张双
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 2018011
摘 要：本文结合重庆某云计算数据中心项目的设计实例，分析了云计算数据中心配电系统设计过程中如何兼顾配电安全性、可靠性和建设成本经济性。总结了一些云计算数据中心供配电系统设计体会。
关键词：云计算数据中心；UPS电源；冗余备份；列头柜
1前言
现在越来越多的厂商开始介入云计算数据中心建设业务，各个地方公有云、私有云、混合云建设齐头并进。一般认为云计算数据中心是一种基于互联网的大规模分布式计算模式，首先利用互联网将各种广域异构资源整合形成资源池，进行统一管理、调度和维护；然后通过互联网，根据服务提供者和用户事先商量好的服务等级协议，按用户需求动态地提供计算存储能力、软件平台和应用软件等服务。在用户看来云资源是可以无限扩展的，可以随时获取，按需使用，按使用付费。云计算数据中心拥有大量IT设备、空调设备及消防设备等，拥有一个持续、可靠、安全的供配电系统尤其重要。在本文中，笔者结合重庆某云计算数据中心的实际设计过程，总结了一些云计算数据中心供配电系统设计体会。
2工程概况
该云计算数据中心位于重庆市两江新区，市政电源条件：4路10kV电源。云计算数据中心分设数据中心楼和动力楼。IT模块设备房、办公管理用房等设于数据中心楼，发电机房、冷冻站房等设于动力楼。
3主要负荷及负荷分级
云计算数据中心用电负荷主要包含四类。第一类是数据中心的主体—IT模块设备，约占总安装容量的60％；第二类是保证IT设备工作在正常环境的公用设备负荷，如：冷冻机组、循环水泵、空调末端设备，约占总安装容量的35％；第三类是消防负荷，如：应急照明、消防泵、喷淋泵，约占总安装容量的2％。第四类是数据中心配套设施负荷，如：办公用房、路灯等，约占总安装容量的3％。除办公用房、路灯属三级负荷外，其它负荷均为一级负荷。一级负荷中如IT模块设备、IT机房空调和消防设备，若将三者视为同一负荷等级，明显不合理。IT模块设备负荷等级明显应高于IT机房空调，消防设备负荷等级则应比前二者低。为了有效、合理的利用市电电源、发电机组电源及UPS电源，根据负荷的重要性及中断供电将造成的人身伤害、社会影响及经济损失程度，本次设计将一级负荷详分为三个等级，即普通一级负荷、重要一级负荷和特别重要一级负荷。为了便于后文的描述，暂且将普通一级负荷命名为T3等级负荷，重要一级负荷命名为T2等级负荷，特别重要一级负荷命名为T1等级负荷。云计算数据中心详细负荷分级详见表1。
表 1 云计算数据中心用电负荷分级
4 10kV电源系统
云计算数据中心主要采用两种10kV电源：市电、柴油发电机组。
数据中心楼和动力楼各引入两路10kV市电，各设一10kV配电系统。由于两10kV配电系统相似，此处以动力楼10kV系统为例作以阐述。动力楼10kV系统采用分段单母线联络接线方式，10kV母线以放射式向各变压器供电。正常情况下两路10kV电源分别向两段母线供电，母线分段开关断开。任一路电源故障停电或检修时，母线分段开关投入运行，由另一路电源向两段母线同时供电。当两路市电均失电时，由10kV柴油发电机组向两段母线同时供电。发电机组与市电设可靠联锁，以防并网运行。
柴油发电机组采用N＋1的冗余备份方式，当检测到两路市电均失电后，柴油发电机组并机启动，达到带载条件后向10kV并机母线提供应急电源。并机母线采用分段单母线联络接线方式，正常情况下发电机组同时向两段并机母线供电，母线分段开关断开。任一组并机系统故障或检修时，另一组并机系统仍可以保证向10kV配电所提供可靠应急电源。每台柴油发电机配备独立的控制系统。在动力楼附近设置一组埋地柴油罐，通过两条相互独立供油管路向各柴油发电机的日用油箱供油，每套供油管路可以满足柴油发电机房所有发电机全部满负荷运行的耗油量。埋地油罐的柴油总储量能保证本工程柴油发电系统满负荷运行72h。
上述10kV电源系统可以在一路或两路市电失电、故障及检修，或任一发电机组并机系统故障及检修，或任一台发电机故障及检修等多种情况下，保证数据中心的正常供电，避免IT系统瘫痪、数据丢失等事故的发生。10kV电源系统接线图参见图1。
图1 10KV电源系统图
5 低压配电系统
低压配电系统也采用分段单母线联络的接线方式。10/0.4kV变电所内变压器自动成对、低压联络，分列运行。变压器容量按2N的冗余备份方式确定，变压器各承担50％的负荷，当其中一台故障时，另一台变压器能承担100％的负荷。
UPS系统主要串接于一级负荷的0.4kV供电回路中。每套UPS系统配置有输入滤波器、逆变器、通信接口、持续供电时间不少于10min的蓄电池组和输出控制柜。输入滤波器控制了谐波对发电机组电压调节器及UPS同步电路的不良影响，使UPS与发电机组间更好的兼容、匹配。每个蓄电池组有一个独立的直流断路器，允许在不关闭UPS的情况下进行并行维修，并配备蓄电池监测系统监测每个电池组、及每节电池的内阻实时状态。输出控制柜，包含有UPS输出开关、系统静态开关、维修旁路开关、负载组开关和馈线开关。
由于各变压器采用市电、柴油发电双电源供电，因此0.4kV系统不再设置柴油发电系统。向一级负荷供电的两路0.4kV电源，引自不同变压器的低压母线，再加上UPS系统的接入，即可保证一级负荷不会被中断供电。下面对不同等级的一级负荷采用不同的供配电系统作以分析。
5.1 T1等级负荷
采用两路0.4kV电源＋UPS供电。UPS采用2N冗余标准配置。两路0.4kV电源供电即可保证T1等级负荷不会被中断供电，但是发电与市电切换时需要大约15s的时间，这对于IT设备供电是不允许的。所以在0.4kV电源配电线路中串接入UPS电源，当发电与市电切换时，T1等级负荷能由UPS蓄电池持续供电。T1等级负荷的UPS采用2N冗余标准配置。当任一套UPS系统故障或检修时，T1等级负荷的供电不受影响。这套配电系统可靠性高，但是建设成本也高，所以只用于向T1等级负荷供电。T1等级负荷配电系统参见图2。
5.2 T2等级负荷
采用两路0.4kV电源＋UPS供电，末端自动切换。UPS采用N＋1冗余标准配置。T2等级负荷与T1等级负荷供配电系统的差异主要是UPS的冗余标准，T2等级负荷采用N＋1冗余标准配置，可以保证T2等级负荷由UPS蓄电池持续供电。当任一台UPS故障或检修时，T2等级负荷的供电不受影响。T2等级负荷配电系统参见图3。
5.3 T3等级负荷
采用两路0.4kV电源供电，末端自动切换，保证T3等级负荷不会被中断供电15s以上。
图 2 T1 等级负荷配电系统图
图 3 T2 等级负荷配电系统图
6 IT模块的末端配电系统
IT模块末端配电系统同其它一级负荷有所不同，它需要两路电源同时工作，且两路电源都能承担100％IT负荷，其次它加入了列头柜。每个IT模块各从一个列头柜引一路电源，通过IT模块自带的电源转换设备，将两路交流电源转换成两路直流稳压电源，通过由两个具有共阴极的二极管构成的共模驱动电路向IT设备供电。
列头柜主要起配电、监控、测量、保护、通信等作用，内设进出线断路器、电能质量管理监控模块、浪涌保护模块等并预留双绕组变压器安装空间。利用双绕组变压器二次侧另起的TN-S系统，使N线与PE线间的电压为0V。避免当N线与PE线间电压高于IT设备信息电压时，导致的IT设备锁定事故。另外，UPS配电柜的输出分路有限，而列头柜可以按IT模块的需求进行优化配置，可以做到几十上百个单相、三相回路出线，从而解决了UPS配电柜分路不足的问题，而且便于分支回路的故障检修，大大提高了整个配电系统的容错性。电能质量管理监控模块及浪涌保护模块的应用，保证了配电系统后台监控、管理的通讯畅通，以及避免了瞬态过电压对配电系统造成的危害。
7 安科瑞ANDPF精密列头柜介绍
7.1产品介绍
随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越突出，可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。
AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供准确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。
7.2安科瑞精密配电产品解决方案
1）交流系统
功能要求
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、频率、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相，过流，频率过高/过低，输入分路的开关状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、频率等参数的越限报警功能。
配置方案如图4，
图4 交流系统配置方案
2）直流系统
功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态，具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
配置方案如图5，
图5 直流系统配置方案
7.3产品选型
外形及尺寸 型号 功能
表2 精密列头柜产品选型表
8 安科瑞智能小母线监控系统介绍
8.1产品介绍
针对数据中心智能小母线的监控要求,安科瑞推出了AMB系列小母线监控解决方案，该方案包括采集模块、配套附件、监控系统,能对母线运行过程中的各种参数进行监控，发生故障则进行告警，以保证系统稳定运行。
AMB检测单元是针对数据中心智能小母线插接箱/始端箱的监控要求新设计的产品，该检测单元安装固定在插接箱/始端箱内部，插接箱/始端箱采用方式与母线连通，它集成全部电力参数的测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数)以及电能监测和考核管理。同时可以实时监控母线接口温度，配合2路Rs45通讯接口（1进1出）或LORA无线通讯，采用MODBUS-RTU协议可以方便可靠的将监测数据上传至主控箱和后台系统，保证系统安全可靠运行。
8.2产品选型
安科瑞智能母线测控仪表选型如表3，
表3 安科瑞智能母线测控仪表选型表
注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系统、D-直流系统可选配AMB10显示器，显示器只循环显示电压、电流参数。
9 结束语
云计算数据中心供配电系统应做到安全可靠、技术先进、经济合理。本次设计对市电、发电及UPS电源进行合理、充分组合，引入列头柜等先进设备，使数据中心在市电停电，设备故障、检修，线路故障、检修等各种情况下正常运行。另外，通过对一级负荷进行再次分级，保证可靠性高的、建设成本高的供配电系统向重要的负荷供电，从而兼顾了供电可靠性和建设成本。
【参考文献】
[1]《低压配电设计规范》（GB50054-2011）.中国计划出版社.
[2]洪健.云计算数据中心供配电系统浅述[J].电力技术资讯,2013,(12):83-85．
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：
张双，女，本科安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为数据中心精密配电监控系统
手机：13916280434（微信同号）；QQ:2885039098；邮箱:2885039098@qq.com
