浅谈分析数据中心机房电气系统设计与监控产品选型方案

浅谈分析数据中心机房电气系统设计与监控产品选型方案吴磊磊手机：[phone]江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴214405引言进入21世纪，国内也兴起了数据中心建设的热潮，尤其是近几年来，数据中心机房的数量、规模都有大幅增长，从几千平米到上万平方不等，尤以电信、金融、保险以及政府行业为最，由于数据中心机房所在的特殊应用领域，其设计与传统民用建筑有诸多不同之处，数据中心机房是容纳计算机房极其支持区域的一幢建筑物或建筑物的某个部分，主要放置进行数据处理和数据交换的计算机、网络设备、电子设备。数据中心是每个单位的核心单元、安全可靠的电气系统对机房设备的稳定、可靠运行至关重要。根据数据中心电气设计相关标准，数据中心机房的等级可分为A级、B级、C级—A级为容错型（系统A+系统B）；B级为冗余型；C级为基本型，A级等级最高，对用电源要求最为严格，本文就以某A级数据中心机房为例，对该数据中心的电气系统设计进行详细介绍。1数据中心机房概况改数据中心机房为6层建筑，面积约为8400㎡，是当地规模最大、级别最高的数据中心及相应研发配套的公共服务设施。改数据机房建成后将以银行、保险、通信、软件、服务外包企业为服务重点，集办公、机房服务为一体，是具有良好基础设施条件、网络环境、技术支撑平台和管理服务体系的高标准综合服务外包基地，根据GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》的相关规定，该数据中心机房划定为A级：容错级。2供配电系统数据中心机房内的机柜按一级负荷中的特别重要负荷供电，机房内的专用空调系统，环境和设备监控系统，消防设备及应急照明、安防系统用电、电梯等按一级负荷供电，数据中心机房供配电系统图如图1所示。数据中心供配电系统采用2+2冗余，分别为两路10kv高压+UPS蓄电池组+柴油发电机。3路互为热备+1路冷备（柴油发电机），两路10kv电源采用分段单母线同时供电互为备用，当一路故障，另一路能保证该工程一级负荷中特别重要负荷及一级负荷用电；自备柴油发电机组为一级负荷中特别重要负荷的第三电源，数据中心设UPS，额定输出功率按不小于各设备额定功率总和的1.2倍选择，蓄电池组容量按15min配置，柴油电动机作为后备电源。变压器装机台数为7台，总容量为8750kvA，其中数据机房部分6用1备，6台专用变压器中任何一台故障，备用的一台自动投入，柴油发电机房内设7台1250kw的柴油发电机，数据机房部分6台发电机和6台变压器做一对一的备份，一台冗余。从高压出线到变压器，再到每层机房，数据机房部分采用“超级”放射式布线。数据中心机房供配电系统远高于GB50174-2008要求的A级（两路互为热备）标准。图1数据中心机房供配电系统图3数据中心机房配电解决方案在数据中心机房供配电系统图中，我们根据高低压配电特别区别为高压供配电系统和低压配电系统，针对不同配电系统，我们将采取不同解决方案，下面我们将详细讲解针对不同的配电系统对应配备相应的应用方案。3.1高压配电系统解决方案根据对计算机系统主机停止运行的统计数据，近一半计算机系统主机停运是由电源停止供电造成的，电源包括市电电源、变配电装置、变电所到机房的线路、UPS等，因此，电源及其供配电系统设计对提高数据中心机房供电可靠性起到十分重要的作用。在本系统中，上文我们介绍了采用的是2+2冗余，分别为两路高压+UPS蓄电池组+柴油发电机，3路互为热备+1路冷备（柴油发电机），两路10kv电源采用分段单母线同时供电互为备用，可为数据中心系统提供稳定可靠的供电电源，在具体应用方案中我们采用的是电力监控系统Acrel-2000，该系统可实现对中低压柜上的保护测控装置、多功能电力仪表、温控仪、直流屏以及其他各种能通过通讯接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备进行数据监控，在本系统中，主要采用的是电能质量分析仪表APMD系列和AM5微机保护装置作为测控装置，APMD系列集成了全部电力参数的测量，同时它具有多种外围接口功能可供用户选择，带有RS485通讯接口，采用MODBUS-RTU协议可满足通讯联网管理的需要，带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的“遥信”和“遥控”的功能，还可选配大容量的SD卡用于保存各种故障信息和多达200条的SOT事件记录。AM5系列微机保护装置对供配电系统提供不间断保护，一旦有故障发生、装置能在40ms内断开故障回路，保护一次设备和非故障回路正常运行，避免事故扩大。图2高压配电系统解决方案图高压配电系统解决方案设备清单序号名称型号计量单位1微机保护装置安科瑞AM5-T四段相间定时限过流保护、IO1过流、IO2过流、控制回路断线告警、低电压保护、PT断线告警、三相一次重合闸、相/零序反时限过流保护、过电压报警、过电压跳闸、零序过压、非电量保护、过负荷启动冷风/闭锁输出2微机保护装置安科瑞AM5-F差动速断保护、比率差动保护、四段相间定时限过流保护、IO1过流、IO2过流、控制回路断线告警、低电压保护、PT断线告警、三相一次重合闸、相/零序反时限过流保护、低周减载、合闸后加速、频率保护3电能质量分析仪表安科瑞APMD700测量三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、有功电能、无功电能、电网频率、1路有功电能脉冲、RS485、4DI/2DO、总谐波含量、LCD大屏幕彩屏显示4电力监控系统Acrel-2000可根据用电设备分布等多方面的信息采用最合适客户的组网方式，可实现对中低压柜上的保护测控装置、多功能电力仪表、温控仪、直流屏以及其他各种能通过通讯接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备的数据监控系统。5电流互感器安科瑞AKH-0.66-50II150/5与AM5配套使用的保护型电流互感器，最大可测量150A，变比为150A/5A3.2低压配电系统解决方案由数据中心机房供配电系统图中可见，我们采用的为放射式供电与树干式供电相结合的配电方式，对于重要负荷：如机房、消防监控中心等设备采用放射式供电；对于一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式，一级负荷用电均采用双路电源供电，消防相关设备用电末端互投，特别重要的负荷除双路供电外，还应设柴油发电机组作为备用，后备柴油发电机的容量应包括不间断电源系统，机房用空调和制冷设备的基本容量及应急照明和消防等关系到生命安全等需要的负荷容量。根据低压配电柜特点，在实施具体方案中，我们公司推出了低压配电系统Acrel-2000（该系统可同时实现对高低压同时监控），低压配电系统主要采用的是ACR网络电力仪表，其主要是针对电力系统、工矿企业、公共设施、智能大夏的电力监控需求而设计，它能测量所有的常用电力参数，如三相电流、电压、有功、无功功率、电度、谐波等。由于该电力仪表还具备完善的通信联网功能，非常适合于实时电力监控系统，该表具有很高的性能价格比，可以直接取代常规电力变送器及测量仪表。图3低压配电系统解决方案系统图低压配电系统解决方案设备清单序号名称型号计量单位1网络电力仪表安科瑞ACR330ELH三相I、U、kW、kvar、kVA、kWh、Kvarh、Hz、cosΦ；四象限电能计量；最大需量；THDu,THDi、HRUn/HRIn(2-31次各次谐波分量)；CF（电压波峰系数）、THFF（电话波形因子）、KF（电流K系数）、εu(电压不平衡度）、εi(电流不平衡度）计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；RS485/Modbus、大屏幕点阵式LCD图形显示、全中文菜单2网络电力仪表安科瑞ACR220ELH三相I、U、kW、Kvar、kVA、kWh、Kvarh、Hz、cosΦ；THDu、THDi、2-31次各次谐波分量；四象限电能、RS485/Modbus、LCD显示3电力监控系统Acrel-2000可根据用电设备分布等多方面的信息采用最合适客户的组网方式，可实现对中低压柜上的保护测控装置、多功能电力仪表、温控仪、直流屏以及其他各种能通过通讯接口或者脉冲、模拟量等方式接入监控系统的设备的数据监控系统。3.3精密配电柜系统解决方案考虑到精密配电柜其进线回路电流一般都比较大，能够达到几百安培，出线回路电流都比较小，一般都在63安培以下，且负载路数比较多等用电特点，配备了准备针对精密配电柜开发的多回路监控装置AMC16MH作为主体模块的数据中心电源管理系统，本系统可通过实现对服务器末端的IT设备精细化管理，包括了对数据中心服务器电源的全方面的管理，可实现对三相总进线的母线电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能；84路出线电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能；可显示累积的有功电能和增量电能、零地电压、漏电流和零序电流等电参量的实时监控，并可通过RS485通讯连接到显示终端和后台配电管理系统进行远程管理。精密配电柜系统解决方案设备清单序号名称型号计量单位1数据监控装置安科瑞AMC16MH测量3相进线的母线电压+2路三相进线及84路单相出线（28路三相）的电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、最大需量、2~15分次及总谐波+2路开关量输出+2路RS485通讯+2路温度检测+4路DI输入+零地电压检测+零序电流检测+漏电流检测。2开关量监控装置安科瑞AMC16K38路有源开关量输入（AC220V）+4路无源开关量输入+路开关量输出+1路RS485通讯3触摸屏安科瑞TPC7062KX数据采集、显示、存储、查询、转发4精密配电管理系统软件精密配电管理系统软件进线、出线回路电参量监测、开关状态监测、负荷百分比检测；三相电压、三相电流不平衡度监测；越限告警，事件记录，数据上传5电流互感器AMC16MH-CT互感器排与AMC16MH监测产品配套使用的保护型电流互感器，含21路互感器，可测电流为50A，变比为50A/20mA安科瑞AKH-0.6630I200/5与AMC16MH配套使用的测量型电流互感器，最大可测量200A，变比为200A/5A4照明系统数据中心主机房和辅助区一般照明的照度标准值应符合表1的要求。采用T5荧光灯配节能型整流器，各组灯具有序设置，相邻灯具电源由不同相序的L线供电，以降低低频闪效应，提高照明质量。备用照明按100%设计，高于GB50174-2008所要求的50%标准。电子信息系统机房应设置通道疏散照明及疏散指示标志灯，主机房通道疏散照明的照度值不低于5lx。其它区域通道疏散照明的照度值不应低于5lx。区域房间名称照度标准值/lx统一眩光值UGR一般显色指数Ra主机房服务器设备区网络设备区500500222280存储设备区50022辅助区进线间监控中心测试区打印室备件库3005005005003002519191922805静电防护、防雷与接地、电磁屏蔽系统5.1静电防护主机房和辅助区地面采用防静电地板。机房内所有设备的金属外壳、管道、线槽、建筑物金属结构进行SM型等电位联结接地。活动地板隔块用金属编织带跨接成网络格式的静电接地网络，并与静电泄放接地线接通；吊顶、龙骨板、轻质隔墙和护墙层的龙骨，门窗的金属框均以金属导线接通，并与静电泄放接地线接通。5.2防雷与接地该工程建筑属第二类防雷建筑，设防直击雷、防雷电波侵入和防雷击电磁脉冲措施，尽量利用建筑物的金属构件及钢筋混泥土结构中的钢筋作为防直击雷装置，利用建筑基础内钢筋作为接地极，数据中心属A级雷电防护，设不少于三级浪涌保护，进入机房的强、弱电电缆均配置相应的浪涌保护器，进出机房的信号电缆通过信号滤波器进行屏蔽处理。该工程电气系统接地，保护性接地和功能性接地、防静电和电磁屏蔽接地、防雷接地等采用共用接地系统。5.3电磁屏蔽系统优化建筑物内的平面布置，将设备级线路尽可能设置在院里电磁发生源的地方，优化布线结构，电源线路和信号线路交叉时采用直角交叉方式，为避免电源线路和信号线路形成环状而加大电磁感应的影响，进入同一机房的线路，配置在房间的同一侧，电源线路和信号线路分别敷设在不同位置，并穿金属线槽保护，对信息系统机房采用屏蔽和接地措施，使机房内无线电干扰场强和磁场干扰环境场强不大于规范要求。6机房布线系统根据规范及业