数据中心机房电气系统设计与监控产品选型分析

数据中心机房电气系统设计与监控产品选型 李娜 （安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 201801） 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 GB 50174-2008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 GB 50174-2008 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 2 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。 2.1 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 第 3 页 共 9 页 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/5A 2.2 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、cos； 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）、u(电压不平衡度）、 i(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、cos；THD u、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。 第 5 页 共 9 页 2.3 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、215 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AMC16K 38 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-0.66 30I 200/5 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/5A 3 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 GB 50174-2008 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 5 lx。其它区域通道疏散照明的照度值不应低于 5 lx。 区域 房间名称 照度标准值/lx 统一眩光值 UGR 一般显色指数 R a 主机房 服务器设备区 网络设备区 存储设备区 500 500 500 22 22 22 80 辅助区 进线间 监控中心 测试区 打印室 备件库 300 500 500 500 300 25 19 19 19 22 80 4 静电防护、防雷与接地、电磁屏蔽系统 4.1 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。 4.2 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。 4.3 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 第 7 页 共 9 页 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。 5 机房布线系统 根据规范及业主要求，该机房布线满足以下要求：采用先进的符合 ISO 11801-2002 标 准和 EIA/TIA 568B 标准的布线系统；由于该数据中心有安全保密要求，所有布线采用屏蔽 电缆（包括线缆、配线架和信息出口） 、光缆 1+1 的冗余布线系统，机房内机柜区域线缆 全部采用机柜上方 T 型桥架走线方式铺设，其它区域采用地板下暗敷方式走线，机房主配 线架使用 19 英寸标准机柜，以便将网络设备与配线架合成一体，提高整个系统的可靠性。 6 机房监控与安全防护系统 数据中心的环境和设备监控系统、安防系统在 IF 共用监控中心，机房主机的集中控制 和管理采用 KVM 切换系统、该系统实现了机房设备的统一监控，减轻了机房维护人员的 负担，提高了系统的可靠性，实现了机房的科学管理。 为保证数据中心运行的可靠性，选用机房场地设备监控系统，部分重要开关和现场设 有传感器。位于现场的的传感器将采集的信号传至 IF 监控室，若回传信号超出设定范围则 报警，并自动或手动切除或投入备用设备。该系统设计遵循可靠性、扩展性、方便性，并 具有远程监测功能的原则。 设计监测对象包括： （1）对机房配电柜总进线电量、主要开关状态机服务器配电柜各路开关的输出电压、 电流进行监测。 （2）对机房内各个区域的绝对温度和相对湿度进行监测。 （3）对机房精密空调运行、漏水情况进行监测。 （4）对机房 UPS 情况进行监测。 （5）视频安防监控系统。 系统结构由监控主机、智能模块、协议转换模块、局域网络等组成，用户还可根据需 要选择无线通信等设备。 安防系统由视频监控，入侵报警和出入口控制系统组成，技防等级达到极致，以上标 准均高于 GB 50174-2008 所要求的 A 级标准。 7 电气火灾自动报警系统 数据中心是有着巨额设备投资的重要工程，一旦发生火灾，损失巨大，因此合理设计 火灾自动报警系统，是数据中心火灾自动报警系统设计的重点，在某些重点工程的要害区 域，应结合工程具体情况设置多重火灾探测设备，以确保全方位探知火灾隐情，为人员及 设备提供极其安全可靠的保障。 针对 A 级电子信息系统机房的主机房，可配备我司开发的电气火灾监控系统 Acrel- 6000，该系统能对配电线路、变配电设备、重要用电设备的电流(以线路漏电电流为主) 和 温度变化进行检测，以及对隐患和故障部位的地址进行报警，该系统主要包括两部分： Acrel-6000 电气火灾监控设备和 ARCM 系列电气火灾监控探测器，该系统是通过剩余电流 互感器或温度传感器实时监测回路的剩余电流和温度信号，剩余电流互感器或温度传感器 将采集的信号通过探测器加以显示，并通过 RS485 通讯总线上传到监控设备，以实现对被 保护电气线路的报警、监视、控制、管理的运行于计算机的工业级硬件/软件系统。 它主要包括以下六个功能：监控报警；故障报警；控制输出；自检；报警记录；操作 分级。 （1）监控报警功能主要包括：被监控回路开关的实时状态；故障信号指示；联动输入； 30s 的监控报警响应时间；监控报警声信号指示及操作。 （2）故障报警功能包括：监控设备与探测器之间的连接线断路、短路故障监测；监控 设备主电源欠压（80%主电源电压）或过压（ 110% 主电源电压）监测。 （3）控制输出功能包括：对个别或全部被监控单元的分闸、合闸进行遥控操作；报警 控制输出；脱扣控制输出。 （4）自检功能包括：通信线路的断路、短路检查；手动检查或系统自检。报警记录功 能包括：报警、故障事件类型、发生时间记录；根据记录日期、故障类型等条件查询； （5）报警记录查询及打印功能。 （6）操作分级包括：日常值班人员，可进入软件界面查看实时监测情况、消除报警声 音和查询报警记录。 图4 电气火灾监控系统图 电气火灾监控系统解决方案设备清单 序号 名称 型号 计量单位 1 电气火灾监控设备 安科瑞 Acrel-6000 可接入多大 1024 个监控探测器，实时监测报警，故障报警、时间记录、参数远程修改、消防联动 2 电气火灾监控探测器 安科瑞 ARCM100 系列 三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、 频率、功率因数测量、视在电能、基波电能、四象 限电能计量、1 回路剩余