摘要：数据中心机房的等级划分依据GB 50174标准分为A级（容错型）、B级（冗余型）和C级（基本型），其中A级等级最高，对供配电系统的可靠性要求最为严格。本文以乌兰察布A级数据中心机房为例，从应急（备用）电源系统设计、供配电系统架构、高低压配电解决方案以及精密配电监控等方面，对该数据中心的电气系统设计进行详细解析，为同类A级数据中心的电气设计提供参考。
一、数据机房案例与规定
1、数据中心机房案例概述
以乌兰察布数据机房为例（柴发设计如图1所示），该数据中心为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。项目建成后将以银行、保险、通信、软件、服务外包企业为服务重点，集办公与机房服务于一体，形成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》（该标准已于2018年更新为GB 50174-2017）的相关规定，该数据中心机房划定为A级容错级，即系统需满足“系统A+系统B”的双重容错配置要求。
2、应急（备用）电源的规定
柴油发电机组在数据中心中主要作为应急（备用）电站。应急电站供电系统一般不允许与市电网并联运行，因此，应急发电机组的主断路器与市电供电断路器间应设置电气及机械联锁装置，防止应急电站与市电网发生误并联。应急机组只有在市电停电时自动向应急负荷供电。
国家标准GB 50045《高层民用建筑设计防火规范》（现行版本已整合至GB 50016）中规定：消防用电设备的两个电源或两回线路，应在最末一级配电箱处自动切换。自备发电设备应设有自启动装置。
应急电源系统的核心规定包括：
（1）当市电电网故障断电时，应急柴油发电机自启动运行后，首批投入的紧急负荷量不应大于柴油发电机组的额定输出容量，首批自动投入的紧急负荷一般不宜超过发电机额定容量的70%。原由市电电网供电的次要负荷，当市电断电后应自动切除，另一部分紧急负荷应采用手动接通，以免应急柴油发电机自启动运行后出现过负荷现象。
（2）发电机配电系统宜设置紧急负荷专用配电母线，一般采用放射式配电系统。应急电源与市电在电源端宜设置自动切换开关，对必须保证供电的重要负荷还应考虑当线路故障时，采用双电源双回路在最末一级负荷配电箱处自动切换。
（3）常用两台市电供电变压器和一台应急柴油发电机组的供电系统分三段母线，第三段母线为应急母线，接触器间设有电气及机械联锁装置。正常情况下，应急负荷由一段或二段母线供电，应急母线为备用。当两路市电都停电时，应急柴油发电机组自启动，自动向应急负荷供电。
图1 数据中心柴油发电机组设计实例
二、供配电系统设计
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。
1. 负荷等级与供电要求
（1）根据GB 50174-2017《数据中心设计规范》，A级数据中心应满足容错要求，可采用2N系统，也可采用其他避免单点故障的系统配置。A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源，备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组。
（2）数据中心机柜按一级负荷中的特别重要负荷供电，机房专用空调系统、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。
2. “2+2冗余”供电架构
（1）数据中心供配电系统采用2+2冗余配置，分别为两路10 kV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10 kV电源采用分段单母线同时供电互为备用，当一路故障时，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。
（2）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15 min配置，柴油发电机组作为后备电源。
（3）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，以及应急照明和消防等关系到生命安全的负荷容量。
3. 变压器与柴油发电机组配置
（1）变压器装机台数为7台，总容量为8750 kVA，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1250 kW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。
（2）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”放射式布线方式，确保每一路供电线路独立敷设，避免单点故障影响多台设备。
（3）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，实际达到了“2+2冗余”的更高可靠性等级。
图2 数据中心配电系统组成图
三、数据中心机房配电解决方案
1. 高压配电系统解决方案
（1）在本系统中采用2+2冗余架构，两路10 kV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。
（2）采用电力监控系统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、直流屏等设备进行数据监控。主要采用电能质量分析仪表APMD系列和AM5微机保护装置：
● APMD系列集成了全部电力参数的测量，带有RS485通讯接口，采用MODBUS-RTU协议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”功能。
● 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40 ms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。
2. 低压配电系统解决方案
（1）采用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）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。
（2）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。
（3）低压配电系统主要采用ACR网络电力仪表，能测量三相电流、电压、有功、无功功率、电度、谐波等所有常用电力参数，具备完善的通信联网功能，可直接取代常规电力变送器及测量仪表。
3. 精密配电柜系统解决方案
（1）精密配电柜进线回路电流较大（可达数百安培），出线回路电流较小（一般63 A以下），且负载路数较多。针对这一特点，配备AMC16MH多回路监控装置作为主体模块的数据中心电源管理系统。
（2）本系统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，以及84路出线电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能、无功电能等电参量的实时监控。
（3）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参数，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，实现对服务器末端IT设备的精细化管理。
总结
乌兰察布A级数据中心机房的电气系统设计采用了“2+2冗余”（两路市电+UPS+柴油发电机）的高可靠性供电架构，通过分段单母线同时供电互为备用的10 kV配电方式、7台变压器（6用1备）和7台1250 kW柴油发电机（6用1备）的冗余配置、放射式与树干式相结合的配电方式，以及针对高压、低压和精密配电三级系统分别配置的电力监控方案，实现了远超GB 50174标准对A级机房基本要求的供电可靠性。A级数据中心对柴油发电机组有明确的性能要求——发电机组性能等级不应低于G3级（突加50%负载时频率降小于7%、电压降小于15%），输出功率应选择COP持续功率或70%的PRP基本功率。该设计方案对大型A级数据中心的电气系统设计具有参考价值。
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