【節(jié)能學(xué)院】數(shù)據(jù)中心機(jī)房電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與監(jiān)控產(chǎn)品選型

引言

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)也興起了數(shù)據(jù)中心建設(shè)的熱潮，尤其是近幾年來，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的數(shù)量、規(guī)模都有大幅增長，從幾千平米到上萬平方不等，尤其是電信、金融、保險(xiǎn)以及政府行業(yè)，由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房所在的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，其設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)民用建筑有諸多不同之處，數(shù)據(jù)中心機(jī)房是容納計(jì)算機(jī)房非常支持區(qū)域的一幢建筑物或建筑物的某個(gè)部分，主要放置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電子設(shè)備。數(shù)據(jù)中心是每個(gè)單位的核心單元、安全可靠的電氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)房設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的等級(jí)可分為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)—A級(jí)為容錯(cuò)型（系統(tǒng)A+系統(tǒng)B）；B級(jí)為冗余型；C級(jí)為基本型，A級(jí)等級(jí)高，對(duì)用電源要求嚴(yán)格，本文就以某A級(jí)數(shù)據(jù)中心機(jī)房為例，對(duì)該數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房概況

改數(shù)據(jù)中心機(jī)房為6層建筑，面積約為8400㎡，建成后將以銀行、保險(xiǎn)、通信、軟件、服務(wù)外包企業(yè)為服務(wù)核心，集辦公、機(jī)房服務(wù)為一體，是具有良好基礎(chǔ)設(shè)施條件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、技術(shù)支撐平臺(tái)和管理服務(wù)體系的高標(biāo)準(zhǔn)綜合服務(wù)外包基地，根據(jù)GB 50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，該數(shù)據(jù)中心機(jī)房劃定為A級(jí)：容錯(cuò)級(jí)。

供配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi)的機(jī)柜按一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷供電，機(jī)房內(nèi)的專用空調(diào)系統(tǒng)，環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，消防設(shè)備及應(yīng)急照明、安防系統(tǒng)用電、電梯等按一級(jí)負(fù)荷供電，數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)采用2+2冗余，分別為兩路10kv高壓+UPS蓄電池組+柴油發(fā)電機(jī)。3路互為熱備+1路冷備（柴油發(fā)電機(jī)），兩路10kv電源采用分段單母線同時(shí)供電互為備用，當(dāng)一路故障，另一路能保證該工程一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷及一級(jí)負(fù)荷用電；自備柴油發(fā)電機(jī)組為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷的第三電源，數(shù)據(jù)中心設(shè)UPS，額定輸出功率按不小于各設(shè)備額定功率總和的1.2倍選擇，蓄電池組容量按15min配置，柴油電動(dòng)機(jī)作為后備電源。

變壓器裝機(jī)臺(tái)數(shù)為7臺(tái)，總?cè)萘繛?750kvA，其中數(shù)據(jù)機(jī)房部分6用1備，6臺(tái)專用變壓器中任何一臺(tái)故障，備用的一臺(tái)自動(dòng)投入，柴油發(fā)電機(jī)房內(nèi)設(shè)7臺(tái)1250kw的柴油發(fā)電機(jī)，數(shù)據(jù)機(jī)房部分6臺(tái)發(fā)電機(jī)和6臺(tái)變壓器做一對(duì)一的備份，一臺(tái)冗余。從高壓出線到變壓器，再到每層機(jī)房，數(shù)據(jù)機(jī)房部分采用“超級(jí)”放射式布線。數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)遠(yuǎn)高于GB 50174-2008要求的A級(jí)（兩路互為熱備）標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)圖

數(shù)據(jù)中心機(jī)房配電解決方案

在數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)圖中，我們根據(jù)高低壓配電特別區(qū)別為高壓供配電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)，針對(duì)不同配電系統(tǒng)，我們將采取不同解決方案，下面我們將詳細(xì)講解針對(duì)不同的配電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)配備相應(yīng)的應(yīng)用方案。

高壓配電系統(tǒng)解決方案

根據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)停止運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近一半計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主機(jī)停運(yùn)是由電源停止供電造成的，電源包括市電電源、變配電裝置、變電所到機(jī)房的線路、UPS等，因此，電源及其供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)提高數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電可靠性起到十分重要的作用。

在本系統(tǒng)中，上文我們介紹了采用的是2+2冗余，分別為兩路高壓+UPS蓄電池組+柴油發(fā)電機(jī)，3路互為熱備+1路冷備（柴油發(fā)電機(jī)），兩路10kv電源采用分段單母線同時(shí)供電互為備用，可為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供電電源，在具體應(yīng)用方案中我們采用的是電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓柜上的保護(hù)測控裝置、多功能電力儀表、溫控儀、直流屏以及其他各種能通過通訊接口或者脈沖、模擬量等方式接入監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，在本系統(tǒng)中，主要采用的是電能質(zhì)量分析儀表APMD系列和AM5微機(jī)保護(hù)裝置作為測控裝置，APMD系列集成了全部電力參數(shù)的測量，同時(shí)它具有多種外圍接口功能可供用戶選擇，帶有RS485通訊接口，采用MODBUS-RTU協(xié)議可滿足通訊聯(lián)網(wǎng)管理的需要，帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開關(guān)的“遙信”和“遙控”的功能，還可選配大容量的SD卡用于保存各種故障信息和多達(dá)200條的SOT事件記錄。AM5系列微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)供配電系統(tǒng)提供不間斷保護(hù)，一旦有故障發(fā)生、裝置能在40ms內(nèi)斷開故障回路，保護(hù)一次設(shè)備和非故障回路正常運(yùn)行，避免事故擴(kuò)大。

圖2 高壓配電系統(tǒng)解決方案圖

低壓配電系統(tǒng)解決方案

由數(shù)據(jù)中心機(jī)房供配電系統(tǒng)圖中可見，我們采用的為放射式供電與樹干式供電相結(jié)合的配電方式，對(duì)于重要負(fù)荷：如機(jī)房、消防監(jiān)控中心等設(shè)備采用放射式供電；對(duì)于一般負(fù)荷采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式，一級(jí)負(fù)荷用電均采用雙路電源供電，消防相關(guān)設(shè)備用電末端互投，特別重要的負(fù)荷除雙路供電外，還應(yīng)設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用，后備柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)包括不間斷電源系統(tǒng)，機(jī)房用空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量及應(yīng)急照明和消防等關(guān)系到生命安全等需要的負(fù)荷容量。

根據(jù)低壓配電柜特點(diǎn)，在實(shí)施具體方案中，我們公司推出了低壓配電系統(tǒng)Acrel-2000（該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)高低壓同時(shí)監(jiān)控），低壓配電系統(tǒng)主要采用的是ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表，其主要是針對(duì)電力系統(tǒng)、工礦企業(yè)、公共設(shè)施、智能大夏的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)，它能測量所有的常用電力參數(shù)，如三相電流、電壓、有功、無功功率、電度、諧波等。由于該電力儀表還具備完善的通信聯(lián)網(wǎng)功能，非常適合于實(shí)時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)，該表具有很高的性能價(jià)格比，可以直接取代常規(guī)電力變送器及測量儀表。

圖3 低壓配電系統(tǒng)解決方案系統(tǒng)圖

據(jù)用電設(shè)備分布等多方面的信息采用最合適客戶的組網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓柜上的保護(hù)測控裝置、多功能電力儀表、溫控儀、直流屏以及其他各種能通過通訊接口或者脈沖、模擬量等方式接入監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。

配電柜系統(tǒng)解決方案

考慮到配電柜其進(jìn)線回路電流一般都比較大，能夠達(dá)到幾百安培，出線回路電流都比較小，一般都在63安培以下，且負(fù)載路數(shù)比較多等用電特點(diǎn)，配備了準(zhǔn)備針對(duì)配電柜開發(fā)的多回路監(jiān)控裝置AMC16MH作為主體模塊的數(shù)據(jù)中心電源管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)可通過實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器末端的IT設(shè)備精細(xì)化管理，包括了對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源的全方面的管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相總進(jìn)線的母線電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能；84路出線電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能；可顯示累積的有功電能和增量電能、零地電壓、漏電流和零序電流等電參量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可通過RS485通訊連接到顯示終端和后臺(tái)配電管理系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

照明系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心主機(jī)房和輔助區(qū)一般照明的照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表1的要求。

采用T5熒光燈配節(jié)能型整流器，各組燈具有序設(shè)置，相鄰燈具電源由不同相序的L線供電，以降低低頻閃效應(yīng)，提高照明質(zhì)量。

備用照明按100%設(shè)計(jì)，高于GB 50174-2008所要求的50%標(biāo)準(zhǔn)。

電子信息系統(tǒng)機(jī)房應(yīng)設(shè)置通道疏散照明及疏散指示標(biāo)志燈，主機(jī)房通道疏散照明的照度值不低于5 lx。其它區(qū)域通道疏散照明的照度值不應(yīng)低于5 lx。

靜電防護(hù)、防雷與接地、電磁屏蔽系統(tǒng)

靜電防護(hù)

主機(jī)房和輔助區(qū)地面采用防靜電地板。機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼、管道、線槽、建筑物金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行SM型等電位聯(lián)結(jié)接地。活動(dòng)地板隔塊用金屬編織帶跨接成網(wǎng)絡(luò)格式的靜電接地網(wǎng)絡(luò)，并與靜電泄放接地線接通；吊頂、龍骨板、輕質(zhì)隔墻和護(hù)墻層的龍骨，門窗的金屬框均以金屬導(dǎo)線接通，并與靜電泄放接地線接通。

防雷與接地

該工程建筑屬第二類防雷建筑，設(shè)防直擊雷、防雷電波侵入和防雷擊電磁脈沖措施，盡量利用建筑物的金屬構(gòu)件及鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)中的鋼筋作為防直擊雷裝置，利用建筑基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作為接地極，數(shù)據(jù)中心屬A級(jí)雷電防護(hù)，設(shè)不少于三級(jí)浪涌保護(hù)，進(jìn)入機(jī)房的強(qiáng)、弱電電纜均配置相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，進(jìn)出機(jī)房的信號(hào)電纜通過信號(hào)濾波器進(jìn)行屏蔽處理。

該工程電氣系統(tǒng)接地，保護(hù)性接地和功能性接地、防靜電和電磁屏蔽接地、防雷接地等采用共用接地系統(tǒng)。

電磁屏蔽系統(tǒng)

優(yōu)化建筑物內(nèi)的平面布置，將設(shè)備級(jí)線路盡可能設(shè)置在院里電磁發(fā)生源的地方，優(yōu)化布線結(jié)構(gòu)，電源線路和信號(hào)線路交叉時(shí)采用直角交叉方式，為避免電源線路和信號(hào)線路形成環(huán)狀而加大電磁感應(yīng)的影響，進(jìn)入同一機(jī)房的線路，配置在房間的同一側(cè)，電源線路和信號(hào)線路分別敷設(shè)在不同位置，并穿金屬線槽保護(hù)，對(duì)信息系統(tǒng)機(jī)房采用屏蔽和接地措施，使機(jī)房內(nèi)無線電干擾場強(qiáng)和磁場干擾環(huán)境場強(qiáng)不大于規(guī)范要求。

機(jī)房布線系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)范及業(yè)主要求，該機(jī)房布線滿足以下要求：采用先進(jìn)的符合ISO 11801-2002標(biāo)準(zhǔn)和EIA/TIA 568B標(biāo)準(zhǔn)的布線系統(tǒng)；由于該數(shù)據(jù)中心有安全保密要求，所有布線采用屏蔽電纜（包括線纜、配線架和信息出口）、光纜1+1的冗余布線系統(tǒng)，機(jī)房內(nèi)機(jī)柜區(qū)域線纜全部采用機(jī)柜上方T型橋架走線方式鋪設(shè)，其它區(qū)域采用地板下暗敷方式走線，機(jī)房主配線架使用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，以便將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與配線架合成一體，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

機(jī)房監(jiān)控與安全防護(hù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心的環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)在IF共用監(jiān)控中心，機(jī)房主機(jī)的集中控制和管理采用KVM切換系統(tǒng)、該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)房設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控，減輕了機(jī)房維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房的科學(xué)管理。

為保證數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的可靠性，選用機(jī)房場地設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，部分重要開關(guān)和現(xiàn)場設(shè)有傳感器。位于現(xiàn)場的的傳感器將采集的信號(hào)傳至IF監(jiān)控室，若回傳信號(hào)超出設(shè)定范圍則報(bào)警，并自動(dòng)或手動(dòng)切除或投入備用設(shè)備。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循可靠性、擴(kuò)展性、方便性，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)測功能的原則。

設(shè)計(jì)監(jiān)測對(duì)象包括：

1)對(duì)機(jī)房配電柜總進(jìn)線電量、主要開關(guān)狀態(tài)機(jī)服務(wù)器配電柜各路開關(guān)的輸出電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測。

2)對(duì)機(jī)房內(nèi)各個(gè)區(qū)域的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測。

3)對(duì)機(jī)房空調(diào)運(yùn)行、漏水情況進(jìn)行監(jiān)測。

4)對(duì)機(jī)房UPS情況進(jìn)行監(jiān)測。

5)視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由監(jiān)控主機(jī)、智能模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、局域網(wǎng)絡(luò)等組成，用戶還可根據(jù)需要選擇無線通信等設(shè)備。

安防系統(tǒng)由視頻監(jiān)控，入侵報(bào)警和出入口控制系統(tǒng)組成，技防等級(jí)達(dá)到極致，以上標(biāo)準(zhǔn)均高于GB 50174-2008所要求的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

電氣火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心是有著巨額設(shè)備投資的重要工程，一旦發(fā)生火災(zāi)，損失巨大，因此合理設(shè)計(jì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)中心火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，在某些工程的要害區(qū)域，應(yīng)結(jié)合工程具體情況設(shè)置多重火災(zāi)探測設(shè)備，以確保探知火災(zāi)隱情，為人員及設(shè)備提供安全可靠的保障。

針對(duì)A級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房的主機(jī)房，可配備我司開發(fā)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-6000，該系統(tǒng)能對(duì)配電線路、變配電設(shè)備、重要用電設(shè)備的電流(以線路漏電電流為主)和溫度變化進(jìn)行檢測，以及對(duì)隱患和故障部位的地址進(jìn)行報(bào)警，該系統(tǒng)主要包括兩部分：Acrel-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和ARCM系列電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，該系統(tǒng)是通過剩余電流互感器或溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測回路的剩余電流和溫度信號(hào)，剩余電流互感器或溫度傳感器將采集的信號(hào)通過探測器加以顯示，并通過RS485通訊總線上傳到監(jiān)控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被保護(hù)電氣線路的報(bào)警、監(jiān)視、控制、管理的運(yùn)行于計(jì)算機(jī)的工業(yè)級(jí)硬件/軟件系統(tǒng)。

它主要包括以下六個(gè)功能：監(jiān)控報(bào)警；故障報(bào)警；控制輸出；自檢；報(bào)警記錄；操作分級(jí)。

（1）監(jiān)控報(bào)警功能主要包括：被監(jiān)控回路開關(guān)的實(shí)時(shí)狀態(tài)；故障信號(hào)指示；聯(lián)動(dòng)輸入；≤30s的監(jiān)控報(bào)警響應(yīng)時(shí)間；監(jiān)控報(bào)警聲信號(hào)指示及操作。

（2）故障報(bào)警功能包括：監(jiān)控設(shè)備與探測器之間的連接線斷路、短路故障監(jiān)測；監(jiān)控設(shè)備主電源欠壓（≤80%主電源電壓）或過壓（≥110%主電源電壓）監(jiān)測。

（3）控制輸出功能包括：對(duì)個(gè)別或全部被監(jiān)控單元的分閘、合閘進(jìn)行遙控操作；報(bào)警控制輸出；脫扣控制輸出。

（4）自檢功能包括：通信線路的斷路、短路檢查；手動(dòng)檢查或系統(tǒng)自檢。報(bào)警記錄功能包括：報(bào)警、故障事件類型、發(fā)生時(shí)間記錄；根據(jù)記錄日期、故障類型等條件查詢；

（5）報(bào)警記錄查詢及打印功能。

（6）操作分級(jí)包括：日常值班人員，可進(jìn)入軟件界面查看實(shí)時(shí)監(jiān)測情況、消除報(bào)警聲音和查詢報(bào)警記錄。

圖4 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)圖

結(jié)語

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要由資質(zhì)的專業(yè)設(shè)計(jì)單位才能進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)房的設(shè)計(jì)工作，在設(shè)計(jì)中切實(shí)做到從數(shù)據(jù)中心機(jī)房需要出發(fā)，滿足功能需求，為設(shè)備提供一個(gè)安全運(yùn)行的空間，兼顧美觀實(shí)用，為數(shù)據(jù)機(jī)房工程的順利開展打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文分別從供配電、照明、靜電防護(hù)、防雷與接地、電磁屏蔽、機(jī)房布線、機(jī)房監(jiān)控與安全防范、消防等方面，對(duì)數(shù)據(jù)中心中要求很高的A級(jí)機(jī)房的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可為該類型數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作提供一些指導(dǎo)和參考。