（中国中元国际工程有限公司 北京 100089）
摘要：本文以某一大型A级数据中心实例，通过确定供电目标、分析设备工艺流程、故障保障解决方案等步骤，从供电可靠一致性的角度分析各种不同设备的供电方案。即从侧面佐证了规范对于供电的要求，又能通过分析为实际工程的各种特殊性中找到应对措施，供同行批评指正。
关键词：电子信息设备；制冷系统；冗余；容错；一致性
Abstract：In this paper，a large A-level data center is taken as an example. Through the steps of determining the power supply target，analyzing the process flow of the equipment and the solution of the fault guarantee，the power supply scheme of various equipment is analyzed from the angle of reliability and consistency of the power supply. That is to say，from the side，it has corroborated the requirements of the specification for power supply，and can find out the Countermeasures for the special characteristics of the actual project through analysis，for peer criticism.
Keywords：electronic information equipment，refrigeration system，redundancy，fault tolerance，consistency
概述
随着我国各行业的飞速发展，对数据中心的需求旺盛，一大批数据中心在全国各地如雨后春笋般拔地而起。数据中心项目作为各类业务数据交换、运算存储等操作的载体，对供电可靠性，往往有很高的要求。由于此类型项目投资巨大，如何能够因地制宜的采取相应手段在满足供电可靠性的基础上减少投资也越来越引起业主的关注。同时，不同数据中心由于其业务的特点，整体战略布局等多方因素决定其对供电可靠性的要求。一味地追求高标准，是增加了可靠性，但超出了需求，造成了投资浪费。何种行业的何种机房需要什么等级的建设标准，需要对相应行业业务进行研究，获得大量数据的支持，并进行科学分析判断决定。笔者作为一名电气设计师谨以某大型A级数据机房项目为例，从供电可靠的一致性角度对数据机房类型项目的供电标准进行定性分析，以回应在设计过程中业主通常提出诸如某环节能不能减配，某环节想提高标准的问题，以供同行批评指正。
1.数据中心简介
数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所，其内部的建筑基本组成部分主要有：IT主机房、辅助区、支持区和行政管理区等。其主要功能是对电子信息进行集中处理、存储、传输、交换、管理等。内部设备主要有以服务器设备为主的IT设备和为IT设备提供安全运行所需的物理支持设备，包括制冷、照明、消防、监控等物理基础设施。
如何能够完成一个满足机房等级要求又经济合理的供电方案，需统一供电目标，从各机电系统工艺流程、供电标准、各工况下的保障措施等多方面进行综合分析考虑。
2.制冷系统工艺流程简介
A级数据中心中制冷系统对于高发热量的IT机柜来说，至关重要，包括冷冻水系统和冷却水系统，本工程制冷采用以水冷冷水机组+精密空调形式。
冷冻水系统中，冷机生产出冷冻水，经管道进入冷冻水一次供水环网，一部分与蓄冷罐内冷冻水进行循环，以保证应急供冷的正常储备，一部分通过冷冻二次泵供给到精密空调冷冻水二次供水环网，经支管由精密空调中风机为机房提供所需冷空气。精密空调回水经支管进入冷冻水二次回水环网，经冷冻水一次泵进入板换进行换交热后进入冷机再次循环。当处于应急制冷工况时，蓄冷罐中储备的冷冻水进入一次环网经冷冻水二次泵进入冷冻水二次供水环网，经精密空调后留回蓄冷罐继续循环，此时蓄冷罐无法对回水进行制冷，直至电源恢复，转为冷机供冷，或冷源枯竭。其中包含的电气设备主要为：水冷/风冷冷水机组、冷冻水一次泵、冷冻水二次泵、精密空调、电动阀门、控制设备等。
冷却水系统中，冷却循环水自冷却塔降温后沿出水管进入屋面冷却循环水环网，经出水干管自屋面至冷机所在层的冷却循环水环网，经冷却泵至板换与冷冻水回水进行热交换，后经冷凝器为冷机内部设备冷却后流回冷却循环水官管网，经干管进入屋面冷却水循环水管网后进入冷却塔进水管。其中，板换处的热交换和冷凝器处的热交换由工况的不同而实际运行不同。各工作冷机之间配备相应的冷却循环泵，且呈成套并联关系，屋面冷却塔的组数与冷机数量相对应，但不存在一一对应关系。其中包含的电气设备主要为：冷却塔、冷却水循环泵、电动阀门、控制设备、电伴热等。
冷水机组包括各类泵组、冷却塔等均按成套N+1冗余设置，末端精密空调N+1冗余。
3.设备供电保障措施
3.1 供电目标
IT设备由于其自身对供电连续性和长时间的供电质量的要求，需选择UPS进行保障。根据GB50174-2017【数据中心设计规范】规定应采用2N容错设置，UPS蓄电池供电时间不低于15min，柴油发电机组储油量不低于12小时。
根据某运营商测试数据，当制冷系统停止工作后，IT设备的宕机时间如下表统计：
无冷却环境机架密度与宕机时间对比表
即功率密度为5kW机柜在失去冷却环境下宕机时间不超过5分钟。
通过对IT设备供电系统的分析，我们可知，对于IT设备而言，在外界环境均符合使用条件时，一路市电故障将不造成影响，两路市电均故障时，UPS供电可以保障15min，此阶段柴油发电机组启机，待达到发电标准时，由柴油发电机组供电，蓄电池退出。待市电恢复后由市电供电，柴发退出。由于其供电设备及线路均容错配置，故不存在任何单点故障。以此作为基础，我们来分析针制冷系统设备的供电可靠性如何与之保持一致，满足配套设备不拉低对核心设备的运行保障，此即为其供电目标。
3.2制冷系统
3.2.1制冷系统对于机柜而言，本质为冷量，即冷冻水。从其工艺流程可知，冷水机组、冷冻水一次泵、电动阀门、冷却水循环泵、冷却塔等共同组成冷冻水的生产设备；冷冻水二次泵、精密空调内的风机和电动阀门等共同组成冷冻水的传输和冷量的输出设备。
3.2.2市电故障情况下的供电保障
当一路市电故障时，整个制冷系统应该在不启动柴油发电机组的条件下运用市电正常运行。
实现此条件通常会有两种做法，即制冷系统和IT系统一样采用变压器2N容错设置，或者变压器对于设备而言采用N设置，并高压联络（由于设备为N+1冗余，故相当于变压器为N+1冗余）。无论何种方式，底线均为一路市政电源能够提供所有IT机柜及其制冷系统的供电。虽然两种方式均能满足此工况的电源供给，但是工程造价和变压器安装容量存在明显差别。前者可靠性更高，更规避了一台变压器故障时对供电的影响，但造价增加明显。
当两路市电故障时，制冷系统应该提供不低于15分钟的制冷量（与IT设备UPS蓄电池备用时间对应），以给予柴油发电机组充分的时间完成并机发电，即为制冷系统的应急供冷工况。
在此工况下，蓄冷罐提供冷量，电气专业保障其冷量的传输和输出过程即精密空调二次泵，可满足要求。涉及保障设备包括冷冻水二次泵、精密空调风机及相应电动阀设备。其供电保障需与IT机柜保持一致，即双电源供电，除柴发外提供不小于15min的后备电源，其供电是否采用UPS还是EPS则根据具体项目情况选择。由此可见，在此工况下，冷冻水的生产环节所有设备（冷机、冷冻一次泵冷却循环泵、冷却塔等）均不需保障。
3.2.3供电设备故障工况分析
规范要求，A级机房冷冻机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、机房专用空调均按N+X冗余设置，通常X取1。即任一台上述设备发生故障时，对制冷系统正常运行没有影响。
从制冷系统的搭建来看，通常，每台冷冻机组均对应设置一次冷冻泵、冷却水循环泵、冷却塔等组成一套，各套之间并联组网；任一套内的任一主要设备故障将导致整套设备退出，故在供电上建议对应此关系，由独立变压器对成套进行供电，当发生变压器故障时，成套退出，变压器之前可不做联络，其容量满足整套运行需要即可，即变压器对应设备N+1设置。若变压器供电不按照成套对应供电，有可能出线当一台配电变压器故障，多套制冷设备退出运行，此时，制冷系统中设置的冗余设备（一套）投入亦不能满足工程正常运行需要。故需在供电系统上补充措施，从增加变压器安装容量和变压器之间的低压联络等方式增加变压器冗余量。冷冻泵二次泵连接一次供水和二次供水管网，N+1冗余，与冷机不存在对应制约关系。故供电上建议与冷机及其相关设备分开供电，由于其在应急工况仍需运行，故按3.2.2中分析设置供电保障。
4.设计心得
笔者从事设计过程中，遇到业主提出机房按B级设计，但是供电按A级机房考虑，以提供可靠性。对于业主的相关要求，需要分析，如何为机房供电可靠性做有价值提升，也需要先明确供电目标，分解各系统工艺流程，分析各种状况下的保障措施等，做到提升有方向，以免造成投资浪费。
诸如以上的案例还有很多。在设计周期进度要求紧张已变成常态的设计行业里，每个不同的设计领域都存在自己的特殊性，需要我们分析本源，这样在各种不同的项目面前才能沉着应对，在满足标准同时，根据投资、业务等差异做定制化设计，才能进一步发挥设计的主观能动性，为社会创造更多的价值，也是设计师职业价值的体现，与所有年轻设计师共勉。
参考文献：
[1]《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2017
[2]《数据中心供配电设计规程》T/CECS 486-2017
[3]赖兆泽 《如何为数据中心精密空调选择合适的UPS》[J]. Ups应用，2016（6）：43-51.
[4]王吉 刘文 生刘蔚《数据中心能效比（PUE）分析与计算方法》2015 中国建筑业协会智能建筑分会2014年年会暨2015智能建筑行业发展高峰论坛
[5]邹震 《数据中心的电力负荷分级与关键负载》 计世网 2016.12.13
论文作者:石咸胜
论文发表刊物:《河南电力》2018年2期
论文发表时间:2018/6/11
标签：设备论文; 精密论文; 变压器论文; 工况论文; 市电论文; 冗余论文; 制冷系统论文; 《河南电力》2018年2期论文;