上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司 江苏省南京市 210039
摘要：近几年数据中心机房的数量及规模正在不断壮大，数据中心已经成为体量可观的电力负荷，本文根据多年设计工作经验及工程案例，重点介绍某互联网数据中心的供配电系统的设计。
0概述
近几年大中小型数据中心机房发展迅速，到处都是数据中心，未来的互联网发展是越来越快，云计算、智慧城市等发展肯定是离不开数据中心的。本文通过实际工程案例介绍某数据中心如何提高供电可靠性。
1 工程简介
本工程总建筑面积约66100㎡，共三层。一层建设了冷冻机房、IT小机房、高低压配电室等辅助用房；二、三层分别设置5个IT大机房及配套供配电用房等；室外设柴油发电机组。本次机房可容纳约3400个IT机柜。
参照《数据中心设计规范》GB50174-2017中对机房等级的划分。本数据中心根据用户需求，IT机柜服务器数据丢失会造成重要经济损失及影响，本中数据中心为按A级数据中心机房设计。
2系统架构
结合工艺要求，供配电系统设计遵照分区、分级准则。供配电系统按照2N体系进行架构。供配电系统中将其划分为两个独立的子系统，正常运行时每个子系统供给一半的用电负荷，当一个子系统检修或者故障时，另外一个子系统可以供给全部的用电负荷。用电负荷包括IT设备、空调系统（冷水机组、水泵机组、空调机、通风机等）、水系统、消防系统（FAS）、安防系统（SAS）、照明系统及其他辅助用电设备。
3供电系统
1)负荷计算
该数据中心一层通讯机房按13kW/机柜设计，三层核心机房按6kW/机柜设计，一至三层IT机柜内按6.5kW/机柜，峰值10.6kW/机柜设计，机房整体按照变压器下平均6kW/机柜设计，变压器容量按照正常运行（2N）时单台负荷不超过额定功率的45%设计；根据初步方案规划，总用电负荷（含机柜、空调系统、水系统、消防系统、安防系统等），约:有功功率Pjs=15.0MW，无功功率Qjs=2.9Mvar, 视在功率Sjs=15.3MVA，自然功率因数约为0.98。
2)负荷等级
详细负荷等级划分如表1所示。
表1 负荷等级划分
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3)10kV主结线及高配室的设置
在数据中心机房内新建三间高压配电室，分别设置Ⅰ段10kV市电母线，Ⅱ段10kV市电母线，Ⅲ段柴发系统母线。两路市电的10kV系统采用单母线加手动分段形式供电，采用放射式向供电区域内各台变压器供电，每段柴发系统的10kV母线分别馈出至两段市电10kV母线。
两路10kV市电电源分别引自两个独立的变电所，每路电源正常工作时负荷为7.7MVA，当两路10kV电源的其中一路电源故障时，另一路电源能够带起全部负荷，此时负荷约为15.4MVA，每路容量最大按16.5MVA考虑，每个回路进线电缆最大容量按10kV/1000A配置，进线开关容量按10kV/1250A配置，馈电回路开关容量按10kV/630A配置。
10kV主结线示意图如图1所示。
4)柴油发电机应急电源
为保障合作机房重要负荷设备的供电，设置10kV高压柴油发电机作为应急电源，柴油发电机组的数量按照单机的主要功率进行配置，配置10台/主要功率1800kW、备用功率2000kW，电压等级为10kV的柴发机组（该配置为N+1配置）。
5)运行方式
正常运行时每路高压电源各承担约50%负荷。
当两路10kV电源中的任一路电源突然失去时，为保证机房内设备的正常运行，柴油发电机自启动，发电机并机成功后，通过选择向10kV失电并且另母线供电。当停电时间较长，确认另一路市电正常时，可通过手动操作高压侧母联或设置在低压侧的电源切换装置（先分后合），将失电负载转移到另外一路市电线路上，此时这路市电带100%负荷。柴发手动操作停止。
两路10kV电源全部失电时，柴油发电机组承担10kV失电母线供电。
市电常用电源和柴发应急电源间设联锁，采用自动切换并保证两者不并列运行。
柴发机组启动、并网以及与10kV电源切换完成时间小于120秒。
储油设施油料储备支持满负荷运转不小于8小时，通过与二个加油站协议，保障及时供油，日用油箱具有自动补油功能和油位监测功能。
6)微机保护综合自动化系统
10kV高压柜的二次控制系统采用变电站微机保护综合自动化系统，采用带通讯接口的微机综合保护装置。微机综合保护装置的通讯接口应与SCADA（数据采集监控系统）接口协调，受SCADA监控。
电源进线开关柜设低电压闭锁过流复合保护（可解除闭锁）和带时限电流速断保护（跳闸）、低电压延时报警和跳闸等保护。
配电变压器馈电开关柜设过流和电流速断保护（跳闸）、过负荷报警及延时跳闸保护、过电压和低电压报警及延时跳闸保护、配电变压器超温报警及高温跳闸保护等。
所有二次回路均设故障报警（操作/控制电源失电、分/合闸回路断线、电压互感器熔断器熔断等）；所有故障报警均发预告声光信号、所有事故跳闸均发事故声光信号。
7)电力调度系统
设置一套电力调度系统，用于10kV高压系统、柴发系统、以及低压负荷中心进线和母联的投切自动控制，提高供电系统的快速反应和安全可靠性，降低操作工的劳动强度，减少误操作。
8)低压供配电
在数据中心机房内设置8套低压配电系统，低压配电系统按2N配置。2N配置的变压器正常运行时，单台变压器的负荷率不超过45%，当一台变压器故障时，另一台变压器可带起全部负荷。变压器配置深入负荷中心，干式变压器带防护外壳，与低压配电柜贴邻布置。
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图1 10kV主结线示意图
2N配置的变压器和低压负荷中心正常时400V母线采用单母线分段运行方式，低压侧母线之间设母联，可自动投切。400V进线断路器与母联断路器之间设可靠电气联锁，避免两路电源并列运行。当一台变压器或进线开关故障断电后，通过电力调度系统的判断确认，低压母联断路器自动投入。
低压配电系统采用放射式和树干式相结合的方式。采用TN-S接地方式。
为了确保重要负荷在市电和柴发启动切换过程中的连续供电，配置EPS、UPS或高压直流等应急电源系统。
9)应急电源
弱电设备和一楼通信机房机柜布局按2N配置 UPS供电；数据中心机房内冷冻泵、配电室通信机房内空调、辅助设施等按2N配置EPS供电；应急照明设后备式EPS供电。
UPS电池配置设计单边不少于15分钟，电池采用12V电池，每台UPS配置1组12V电池。
冷冻机、空调EPS电池后备时间为不少于15分钟，电池采用12V电池，每台EPS配置2组12V电池；
应急照明EPS电池后备时间不少于90分钟，电池采用12V电池，每台EPS配置1组12V电池。
10)无功补偿及谐波治理
在动力配电10/0.4kW配电变压器的0.4kW侧装设无功补偿装置，进行集中补偿，应满足功率因素0.93及以上，如不达标需增设电容补偿装置。
在每台给机房供电变压器的低压侧预留1个250A开关作为预留谐波治理用开关，低压侧进线柜上装有电源质量检测仪表，当10kV侧额定运行负荷时交流供电系统内电流谐波畸变率（THD）大于4%时，合理配置有源滤波装置。
4 其它系统
其它电气系统包括照明系统（普通照明、应急照明），防雷与接地系统等，本文不做介绍，可参照GB50174-2017 数据中心设计规范要求进行设计。
5 结束语
对于大规模数据中心机房的项目，对不同系统需采用不同配电等级的供配电系统，存在一定困难，前期需进行详细的设计规划，同时考虑后期预留及扩容的需求，既有利于业主创造出满足不同客户需求的数据中心机房，也有利于降低初期投资及后期运维成本。
参考文献
【1】GB50174-2017 数据中心设计规范【S】.北京：中国计划出版社，2017.
【2】GB50054-2011 低压配电设计规范【S】.北京：中国计划出版社，2012.