淺談有線網絡數據中心供配電系統架構的設計與實現
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】江蘇有線數據中心的供配電系統為前端機房、模塊化數據機房、監控大廳和制冷、消防設施提供可靠電能，是保障數據中心運行的核心設施。本文從安全供電的角度，重點闡述了江蘇有線數據中心供配電系統架構的設計與實現。
【關鍵詞】數據中心，供配電，雙總線，不間斷電源
0引言
江蘇有線數據中心是國家干線網在華東的節點站，為全省2700萬有線電視用戶提供播出信源，為省內數百萬寬帶用戶提供互聯網接入，同時為數千家金融、醫療、公安、教育和企事業單位提供網絡服務，對業務的安全性、可靠性有著極高的要求。
供配電系統作為數據中心核心設施，必須為各類業務運行提供優質可靠的能源保障，同時還要滿足各類輔助設施用電需求，對供配電系統提出了較高的建設標準。因此，江蘇有線數據中心供配電系統依據安全、實用、經濟、靈活的原則進行設計，在保證滿足各類負荷安全用電的基礎上，還要考慮系統的可擴展性，可維護性。下文主要從安全角度，淺述江蘇有線數據中心供配電系統架構的設計與實現。
1用電負荷安全等級劃分
數據中心供配電系統根據不同種類負荷對電源可靠性要求的不同，對用電負荷進行安全等級劃分和分類供電保障設計。
1.1負荷
機房IT負荷供配電設備、連續制冷系統、機房監控系統、消防供電系統、應急照明用電、冷源設備以及機房區日常照明。
1）IT供配電系統設計參照國標的高可靠性配電系統標準，使用2N配電方式，并通過雙路進線電源相互備份，滿足進線電源無單點故障的要求。
2）連續制冷系統用于保證數據中心在市電故障、柴油機未啟動時仍有足夠的制冷能力，在數據中心的整體可用性中發揮著至關重要的作用，使用UPS為冷凍水系統的水泵、機房內空調風機供電，并設置冷凍水蓄冷池。機房空調正常情況下由市電供電、油機保障，在市電和油機失效時，有UPS保障，以提供機房機柜的制冷。
3）機房監控系統為整個數據中心重要的操作、維護與管理平臺，其配電系統應能保證在市電斷路時，系統仍能正常使用，因此由UPS為其供電。
4）消防供電系統主要為消防設備、消防報警系統、消防聯動控制設備提供配電。按照國家相關規范，應使用雙路市電供電，并由柴油發電機保證其電源供應的不間斷性。
5）機房應急照明應保證機房等重要區域在異常狀況下保持正常運行的照明能力，使用EPS電源供電，并保證疏散指示照明配備90分鐘后備電池，保證停電后，機房照明系統仍可使用。
6）機房重要動力供電主要指為冷凍站冷水機組、水泵、IT機房、UPS機房空調設備提供供電，包括機房空調、機房消防排煙系統及其他與機房環境相關的動力設備的供配電系統，該類系統可以接受因為市電故障所引起的關機重啟，不需要使用UPS進行不間斷供電，但必須使用柴油發電機后備，以保證供電鏈路故障或市電缺失階段仍然可用。
1.2二級負荷
非關鍵動力系統、日常維護、維修和照明系統用電。機房維護用電需要在市電缺失階段保證同樣可用，以實現該階段內的系統故障維護。負荷安全等級劃分及電源保障規劃如表1所列。
2供配電系統安全架構設計
江蘇有線三網融合數據中心設計總電力容量為32MW，分兩期建設，一期為24個機房，容量18MW，二期為16個機房，容量14MW。數據中心按照GB50174《數據中心設計規范》機房設計，配電系統采用2N雙總線冗余設計，配電系統可靠性為99.998%，其安全冗余架構如下。
2.1外部市電安全保障
一期供電需求為18000kVA，設計兩路來自不同變電站市電，兩路市電分別來自光華變和西崗變，共4個回路，數據中心設立4個KB所。一期建設2個KB所，引入4路10kV市電，每路8000kVA，總容量為32000kVA，實現外市電單路滿載的全冗余安全備份。確保數據中心外部市電接入的可靠性和安全等級，兩個變電站至三網融合樞紐數據中心的距離分別為600m和3km，市電接入布局如圖1和2所示。
2.2柴油發電機保障
為了進一步提升供電的可靠性，應對外部市電突發大面積的停電發生，三網融合樞紐數據中心另配備備用功率2000kW的10kV自備發電機17臺（其中一期9臺，二期8臺），在市電發生停電時，啟用發電機給數據中心供電。如圖3所示。
2.3冗余的中低壓配電架構
江蘇有線三網融合樞紐數據中心一期共設置了2個KB所、10個低壓配電室，采用2N的冗余架構，每個KB所分別引入光華變和西崗變的10kV市電，并設有中壓的母聯裝置，實現10kV中壓的互聯互投。確保一路中壓停電或故障或常規檢修時，另一路市電提供后端的供電。
一期配電系統共設計了20臺1600kVA干式變壓器，每個低壓配電室安裝兩臺變壓器，取自兩路不同的10kV外電，兩路低壓系統之間均可以實現低壓互聯互投，確保一路中低壓停電或故障時，另一路市電提供后端的供電。
柴發、中壓和低壓配電系統的冗余架構如圖4所示。
2.4UPS電源保障
國家有線網絡的骨干線路、全省有線電視安全播出和信息傳送是江蘇有線三網融合數據中心的核心業務，在建設中對IT的設備和部分關鍵設備配置了UPS的保障。同時根據運行系統的重要性對UPS的配置采用了2N（N=1）、2N（N=2）、2N（N=3）、2（N+1）的組合方式，在提升可靠性的同時，兼顧投資平衡。
2.4.12N（N=3）組合方式
安全播出和信息傳送是三網融合數據中心中心的核心業務，因此在UPS系統的設計中采用了2N（N=3，2+1）的組合配置，即3臺UPS并聯，其中1臺是冗余備份的UPS，提高供電的可靠性。如圖5所示。
2.4.22N（N=2）組合方式
對運營的計費、客服、互動等重要的系統，UPS采用了2N組合方式（N=2），如圖6所示。
2.4.32N（N=1）組合方式
其他的系統采用了2N（N=1）的UPS組合方式，架構如圖7所示。
2.5空調配電的保障
三網融合數據中心空調系統采用高效的離心冷凍水機組、冷凍/冷卻水泵、冷卻塔。為了滿足空調系統在應急情況下的機房環境溫度的保障與UPS后備的時間保持一致，除了設置的蓄冷罐外，對冷卻水泵和末端空調增加了UPS的供電保障措施。與UPS后備15分鐘后備時間相匹配。如圖8、圖9和圖10所示。
2.5.1末端空調的配電保障
數據中心末端的空調的供電安全保障采取兩種方式：
1）應急情況下UPS供電
機房末端空調在正常運行時，采用市電供電，在市電中斷時通過ATS自動切換到UPS供電，見圖8。
2）同一組空調的配電來自不同的配電系統
數據中心每個模塊化機房設計了6臺末端空調，將每個模塊化機房的6臺末端空調分為兩組，1、3、5的末端空調配電來自配電房1、2、4、6的末端空調的配電來自配電房2，兩個配電房在距離和防護上做了嚴格的物理隔離。其目的是為了防止配電房的突發事件（如火災）引發電力中斷，確保在這種突發的情況下，有一半的末端空調工作，繼續維持該機房的制冷，延長機房溫升的時間，見圖9。
2.5.2冷凍水泵的供電保障
冷卻水泵正常運行時，UPS運行在ECO的模式，實際上采用交流直供的經濟運行模式，當市電中斷時自動由UPS接管，保持冷卻水泵的持續運行，不僅是滿足應急保障的要求，同時達到節能效果，見圖10。
2.6數據中心2N供電系統的物理安全保障架構
江蘇有線三網融合數據中心的2N配電的架構設計上，在建筑平面布局上充分考慮到配電系統物理安全，一期不僅設置了2個的KB所，同樣在每層樓設置了兩個配電房，將2N的配電系統分別安裝在各自的配電房中，在一個配電房發生突發的配電中斷事件時，另一個配電房繼續給模塊化機房的IT設備和空調設備供電，確保業務連續性。如圖11所示。
2.7接地系統
接地系統是數據中心機房供配電系統的重要組成部分，它直接關系到供電系統的可靠性、安全性。《廣播電視工程工藝接地技術規范》（GY/T5084—2011）對廣電工程類的數據機房接地系統提出了具體規定：有線前端及傳輸網絡機房應采用綜合工程工藝接地系統的聯合接地方式，工藝接地引出點以上的工藝接地部分應與建筑物其它接地系統相對相互絕緣。工藝接地點至少引出2根，接地引出點接地電阻應小于0.5Ω。
根據規范要求，數據中心接地系統分為大樓聯合接地和專用的工藝地，其中工藝地網和大樓地網在地下是相通的，工藝地網框架為30×30m，工藝水平接地體采用直徑為25mm的實心銅質材料組成網格狀鋪設，網格采用6×6m；工藝垂直接地體采用2.5m長，直徑為35mm的銅棒打入地下。先經過實測，接地電阻小于0.5Ω，符合規范要求。
工藝設備電源進入機房后，將電源PE線轉換為工藝地線，如圖12所示。
3供配電系統運行情況分析
江蘇有線三網融合樞紐中心建成后已有5個模塊化數據機房投入運行使用，從2019年元旦至3月底，光華線計劃性停電累計1.5小時，西崗線計劃性停電累計20分鐘，KB1可靠率為99.93%，KB2可靠率為99.99%，發電機累計運行1小時50分鐘，機房樓層配電可靠率為，完全滿足數據中心各類負荷用電需求。
4安科瑞列頭柜及監測產品介紹
隨著數據中心的迅猛發展，數據中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數據中心配電系統方案，是提高數據中心電能使用效率，降低設備能耗的有效方式。
AMC系列數據中心配電系統是針對數據機房末端設計的，能夠綜合采集所有能源數據的智能系統，為交直流電源配電柜提供的電參量信息，并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統，實現對整個數據機房的實時監控和有效管理，為實現綠色IDC提供可靠保證。
4.1配電管理解決方案
4.1.1交流系統
1）功能要求：
遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。
2）配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-E4
電流互感器AKH-0.66-30I-XXA/5A
4.1.2直流系統
1)功能要求
遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；
遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。
2)配置方案-示意圖
配置方案
多功能儀表PZ72L-DE
霍爾傳感器AHKC-F-XXA/5V開關電源SBD-30（48V）
4.2產品規格
說明：■為標配功能。
4.3配套附件
5安科瑞母線槽監測產品介紹
5.1概述
數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來，隨著數據中心建設的快速發展和高需求，智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點，即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊，將數據上傳至動環監控中心。
5.2AMB智能小母線管理系統
1）交流系統功能：
遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
2）直流系統功能：
遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率；
遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關狀態、開關跳閘；
5.3產品介紹
說明：■為標配功能。
6結束語
數據中心往往承載著企業的核心業務，是企業的信息樞紐，供配電系統作為數據中心的核心設施，其網絡架構設計直接關系到供用電的安全性、可靠性和可維護性，因此在數據中心建設計階段，就應該充分考慮各類用電需求，明確不同負荷的用途、用電量和對用電安全等級的要求，根據具體需求設計適用的供配電架構，才能建成一張安全可靠、簡潔高效的供配電網絡，為業務提供穩定的能源保障。
參考文獻：
【1】鐘景華.中國數據中心技術指針[M].機械工業出版社（北京）2014.
【2】鄒芳明，俞小玲，楊曉平. 線網絡數據中心供配電系統架構的設計與實現
【3】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.
【4】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
易允恒，男，本科 安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電
Email：2851375246@qq.com ： QQ：2851375246
