摘 要：結(jié)合某A級(jí)數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)實(shí)例，就數(shù)據(jù)中心配電設(shè)計(jì)中的一些特殊要求進(jìn)行分析研討，包括數(shù)據(jù)中心負(fù)荷等級(jí)及供電要求、負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及變壓器容量選擇方法、自備電源形式與容量確定、10/0.4 kV主接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及連續(xù)制冷設(shè)備供電方式等內(nèi)容，給出了項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及平面布置。

關(guān)鍵詞：冷源系統(tǒng);供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì);負(fù)荷等級(jí);數(shù)據(jù)中心;連續(xù)制冷

0? 引言

在新的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下，國(guó)家提出向新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略。所謂“新基建”主要指以5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為代表的新型基礎(chǔ)設(shè)施，本質(zhì)上是信息數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)據(jù)中心作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，將為我國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供重要支撐。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房?jī)?nèi)集中設(shè)置了大量計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等IT設(shè)備，對(duì)信息進(jìn)行集中處理、存儲(chǔ)、傳輸、交換和管理。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)持續(xù)釋放熱量，一旦冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障，IT機(jī)柜和機(jī)房?jī)?nèi)溫度就會(huì)迅速攀升。通常持續(xù)10 min左右，環(huán)境溫度就會(huì)超過(guò)IT設(shè)備的允許溫升限值，易導(dǎo)致服務(wù)器性能降低甚至宕機(jī)等重大事故。制冷與空調(diào)系統(tǒng)屬于支持電子信息系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保障設(shè)施，數(shù)據(jù)中心需要設(shè)置以全年制冷為主的空調(diào)系統(tǒng)，才能保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。

1? 工程概況

本工程由一棟主樓和蓄能罐構(gòu)筑物組成，主樓地上10層，地下2層。地上部分為數(shù)據(jù)中心機(jī)房、配電房、柴油發(fā)電機(jī)房及相應(yīng)管理和輔助區(qū)，為數(shù)據(jù)中心服務(wù)的冷源機(jī)房布置于地下二層，地下一層為冷源配電房、汽車庫(kù)等用房。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷對(duì)經(jīng)濟(jì)或社會(huì)造成的損失或影響程度，數(shù)據(jù)中心可劃分為A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)三個(gè)等級(jí)，各等級(jí)所承載的電子信息業(yè)務(wù)的重要程度也有所差異。根據(jù)建設(shè)方的要求和定位，本工程的數(shù)據(jù)中心按照A級(jí)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

冷源系統(tǒng)采用冷水機(jī)組+水蓄冷冗余備份方式，系統(tǒng)配置4臺(tái)冷水機(jī)組，包括3臺(tái)10 kV離心冷水機(jī)組和1臺(tái)0.4 kV變頻磁懸浮機(jī)組，3用1備。每套冷水機(jī)組分別配有相應(yīng)的冷卻、冷凍泵組。冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵等設(shè)備采用N+1冗余原則設(shè)置，任何一套機(jī)組、設(shè)備發(fā)生故障或維護(hù)都不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心有連續(xù)供冷需求，本工程設(shè)置水蓄冷裝置，蓄冷時(shí)間需滿足信息機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行要求。

冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)系統(tǒng)，為保證供水安全，冷凍水管路采用雙路供水，以滿足無(wú)單點(diǎn)故障要求。

2? 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 負(fù)荷等級(jí)及供電要求

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）中相關(guān)規(guī)定，數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目在選址、環(huán)境、建筑和結(jié)構(gòu)、空調(diào)、給排水、供配電系統(tǒng)等各方面的配套設(shè)施均應(yīng)符合相應(yīng)等級(jí)的技術(shù)要求。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)供電系統(tǒng)可用性要求極高，需采取容錯(cuò)措施。所謂容錯(cuò)，即具有兩套或兩套以上的系統(tǒng)，在同一時(shí)刻，至少有一套系統(tǒng)維持正常工作，不受計(jì)劃內(nèi)維護(hù)、測(cè)試和改造活動(dòng)以及設(shè)備故障、意外事故、操作失誤等計(jì)劃外活動(dòng)的影響。

機(jī)房制冷與空調(diào)設(shè)施以及為其提供電力支持的供配電系統(tǒng)應(yīng)與數(shù)據(jù)中心的整體性能等級(jí)保持一致，A級(jí)數(shù)據(jù)中心的冷源應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷考慮。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50052—2009）要求，一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，同時(shí)須設(shè)置應(yīng)急電源，電源的切換時(shí)間應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。數(shù)據(jù)中心應(yīng)急電源常采用柴油發(fā)電機(jī)組和不間斷電源系統(tǒng)（UPS）。當(dāng)數(shù)據(jù)中心容量巨大，周邊電力資源較為豐富，且供電可靠性滿足要求時(shí)，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路代替柴油發(fā)電機(jī)組。

項(xiàng)目基地附近新建有110/10 kV市政變電站，由兩路110 kV電源供電。經(jīng)和供電部門商榷，數(shù)據(jù)中心采用多路10 kV電源供電，專線接入。單路10 kV線路最大輸送容量按12 000 kVA左右考慮，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，共需8條線路，其中6路10 kV電源為數(shù)據(jù)中心主機(jī)房及輔助區(qū)配電，2路為冷源系統(tǒng)配電。為同一個(gè)10/0.4 kV變電所供電的2路電源須分別引自110 kV變電站不同10 kV母線段，才能保證兩路市電的獨(dú)立性，符合雙重電源標(biāo)準(zhǔn)。

本工程供電系統(tǒng)架構(gòu)采用2N冗余方式。供電系統(tǒng)由兩個(gè)對(duì)稱的供電單元組成，兩個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行，互為備用，正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)單元各為50%負(fù)載供電，當(dāng)一個(gè)單元停運(yùn)時(shí)，切換至另一個(gè)單元為全部負(fù)載供電。冷源配電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2? 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及變壓器容量選擇

數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：

（1）3臺(tái)10 kV離心冷水機(jī)組，其中1臺(tái)備用，單臺(tái)機(jī)組額定功率1 735 kW，配套冷凍、冷卻水泵3組，每組450 kW。

（2）1臺(tái)0.4 kV磁懸浮冷水機(jī)組，機(jī)組額定功率650 kW，配套冷凍、冷卻水泵共250 kW。

（3）8臺(tái)冷卻塔，每臺(tái)72 kW，1臺(tái)冗余。

（4）2組蓄能裝置冷凍水循環(huán)泵，共660 kW，應(yīng)急時(shí)運(yùn)行，和其他設(shè)備不同時(shí)使用。

（5）機(jī)房輔助設(shè)備，包括補(bǔ)水、軟化水、加藥裝置等，約30 kW。

（6）空調(diào)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)用電，約20 kW，包括各類控制器、電動(dòng)控制閥、儀表用電。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冷源系統(tǒng)設(shè)備總?cè)萘繛? 009 kW，其中低壓用電設(shè)備2 804 kW，低壓系統(tǒng)總計(jì)算負(fù)荷為2 520 kW。

按照A級(jí)數(shù)據(jù)中心技術(shù)要求，變壓器需采用2N冗余配置。每臺(tái)變壓器正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載率均應(yīng)小于50%。變壓器低壓側(cè)采用單母線分段運(yùn)行，正常時(shí)每臺(tái)變壓器分列運(yùn)行。當(dāng)一臺(tái)變壓器故障或者檢修退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)變壓器能負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷，且所帶全部負(fù)荷不超過(guò)其額定容量。據(jù)此，共選擇4臺(tái)1 600 kVA變壓器，正常運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)變壓器負(fù)載率約為45%，單臺(tái)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載率為90%。

2.3? 柴油發(fā)電機(jī)組選擇

A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置自備電源，自備電源應(yīng)能滿足電子信息設(shè)備、制冷系統(tǒng)設(shè)備、照明、安全及其他相關(guān)負(fù)載的總?cè)萘啃枨?，在市電全部停電時(shí)，其能夠有效保證數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行。A級(jí)數(shù)據(jù)中心后備柴油發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)應(yīng)采用“N+X”冗余（X=1～N）。

按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出功率分為4種——持續(xù)功率（COP）、基本功率（PRP）、限時(shí)運(yùn)行功率（LTP）和應(yīng)急備用功率（ESP）。其中，持續(xù)功率（COP）為恒定負(fù)載持續(xù)供電的最大功率，且每年運(yùn)行時(shí)間不受限制。基本功率（PRP）為可變負(fù)載持續(xù)供電的最大功率，且每年運(yùn)行時(shí)間不受限制，24 h運(yùn)行周期內(nèi)允許的平均功率輸出不超過(guò)PRP的70%。數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷通常比較平穩(wěn)，并且需不限時(shí)持續(xù)供電，因此，應(yīng)以COP功率選擇發(fā)電機(jī)組容量，或者以70%的PRP功率進(jìn)行選擇。LTP和ESP均有年運(yùn)行時(shí)間限制，一般只作為消防等應(yīng)急電源使用。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本工程總計(jì)算負(fù)荷約為19 000 kW，需柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源，容量較大，用電設(shè)備中還包括10 kV冷水機(jī)組，綜上考慮，本工程采用10 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為自備電源。發(fā)電機(jī)組容量選擇可按照下述方法進(jìn)行計(jì)算，并取其中較大者。

（1）按穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量。

（2）按最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的需要，計(jì)算發(fā)電機(jī)容量。

（3）按啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)母線允許電壓降計(jì)算柴油發(fā)電機(jī)容量。

具體計(jì)算過(guò)程可參見(jiàn)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版，本文不再贅述。

設(shè)計(jì)選擇15臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組COP≥1 800 kW。發(fā)電機(jī)分為兩組，其中7臺(tái)（N+1）發(fā)電機(jī)構(gòu)成第一套并機(jī)系統(tǒng)，為冷源系統(tǒng)和部分?jǐn)?shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載提供后備電源;8臺(tái)（N+1）發(fā)電機(jī)構(gòu)成第二套并機(jī)系統(tǒng)，為其余負(fù)載供電。發(fā)電機(jī)組均安裝在建筑首層，利于通風(fēng)散熱。10 kV發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，冗余方式為N+1，N=6。

2.4? 10/0.4 kV主接線系統(tǒng)

2.4.1? 運(yùn)行方式

10/0.4 kV變電所高壓側(cè)采用單母線分段運(yùn)行，兩段母線之間設(shè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。正常工作時(shí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，兩路10 kV電源同時(shí)工作，分別向兩段母線供電。當(dāng)任一路10 kV電源故障跳閘后，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)手動(dòng)或自動(dòng)合閘投入，由另一路電源負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷，停電側(cè)市電恢復(fù)后，雙路市電正常運(yùn)行。兩路市電的備用和切換功能由計(jì)算機(jī)綜合繼電保護(hù)裝置完成。

變壓器低壓側(cè)采用單母線分段運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)與主開(kāi)關(guān)之間設(shè)閉鎖裝置，當(dāng)一臺(tái)變壓器故障或者檢修退出運(yùn)行時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘，另一臺(tái)變壓器能負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷。

近年來(lái)，10 kV電源切換開(kāi)關(guān)產(chǎn)品逐漸成熟并開(kāi)始廣泛使用，本工程發(fā)電機(jī)電源和市電的切換采用成套自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（ATSE）。當(dāng)ATSE檢測(cè)到兩路市電均失電后，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)延時(shí)啟動(dòng)，ATSE檢測(cè)到發(fā)電機(jī)側(cè)電源帶電后，自動(dòng)切換至發(fā)電機(jī)電源供電。當(dāng)市電恢復(fù)后，可手動(dòng)或者自動(dòng)恢復(fù)到市電供電狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組經(jīng)延時(shí)停機(jī)。市電和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電源切換功能由ATSE自動(dòng)完成。10/0.4 kV主接線系統(tǒng)如圖3所示。

在圖3中，斷路器S1、S2、S3設(shè)置電氣連鎖，同時(shí)只能有2只開(kāi)關(guān)閉合。ATSE具備機(jī)械和電氣聯(lián)鎖，防止市電和發(fā)電機(jī)電源并列運(yùn)行。10 kV市電和發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)聯(lián)鎖關(guān)系如表1所示。

2.4.2? 無(wú)功補(bǔ)償

按照電力部門規(guī)定，用戶無(wú)功容量應(yīng)就地平衡，用戶在高峰負(fù)荷時(shí)的功率因數(shù)，10 kV用戶、容量在100 kVA及以上的用戶不應(yīng)低于0.95。冷水機(jī)組、水泵等設(shè)備滿負(fù)荷功率因素均在0.9以下，正常運(yùn)行時(shí)，一般在0.85左右，因此需設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置。

低壓供電的設(shè)備眾多，容量較小，布置分散，一般采用成套電容補(bǔ)償裝置，在變電所0.4 kV側(cè)集中補(bǔ)償。

用電設(shè)備含有10 kV冷水機(jī)組，因此高壓側(cè)也應(yīng)設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償。由于單臺(tái)10 kV機(jī)組容量較大，負(fù)荷平穩(wěn)且處于長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，可采用每臺(tái)機(jī)組單獨(dú)就地補(bǔ)償方式，電容補(bǔ)償裝置結(jié)合機(jī)組啟動(dòng)柜成套設(shè)置，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)就地布置。

2.5? 低壓配電系統(tǒng)要求

A級(jí)數(shù)據(jù)中心的空調(diào)設(shè)備應(yīng)采用兩路供電及末端切換的方式。為消除單點(diǎn)故障，低壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器可選擇具有旁路功能的產(chǎn)品，在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)本體檢修或故障時(shí)，不影響電源的連續(xù)工作。

空調(diào)系統(tǒng)在進(jìn)行任何一個(gè)組件維護(hù)檢修時(shí)，冗余配置的組件介入并承擔(dān)故障組件的工作，系統(tǒng)仍能保證制冷需求。為達(dá)到整體性能要求，配電系統(tǒng)應(yīng)和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)策略一致，當(dāng)配電設(shè)備發(fā)生故障和維護(hù)時(shí)，不能多臺(tái)空調(diào)設(shè)備同時(shí)停運(yùn)，失去冗余功能。以冷卻塔配電系統(tǒng)為例，本工程冷源系統(tǒng)共設(shè)置了8臺(tái)冷卻塔，N+1冗余，根據(jù)上述要求，其配電系統(tǒng)應(yīng)采用放射式，每臺(tái)冷卻塔從變電所單獨(dú)引接兩路電源，并于末端配電箱設(shè)置自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，保證在任何一臺(tái)冷卻塔配電回路故障退出運(yùn)行時(shí)，不影響其余設(shè)備繼續(xù)工作。

2.6? 連續(xù)制冷設(shè)備供電方式

本工程采用蓄冷罐作為連續(xù)制冷的保障措施。當(dāng)供電電源切換，冷水機(jī)組需要重新啟動(dòng)，或因供電電源中斷而停機(jī)時(shí)，空調(diào)冷源由蓄冷裝置提供連續(xù)制冷，短時(shí)間內(nèi)保證數(shù)據(jù)中心全部冷負(fù)荷，直到電力供給穩(wěn)定，冷水機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)組從啟動(dòng)并向負(fù)載穩(wěn)定供電一般需要1～2 min，冷水機(jī)組重新啟動(dòng)時(shí)間在10 min以內(nèi)，其間包括監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)水泵、冷卻塔等相關(guān)配套設(shè)施完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)所需時(shí)間。在這一過(guò)程中，放冷用冷凍水泵啟動(dòng)，維持機(jī)房冷源供給。為保證可靠性，冷凍水泵應(yīng)由雙路電源供電，至少一路電源由UPS供電。結(jié)合冷水機(jī)組恢復(fù)時(shí)間，考慮到一定冗余和誤差，UPS容量最低需滿足15 min供電要求。

冷凍泵供電UPS采用N+1冗余，也可采用可靠性更高的2N或2（N+1）方式，相比后面兩種方案，前者投資較低，占用場(chǎng)地較少。因此，需結(jié)合空調(diào)專業(yè)運(yùn)行策略、電源質(zhì)量、負(fù)載特性以及場(chǎng)地條件等因素，在保證系統(tǒng)可用性的前提下，選擇合理的冗余措施。

由于過(guò)負(fù)荷跳閘會(huì)中斷連續(xù)制冷過(guò)程，冷凍泵配電斷路器的過(guò)負(fù)荷保護(hù)功能應(yīng)作用于信號(hào)，不直接動(dòng)作于切斷電源，以免造成更大的損失。

2.7? 配變電所形式和布置

變電所設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《20 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50053—2013）的各項(xiàng)規(guī)定。對(duì)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心有其特殊要求，除電源系統(tǒng)應(yīng)滿足容錯(cuò)功能外，配變電所布置也應(yīng)采取容錯(cuò)措施。為保證兩個(gè)供電單元的獨(dú)立性，兩組配變電裝置應(yīng)分開(kāi)布置在不同的配電室，實(shí)行物理隔離，當(dāng)兩個(gè)單元相鄰布置時(shí)，其隔墻需采用防火墻，耐火等級(jí)不低于二級(jí)。

為便于設(shè)備維護(hù)、檢修或更換，配變電所應(yīng)設(shè)置運(yùn)輸通道、平臺(tái)或吊裝孔。配變電所內(nèi)應(yīng)適當(dāng)預(yù)留空間，便于發(fā)展擴(kuò)容。10/0.4 kV配變電所布置如圖4所示。

3? 結(jié)語(yǔ)

空調(diào)冷源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心全生命周期內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，可靠性要求高，其電源和配變電系統(tǒng)、自備電源系統(tǒng)的設(shè)置需符合相應(yīng)等級(jí)數(shù)據(jù)中心的配置標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)方案有多種選擇，針對(duì)不同設(shè)計(jì)，應(yīng)仔細(xì)分析，綜合考慮，和空調(diào)專業(yè)協(xié)調(diào)一致，合理運(yùn)用技術(shù)措施，以達(dá)到在整體上保證制冷系統(tǒng)性能的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]? 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50174—2017[S].

[2] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.18DX009數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)與安裝[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

[3]? 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50052—2009[S].

收稿日期：2020-04-20

作者簡(jiǎn)介：劉捷（1969—），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向：電氣技術(shù)。