董绍兵, 郑 凯, 袁松林
(1.浙江大学平衡建筑研究中心, 浙江 杭州 310000;2.浙江大学建筑设计研究院有限公司, 浙江 杭州 310000)
随着物联网、5G通信、大数据、云计算、边缘计算的发展,高灵活性、高可靠性、高可用性和弹性的数据中心设计方案被从业者不断地探索和追求。如何构建一个既能确保电子信息系统安全、稳定、可靠地运行,又能做到技术先进、经济合理、安全适用、节能环保[1-7]的数据中心,不同的用户和运营者有着不同的理解。本文提出了综合考虑安装空间、后期增容、施工周期和总体拥有成本等因素的数据中心电气设计方案。
某科创园区内A10#楼设置数据中心,按GB 50174—2017《数据中心设计规范》B级进行设计[8]。数据中心楼层功能分布示意图如图1所示,地下一层主要为20 kV配电室、A10#变电所、A11#变电所、冷冻机房、蓄冷室等;一层为A12#变电所、UPS配电间、蓄电池室等;二层为A13#变电所、UPS配电间、蓄电池室等;三层和四层为服务器机房;五层及以上为试验室。数据中心机房共设置13组微模块,IT机柜320台,其中包括5 kW机柜38台,8 kW机柜182台,20 kW机柜100台。
图1 数据中心楼层功能分布示意图
电子信息设备由不间断电源系统(UPS)供电,采用2 N系统;地下室设置满足15 min应急供冷的蓄冷罐,冷冻水泵、列间空调,由UPS供电。根据负荷计算,两路20 kV电源引自市政电网,可满足双重电源供电要求,A10#楼设置4个20 kV变电所,每个变电所均设置2台变压器,为数据中心供电的变压器满足容错要求,负载率不大于50%,变电所设置情况如表1所示,装机容量合计12 800 kVA。数据中心设置UPS配电室3个,按2 N设置UPS,每台UPS需配置自动转换旁路(静态旁路)、手动维修旁路,UPS设置情况如表2所示,装机容量合计8 000 kVA,各UPS均按备用时间15 min设置电池。
表1 变电所设置情况
表2 UPS设置情况
制冷机房设置3台功率为390 kW的变频水冷离心式机组,机组两用一备。夏季及过渡季冷水机组供冷;冬季板式冷水换热器+冷却塔供冷。提出了3种供电方案,冷水机组供电方案一接线示意图如图2所示,冷水机组供电方案二接线示意图如图3所示,冷水机组供电方案三接线示意图如图4所示,冷水机组供电方案对比如表3所示。
图2 冷水机组供电方案一接线示意图
图3 冷水机组供电方案二接线示意图
图4 冷水机组供电方案三接线示意图
(1) 方案一。3台冷水机组集中设置自动转换开关。传统自动转换开关电气单线图如图5所示,若采用如图5所示的传统自动转换开关,开关故障或检修维护时,冷水机组全部无法工作,无法保证数据机房的正常运行。带旁路隔离的自动转换开关电气单线图如图6所示,若采用如图6所示的带旁路隔离的自动转换开关,开关发生故障或检修维护时,可使用旁路开关保障供电可靠性,但该开关成本较高、占用空间大、开关故障时需人工操作保障供电连续性。
(2) 方案二。3台冷水机组分别设置自动转换开关。
表3 冷水机组供电方案对比
图5 传统自动转换开关电气单线图
(3) 方案三。冷水机组1#和冷水机组2#分别接至不同变压器的低压母线,冷水机组3#设置自动转换开关。
方案二和方案三均可保证一次意外事故后和单系统设备维护或检修时2台冷水机组正常工作,供电可靠性和维护简洁性相同。方案三较方案二减少2个自动转换开关和2个断路器,设备成本低,安装占用空间小。综合对比分析结果,本工程采用方案三。
UPS供电方案一接线示意图如图7所示,UPS供电方案二接线示意图如图8所示,UPS供电方案三接线示意图如图9所示,以三楼服务器机房为例,提出了如图7～图9所示的3种供电方案。各UPS供电方案对比如表4所示。模块化UPS示意图如图10所示,各方案中的UPS均采用如图10所示的模块化UPS,输入输出均自带隔离开关。
图7 UPS供电方案一接线示意图
(1) 方案一。由A12#变电所至2#UPS配电间的UPS均采用电缆放射式供电。
(2) 方案二。由A12#变电所至2#UPS配电间采用密集型母线槽供电,UPS的进线和出线均采用单芯电缆连接。
(3) 方案三。将A12#变电所和2#UPS配电间合并设置,变压器、低压配电柜、UPS等一体化集成,配电、监控等系统在工厂内完成预安装。
除了UPS和电池之间采用电缆外,其余所有连接导体均采用铜排连接。3个方案的安装占用空间、采购成本和安装周期依次减少,产品集成度依次提升。综合对比分析结果,本工程采用方案三。
图8 UPS供电方案二接线示意图
图9 UPS供电方案三接线示意图
表4 各UPS供电方案对比
承担电源分配和电气参数监测功能的配电列头柜一直在服务器机柜配电链路中扮演着重要角色,近年来,轨道滑触式母线槽配电方案因其占用空间小、安装及维护简单、集成度高和相对灵活扩容等特点,逐渐得到业内的认可和青睐。服务器机柜供电方案对比如表5所示。当服务器后期需要频繁增减且功率变换较大时,采用轨道滑触式母线虽然增加初设投资,但后期改造的线缆投资和时间成本相对较低。实际上,如果上级的变压器及导体和空调系统不增容改造,即使采用了轨道滑触式母线槽配电,数据机房服务器扩容的空间也仍然有限。考虑到本工程的5 kW和8 kW的服务器机柜后期变化较小,故采用列头柜+电缆的配电方案;20 kW的超算机柜后期变化相对较大且机房空间紧张,故采用轨道滑触式母线槽配电。
图10 模块化UPS示意图
表5 服务器机柜供电方案对比
常用的蓄电池有锂离子蓄电池和铅酸蓄电池,锂电池与铅酸电池性能参数对比如表6所示。从表6中可以看出,锂电池的循环性能要明显优于铅酸电池,且体积和质量比铅酸电池要小,但在民用建筑内附建的数据中心存在灭火技术不成熟、起火爆炸等风险。考虑到五层及以上均为人员密集的试验室,且具有锂电池成本高、维护复杂和难回收等特点,本工程采用阀控式铅酸蓄电池。
表6 锂电池与铅酸电池性能参数对比
面对不同的需求、投资和运维能力,数据中心的设计方案是灵活多样的,在满足各方要求和后期经营需求的同时,优秀的设计应该综合考虑前期投资和后期维护成本之和,使得总体拥有成本最低。
猜你喜欢冷水机组机柜变电所DCS机柜用电现状分析仪器仪表用户(2021年10期)2021-11-27大型产业园区变电所方案设计智能建筑电气技术(2021年6期)2021-03-28铁路牵引变电所无线电干扰特性的研究铁道通信信号(2020年3期)2020-09-21水冷磁悬浮变频离心式冷水机组上海节能(2020年3期)2020-04-13一种计算机联锁机柜工程图纸的自动化生成方法铁道通信信号(2020年9期)2020-02-06BIM技术在铁路信号室内机柜布置中的应用研究铁道通信信号(2019年4期)2019-10-10精品样板机电信息(2018年10期)2018-04-25变电所如何快速查找直流系统接地海峡科技与产业(2016年3期)2016-05-17基于WSN的变电所监控系统的研发电源技术(2015年5期)2015-08-22聚酯工厂DCS机柜盘内布置概述自动化博览(2014年7期)2014-02-28