性，为确保对其供电的连续可靠性，经过多方协商、比较和优化，最终确定供配电系统方案如下：
　　１供配电系统设计
　　１．１用电负荷的统计
　　a．动力负荷：中央空调机组、精密空调机组、新风机组、给／排水泵、电梯、正压送风机、排烟风机等用电设备，按额定容量进行统计；
　　b.照明负荷，按照度要求及单位容量法进行统计；
　　C．对大型计算机及网络设备等负荷按单台安装容量进行统计；
　　d．最终按需用系数法进行负荷计算。
　　1．２用电负荷等级的划分
　　a．一级负荷：大型数据处理用计算机及网络设备、消防用电设备(消火栓泵、喷洒泵、正压送风机、排烟风机、消防电梯、消防控制中心内的火灾报警控制器及联动控制设备等)、应急照明、保安监控系统、电话机房及计算机主机房精密空调设备等。
　　根据《供配电系统设计规范》(GB50052-2009)中第2．0．1条要求，大型数据处理用计算机及网络设备应为一级负荷中特别重要负荷。
　　b．二级负荷：一般照明、客梯、生活水泵等。
　　C．三级负荷：送风机、排风机等一般动力负荷。
　　1．3供电电源设置
　　1．3．1１０ＫＶ高压电源
　　本数据中心工程高压采用两路10kV电源供电。两路10kV电源分别引自两个不同地理位置的上级变电站。两路电源同时供电、互为备用，当其中一路电源发生故障时，通过高压母联断路器，另一路电源能担负全部负荷的供电。
　　1．3．2４００／２３０V低压电源
　　1．3．2．1正常电源
　　本数据中心工程共设置四台电力变压器，其中两台变压器进行两路电源同时供电、互为备用，供一、二、三级负荷用电，其低压侧主开关后级主母线之间设置低压母联断路器，之后通过应急联络自动切换开关ATS向负荷供电。对于控制机房环境的精密空调设置双路联络自动切换开关ATSE。另两台变压器进行两路电源同时供电、互为备用，专门供给一级负荷中特别重要负荷用电，其低压侧主开关后级主母线之间同样设置低压母联断路器，之后通过应急联络自动切换开关ATS向负荷供电。
　　1．３．２．２应急电源
　　a．应急柴油发电机组：根据《供配电系统设计规范》(GB50052—2009)中第2．0．3条要求，本数据中心工程设有二台独立于正常电源以外的柴油发电机组，在应急启动后，通过分别安装在四台低压主开关后级的四台应急联络自动切换开关能向特别重要、一级、二级负荷连续供电。
　　b．UPS不间断电源装置：根据《供配电系统设计规范》中第2．0．4条要求，允许中断供电时间为毫秒级的供电，可选用蓄电池组静止型不间断供电装置，本数据中心选用了在线“（2+1）×2”型并机冗余式UPS供电装置，能维持额定负荷30分钟连续供电，且供电质量非常高（380/220V±1V，50HZ±0.5HZ）。
　　1．410kV高压供电系统
　　1．4．1系统设计要求
　　两路10kV电源分别引自两个不同地理位置的上级变电站，10kV电源采用单母线分段分列方式运行，互为备用，并设高压母联断路器；当一路电源故障时，而低压母联断路器未能自动切换时，高压母联断路器通过手动投入，由另一路高压进线电源负担全部负荷。进线隔离车与主进断路器联锁，主进断路器与母联断路器联锁，保证在两台主进断路器同时运行状态下和高压侧发生短路故障(故障未排除)时，不会且也合不上高压母联断路器。
　　1．4．2电器设备选型要求
　　高压断路器采用真空断路器，分断能力为25kA。在10kV开关柜内装设氧化锌避雷器，作为真空断路器操作过电压保护。真空断路器选用弹簧储能操作机构，采用110V铅酸免维护电池柜作直流操作、继电保护及信号的电源。
　　1．5继电保护的配置
　　a．主进断路器采用过流、速断、零序电流保护及低电压闭锁保护。
　　b．变压器柜采用过流、速断、零序电流保护、变压器高温报警及超高温跳闸保护。
　　c．保护继电器采用综合保护器，时限(定时限或反时限)方式、动作时间等均由供电部门确定。
　　1．6400／230V低压供电系统
　　每两台变压器低压侧主开关后级主母线之间设置低压母联断路器，两路电源同时供电、互为备用，采用单母线分段分列方式运行。
　　低压侧主进断路器与低压母联断路器设电气联锁及机械联锁，并且装设合闸线圈和分励线圈而不得装设失压脱口器，以防误动事故。母联断路器控制方式设自投自复／自投手复／手动／停止四种投入方式，只能选择其中的一种投入方式。为了当某一路电源失电时另一路电源能立即响应给其负荷继续供电，而当失电一路的电源恢复有电时能人为控制恢复向其负荷供电的时间点，以确保电源切换尽可能有序控制，我们选择了自投手复的母联断路器投入控制方式。
　　应急联络自动切换开关ATS的正常电源侧与应急电源侧都有手动旁路开关，用于检修和应急旁路用，且有机械连锁机构。

　　低压侧主进断路器、母联断路器及630A以上的馈出回路断路器均设过载长延时、短延时及速断3段保护，其余馈出回路断路器均设过载长延时及速断2段保护。
　　计算机主机及网络设备是数据处理的核心设备，为其供电的电源是保证这些设备正常运行的必备条件。为确保这些特别重要负荷供电的电源质量和供电连续性的万无一失，该供配电系统在低压侧设计了如下一系列保险措施：
　　计算机主机及网络设备的供电方式为“两路市电+柴油发电机组”经过应急联络自动切换开关的投切转换，再通过（2+1）×2冗余配置的两套各并带旁路自动转换开关的UPS不间断电源供电装置，以A、B双路电源送至每个计算机机房A、B路电源各个PDU配电柜，或再分配A、B双路电源给有双电源模块的计算机主机及网络设备；或再分配A、B双路电源给带自动投切的STS静态开关，并在STS静态开关投切在A路或B路电源时给单电源模块的计算机主机及网络设备。STS静态开关的A、B两侧电源端都有手动旁路开关，用于检修和应急旁路用，且有机械连锁机构。
　　机房精密空调是仅次于数据处理主机及网络设备等重要负荷的一级负荷设备，其供电方式为“两路市电+柴油发电机组”经过应急联络自动切换开关的投切转换，再由双路电源经双路联络自动切换开关ATSE自动切换供电至生产区楼层精密空调配电柜。这些设备在每个机房都是N+1冗余配置的，并由生产区楼层精密空调配电柜错层供电。
　　供电系统的供电方式也至关重要，TN-S五线制最为安全可靠，且计算机房的等电位接地、静电接地、交流工作接地、防雷接地、安全保护接地共同接入联合接地系统，机房内接地电阻不大于4欧姆。而计算机设备的直流接地，应为独立干净的接地系统，接地桩远离联合接地体20米以外，桩深2米，有2根桩体双拼组成，直流接地电阻宜不大于0.5欧姆。
　　1．7无功功率补偿
　　本工程采用低压集中自动补偿与就地分散补偿相结合的方式。在配电房低压侧设集中功率因数自动补偿装置。要求补偿后的功率因数在0．9以上；对气体放电光源的灯具，采用自带补偿电容就地分散补偿，要求补偿后每个灯具的功率因数均在0．9以上。
　　1．8电气计量
　　本工程采用高压计量方式，在每路10kV电源进线处装设由供电部门提供的专用计量装置。在各低压电源进线处及景观照明等馈线回路装设计量装置。以供物业内部管理使用。
　　2智能配电监控系统的设计
　　该数据中心工程供配电系统借助于完善的能源管理智能配电监控系统，在配电房实现了对高、低压配电设备及相关电气参数的监控、故障报警、通讯管理、信号采集、显示等功能，配电房，并由当班人员翻班24小时巡检、值守，确保供配电系统运行连续、可靠。
　　参考文献：《供配电系统设计规范》《电子信息系统机房设计规范》
　　《民用建筑电气设计规范》

《大型数据中心供电系统连续可靠运行设计探讨》

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