淺談云計算數據中心供配電系統的應用

關鍵詞：云計算數據中心；UPS電源；冗余備份；列頭柜

1前言

        現在越來越多的廠商開始介入云計算數據中心建設業務，各個地方公有云、私有云、混合云建設齊頭并進。一般認為云計算數據中心是一種基于互聯網的大規模分布式計算模式，首先利用互聯網將各種廣域異構資源整合形成資源池，進行統一管理、調度和維護；然后通過互聯網，根據服務提供者和用戶事先商量好的服務等級協議，按用戶需求動態地提供計算存儲能力、軟件平臺和應用軟件等服務。在用戶看來云資源是可以無限擴展的，可以隨時獲取，按需使用，按使用付費。云計算數據中心擁有大量IT設備、空調設備及消防設備等，擁有一個持續、可靠、安全的供配電系統尤其重要。在本文中，筆者結合重慶某云計算數據中心的實際設計過程，總結了一些云計算數據中心供配電系統設計體會。

2工程概況

        該云計算數據中心位于重慶市兩江新區，市政電源條件：4路10kV電源。云計算數據中心分設數據中心樓和動力樓。IT模塊設備房、辦公管理用房等設于數據中心樓，發電機房、冷凍站房等設于動力樓。

3主要負荷及負荷分級

        云計算數據中心用電負荷主要包含四類。第一類是數據中心的主體—IT模塊設備，約占總安裝容量的60％；第二類是保證IT設備工作在正常環境的公用設備負荷，如：冷凍機組、循環水泵、空調末端設備，約占總安裝容量的35％；第三類是消防負荷，如：應急照明、消防泵、噴淋泵，約占總安裝容量的2％。第四類是數據中心配套設施負荷，如：辦公用房、路燈等，約占總安裝容量的3％。除辦公用房、路燈屬三級負荷外，其它負荷均為一級負荷。一級負荷中如IT模塊設備、IT機房空調和消防設備，若將三者視為同一負荷等級，明顯不合理。IT模塊設備負荷等級明顯應高于IT機房空調，消防設備負荷等級則應比前二者低。為了有效、合理的利用市電電源、發電機組電源及UPS電源，根據負荷的重要性及中斷供電將造成的人身傷害、社會影響及經濟損失程度，本次設計將一級負荷詳分為三個等級，即普通一級負荷、重要一級負荷和特別重要一級負荷。為了便于后文的描述，暫且將普通一級負荷命名為T3等級負荷，重要一級負荷命名為T2等級負荷，特別重要一級負荷命名為T1等級負荷。云計算數據中心詳細負荷分級詳見表1。

表 1 云計算數據中心用電負荷分級

4 10kV電源系統

        云計算數據中心主要采用兩種10kV電源：市電、柴油發電機組。

        數據中心樓和動力樓各引入兩路10kV市電，各設一10kV配電系統。由于兩10kV配電系統相似，此處以動力樓10kV系統為例作以闡述。動力樓10kV系統采用分段單母線聯絡接線方式，10kV母線以放射式向各變壓器供電。正常情況下兩路10kV電源分別向兩段母線供電，母線分段開關斷開。任一路電源故障停電或檢修時，母線分段開關投入運行，由另一路電源向兩段母線同時供電。當兩路市電均失電時，由10kV柴油發電機組向兩段母線同時供電。發電機組與市電設可靠聯鎖，以防并網運行。

        柴油發電機組采用N＋1的冗余備份方式，當檢測到兩路市電均失電后，柴油發電機組并機啟動，達到帶載條件后向10kV并機母線提供應急電源。并機母線采用分段單母線聯絡接線方式，正常情況下發電機組同時向兩段并機母線供電，母線分段開關斷開。任一組并機系統故障或檢修時，另一組并機系統仍可以保證向10kV配電所提供可靠應急電源。每臺柴油發電機配備獨立的控制系統。在動力樓附近設置一組埋地柴油罐，通過兩條相互獨立供油管路向各柴油發電機的日用油箱供油，每套供油管路可以滿足柴油發電機房所有發電機全部滿負荷運行的耗油量。埋地油罐的柴油總儲量能保證本工程柴油發電系統滿負荷運行72h。

        上述10kV電源系統可以在一路或兩路市電失電、故障及檢修，或任一發電機組并機系統故障及檢修，或任一臺發電機故障及檢修等多種情況下，保證數據中心的正常供電，避免IT系統癱瘓、數據丟失等事故的發生。10kV電源系統接線圖參見圖1。

 

圖1 10KV電源系統圖

5 低壓配電系統

        低壓配電系統也采用分段單母線聯絡的接線方式。10/0.4kV變電所內變壓器自動成對、低壓聯絡，分列運行。變壓器容量按2N的冗余備份方式確定，變壓器各承擔50％的負荷，當其中一臺故障時，另一臺變壓器能承擔100％的負荷。

        UPS系統主要串接于一級負荷的0.4kV供電回路中。每套UPS系統配置有輸入濾波器、逆變器、通信接口、持續供電時間不少于10min的蓄電池組和輸出控制柜。輸入濾波器控制了諧波對發電機組電壓調節器及UPS同步電路的不良影響，使UPS與發電機組間更好的兼容、匹配。每個蓄電池組有一個獨立的直流斷路器，允許在不關閉UPS的情況下進行并行維修，并配備蓄電池監測系統監測每個電池組、及每節電池的內阻實時狀態。輸出控制柜，包含有UPS輸出開關、系統靜態開關、維修旁路開關、負載組開關和饋線開關。

        由于各變壓器采用市電、柴油發電雙電源供電，因此0.4kV系統不再設置柴油發電系統。向一級負荷供電的兩路0.4kV電源，引自不同變壓器的低壓母線，再加上UPS系統的接入，即可保證一級負荷不會被中斷供電。下面對不同等級的一級負荷采用不同的供配電系統作以分析。

5.1 T1等級負荷

        采用兩路0.4kV電源＋UPS供電。UPS采用2N冗余標準配置。兩路0.4kV電源供電即可保證T1等級負荷不會被中斷供電，但是發電與市電切換時需要大約15s的時間，這對于IT設備供電是不允許的。所以在0.4kV電源配電線路中串接入UPS電源，當發電與市電切換時，T1等級負荷能由UPS蓄電池持續供電。T1等級負荷的UPS采用2N冗余標準配置。當任一套UPS系統故障或檢修時，T1等級負荷的供電不受影響。這套配電系統可靠性高，但是建設成本也高，所以只用于向T1等級負荷供電。T1等級負荷配電系統參見圖2。

5.2 T2等級負荷

        采用兩路0.4kV電源＋UPS供電，末端自動切換。UPS采用N＋1冗余標準配置。T2等級負荷與T1等級負荷供配電系統的差異主要是UPS的冗余標準，T2等級負荷采用N＋1冗余標準配置，可以保證T2等級負荷由UPS蓄電池持續供電。當任一臺UPS故障或檢修時，T2等級負荷的供電不受影響。T2等級負荷配電系統參見圖3。

5.3 T3等級負荷

        采用兩路0.4kV電源供電，末端自動切換，保證T3等級負荷不會被中斷供電15s以上。

圖 2 T1 等級負荷配電系統圖

圖 3 T2 等級負荷配電系統圖

6 IT模塊的末端配電系統

        IT模塊末端配電系統同其它一級負荷有所不同，它需要兩路電源同時工作，且兩路電源都能承擔100％IT負荷，其次它加入了列頭柜。每個IT模塊各從一個列頭柜引一路電源，通過IT模塊自帶的電源轉換設備，將兩路交流電源轉換成兩路直流穩壓電源，通過由兩個具有共陰極的二極管構成的共模驅動電路向IT設備供電。

        列頭柜主要起配電、監控、測量、保護、通信等作用，內設進出線斷路器、電能質量管理監控模塊、浪涌保護模塊等并預留雙繞組變壓器安裝空間。利用雙繞組變壓器二次側另起的TN-S系統，使N線與PE線間的電壓為0V。避免當N線與PE線間電壓高于IT設備信息電壓時，導致的IT設備鎖定事故。另外，UPS配電柜的輸出分路有限，而列頭柜可以按IT模塊的需求進行優化配置，可以做到幾十上百個單相、三相回路出線，從而解決了UPS配電柜分路不足的問題，而且便于分支回路的故障檢修，大大提高了整個配電系統的容錯性。電能質量管理監控模塊及浪涌保護模塊的應用，保證了配電系統后臺監控、管理的通訊暢通，以及避免了瞬態過電壓對配電系統造成的危害。

7 安科瑞ANDPF精密列頭柜介紹

7.1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，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系列數據中心精密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準確的電參量信息，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。

7.2安科瑞精密配電產品解決方案

        1）交流系統

        功能要求

        遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、頻率、有功功率、有功電度；

        遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相，過流，頻率過高/過低，輸入分路的開關狀態，具備電流、功率需用量分析和統計，實現電壓、電流、頻率等參數的越限報警功能。

配置方案如圖4，

圖4 交流系統配置方案

        2）直流系統

        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、功率等參數的越限報警功能。

配置方案如圖5，

圖5 直流系統配置方案

7.3產品選型

外形及尺寸 型號 功能

表2 精密列頭柜產品選型表

8 安科瑞智能小母線監控系統介紹

8.1產品介紹

        針對數據中心智能小母線的監控要求,安科瑞推出了AMB系列小母線監控解決方案，該方案包括采集模塊、配套附件、監控系統,能對母線運行過程中的各種參數進行監控，發生故障則進行告警，以保證系統穩定運行。

        AMB檢測單元是針對數據中心智能小母線插接箱/始端箱的監控要求新設計的產品，該檢測單元安裝固定在插接箱/始端箱內部，插接箱/始端箱采用方式與母線連通，它集成全部電力參數的測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、頻率、功率因數)以及電能監測和考核管理。同時可以實時監控母線接口溫度，配合2路Rs45通訊接口（1進1出）或LORA無線通訊，采用MODBUS-RTU協議可以方便可靠的將監測數據上傳至主控箱和后臺系統，保證系統安全可靠運行。

8.2產品選型

安科瑞智能母線測控儀表選型如表3，

表3 安科瑞智能母線測控儀表選型表

注：AMB100用于始端箱、AMB110用于插接箱、A-交流系統、D-直流系統可選配AMB10顯示器，顯示器只循環顯示電壓、電流參數。

9 結束語

云計算數據中心供配電系統應做到安全可靠、技術先進、經濟合理。本次設計對市電、發電及UPS電源進行合理、充分組合，引入列頭柜等先進設備，使數據中心在市電停電，設備故障、檢修，線路故障、檢修等各種情況下正常運行。另外，通過對一級負荷進行再次分級，保證可靠性高的、建設成本高的供配電系統向重要的負荷供電，從而兼顧了供電可靠性和建設成本。

 

【參考文獻】

[1]《低壓配電設計規范》（GB50054-2011）.中國計劃出版社.

[2]洪健.云計算數據中心供配電系統淺述[J].電力技術資訊,2013,(12):83-85．

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.

 

 

作者簡介：

宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）