通信生產樓電力系統(tǒng)改造與IDC機房設計

［劉斌 黃自強］

1 引言

某運營商通信生產樓為2000年建成，相關電源配套設備均于2001投產運行。局房分為通信主樓，共27層，其中地下1層，主要為低壓配電室，地上26層為生產用房，其中3層空置，可作為本期IDC機房，其他樓層沒有空置房間；高壓配電室、變壓器室、柴油發(fā)電機房均設置在附屬樓。

大樓從兩個獨立變電站分別引入兩路10 kV電源，高壓配電室設置1套高壓配電系統(tǒng)，共13臺高壓配電柜，主供和備用電源進線開關具備機械和電氣聯(lián)鎖，用一備一，每路引入容量為4 000 kVA；配置4臺1 000 kVA干式變壓器，其中1#、2#主要為通信負荷供電（兩臺變壓器并列運行，峰值負荷為935 kVA），3#、4#主要為空調負荷供電（兩臺變壓器并列運行，峰值負荷為478 kVA）；每臺變壓器輸出通過2 500 A密集母線連接至低壓配電設備，現(xiàn)有低壓配電設備無可用輸出端子。大樓低壓配電室和油機室平面如圖1所示，大樓供電系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖1 大樓低壓配電室和油機室平面圖

圖2 大樓供電系統(tǒng)圖

2 現(xiàn)狀分析

根據(jù)大樓供電現(xiàn)狀，結合規(guī)范標準，經分析大樓電力系統(tǒng)存在以下問題需整改。

（1）中性線截面積不應小于相線截面積。供電系統(tǒng)圖（現(xiàn)狀）中有油機到油機輸出柜的電纜，油機輸出柜到低壓柜的電纜，3#、4#變壓器器輸出柜到低壓柜的電纜，這幾段的電纜的零線線徑小于相線線徑。根據(jù)GB 50174-2017要求配電線路的中性線截面積不應小于相線截面積[1]，建議增加零線電纜根數(shù)，使相線和零線電纜線徑至少同截面積。因為供電線路中易產生諧波電流及三相負荷不平衡現(xiàn)象，而中性線含三相諧波電流的疊加及三相負荷不平衡電流，實測往往等于或大于相線電流，故中性線截面積不應小于相線截面積。

（2）設備與標識不匹配。供電系統(tǒng)圖（現(xiàn)狀）中，高壓柜AH6（4#變壓器）連接的是2#變壓器，高壓柜AH9（2#變壓器）連接的是3#變壓器，高壓柜AH10（3#變壓器）連接的是4#變壓器；造成設備名稱與標識指向對應不上，容易使人混亂，易發(fā)生誤操作。應將高壓柜變壓器編號與之所接入的變壓器編號一致。

（3）主備電源同源。1#和2#變壓器、3#和4#變壓器為并列運行，聯(lián)入的是同一路市電而且所帶的也是同一種設備負荷。該局房為雙路市電供電，這種配電架構沒有體現(xiàn)出雙路市電可靠性和優(yōu)越性，極易造成主、備兩路同時停電的現(xiàn)象；建議將2#和3#變壓器進線開關互換，即2#變壓器接高壓AH9柜，3#變壓器接高壓AH6柜；將3#變壓器輸出柜到4#低壓進線柜的電纜拆除，所有聯(lián)絡開關斷開。這樣1#和2#變壓器、3#和4#變壓器分別引入不同的兩路市電，對于說接入的低壓配電系統(tǒng)上通信或空調設備來說才是真正意義上的雙路供電。正常工作時1套低壓系統(tǒng)的兩臺變壓器各帶一段，有一路停電或檢修時，另一路的變壓器帶全部，當兩路都停電時，油機帶全部[1]。

（4）變壓器和高低、壓設備存在超期服役現(xiàn)象。局房為2000年建成，相關電源配套設備均于2001投產運行，根據(jù)《中國聯(lián)通通信網絡運行維護規(guī)程（2013年修訂版）》規(guī)定，本局房的高低壓和變壓器運行超過20年，構成超期服役，應進行設備更新。鑒于1#和2#變壓器負荷率較高（接近變壓器容量95%），又超期服役，安全隱患較大，建議先對這兩套變壓器進行更新擴容，其他設備應制定更新計劃和割接方案，分步驟按計劃進行更新。

3 建設需求

把大樓3層改造成IDC機房，機房按照T3級標準設計[2]。機房建筑面積701平米，層高4米，梁下凈高3.5米。機房采用微模塊建設方式，單機架尺寸（寬*深*高）600 mm*1 200 mm*2 200 mm，單機柜平均功耗4 kW，電池后備時間15分鐘，樓板均布活荷載10 kN/m2。

本期建設需求160個服務器機架，其中120個為機架租賃，40個為自有業(yè)務，并考慮一定的發(fā)展冗余。

4 機房規(guī)劃

3層機房采用微模塊建設方式，列間空調制冷，上走線；機房共規(guī)劃6個雙列微模塊，2個單列微模塊，共計267個機位，規(guī)劃成為3個業(yè)務區(qū)：自用業(yè)務區(qū)、機架租賃區(qū)和業(yè)務發(fā)展區(qū)。

其中自用業(yè)務區(qū)可提供41個機柜，機架租賃區(qū)可提供130個機柜，可滿足近期業(yè)務需求；業(yè)務發(fā)展區(qū)預留96個機柜，給業(yè)務的發(fā)展需求做預留。3層IDC機房平面規(guī)劃如圖3所示。

圖3 3層IDC機房平面規(guī)劃圖

由于通信用變配電系統(tǒng)基本滿載，不能滿足新增機房負荷需求，需要對這套變配電系統(tǒng)擴容；而因機房改造新增的電源系統(tǒng)也需要安裝場地。因此將地下室低壓配電室旁邊的3處空置房分隔改造成新低壓配電室、UPS室和電池室，具體布局如圖4所示。

圖4 地下室分隔改造布局圖

5 IDC機房設計方案

5.1 機房配套

將機房重新粉刷，鋪設防靜電地板，架空高度20 CM，一方面用于空調管路布放，另一方面可滿足日后機房等保認證的條件。

機房采用微模塊布置，冷通道封閉。主列假設雙層走線架，兩層走線架之間設置尾纖槽道，做到電源線、數(shù)據(jù)線和尾纖三線分離，設備列采用微模塊的架頂走線槽。左、右側微模塊各確定一個機柜安裝ODF子框，作為此區(qū)域的光纜接入及跳纖使用。

UPS室及電池室架設走線架采用上走線，并與低壓配電室及三樓機房打通相連。

在機房新建一套接地系統(tǒng)，通過接地銅排與大樓地網相連。

5.2 機房電源

由于服務器的電源對高壓直流不是100%兼容，所以還是選用UPS電源為本機房的供電電源。本機房選用模塊化UPS電源，應具備ECO模式，功率模塊具備休眠工作模式，并具有手動或自動開關功能，有效提高設備帶載率，整機效率大于96%。

本期工程機房電源采用UPS(N+1)+市電直供的供電方式。機房近期機柜新增171個，單機柜平均功耗4 kW，共計新增設備功耗684 kW，根據(jù)公式E≥1.2P（功因取0.9）計算[1]，計算得出UPS容量為912 kVA，根據(jù)UPS帶載率不超過90%的原則，配置3臺450 kVA模塊化UPS電源，采用N+1運行方式。UPS電源輸出配置4臺抽出式開關柜，內設3個800 A/3P框架斷路器作為3臺UPS的輸出，1個1 250 A/4P框架斷路器作為這套UPS外部維修旁路（掛鎖），配置12個200A/3P抽出式開關作為列頭柜輸出開關；配置2個市電直供柜，內設1個1 250 A/3P框架斷路器，12個200 A/3P抽出式開關作為列頭柜輸出開關。UPS電源接入新1#低壓配電系統(tǒng)，市電直供柜接入新2#低壓配電系統(tǒng)。

UPS電源后備時間不少于15分鐘，根據(jù)公式Q=1.25×W/0.9/240/N（W為負載功率，N為2），根據(jù)每臺UPS電源配置4組550W/480V的高倍率電池。

遠期新增96個機柜，新增負荷384 kW，配置2臺500 kVA模塊化UPS電源，建議采用2N雙母線的運行方式，UPS電源后備時間15分鐘，每臺UPS電源配置4組550 W/480 V的高倍率電池。每臺UPS電源輸出配置2臺抽出式開關柜，內設1個800A/3P框架斷路器作為UPS的輸出，1個800A/4P框架斷路器作為UPS外部維修旁路（掛鎖），配置8個200A/3P抽出式開關作為輸出開關；這部分電源設備需在UPS室和電池室做場地預留。

5.3 機房空調

機房左右跨度34米，送風距離超過15米，不建議采用房間級空調，建議采用列間空調。微模塊選用制冷量48kW的列間空調，且有柱子的微模塊空調也不減配。雙列微模塊空調采用4主1備的運行方式，單列微模塊空調采用2主1備的運行方式?？照{系統(tǒng)應選用帶氟泵功能的雙循環(huán)空調，并采用蒸發(fā)冷凝的輔助措施將空調能耗降至最低。

本期工程選用的列間空調帶雙電源自動切換模塊，機組具備氟泵雙循環(huán)功能采用集中式風冷冷凝器，減少室外占地面積。機組DX能效3.5氟泵0℃能效比>13.6（純泵模式），-5度能效比>20.4。本期共新增制冷量48 kW的列間空調23臺，其中主用18臺。配置兩臺630 A/380 V空調配電柜，作為空調主備電源，在空調側自動、手動切換，一臺空調配電柜接入3#低壓配電系統(tǒng)，另一臺接入4#低壓配電系統(tǒng)。機房微模塊配置見表1所示。

表1 機房微模塊配置統(tǒng)計

按照UPS轉換效率95%計算，配置2臺制冷量30 kW的氟泵雙循環(huán)空調放置于UPS室。電池室在地下室可不配置空調，設置一套換氣扇，通過風管引至室外。

5.4 變配電系統(tǒng)的改造方案

大樓為2000年建成，相關電源配套設備均于2001投產運行，運行年限超20年，存在超期服役，需要對這些設備有計劃地、逐步、分批更新。

首先將1#、2#和3#、4#低壓系統(tǒng)解列，改為2N結構，按一主一備方式。平時低壓母聯(lián)斷開，兩臺變壓器同時運行各帶一段。其中有一臺發(fā)生故障時，通過母聯(lián)開關（自動轉換）由另外一臺變壓器承擔全部負荷。將2#和3#變壓器進線開關互換，即2#變壓器接高壓AH9柜，3#變壓器接高壓AH6柜，這樣1#和2#變壓器、3#和4#變壓器分別引入不同的兩路市電，組成真正意義上的2N結構[1]。

（1）1#、2#變配電系統(tǒng)

本期變壓器1#、2#系統(tǒng)新增設備負荷805.5 kW，補償后847.89 kVA，遠期（機房終局）變壓器1#、2#系統(tǒng)新增設備負荷1 257 kW，補償后1 323.16 kVA。1#、2#變配電系統(tǒng)負荷統(tǒng)計如表2所示。

表2 1#、2#變配電系統(tǒng)負荷統(tǒng)計表

現(xiàn)1#、2#變壓器峰值負荷為935 kVA，機房終期設備最大負荷1 323.16 kVA，共計2 258.16 kVA。將現(xiàn)有1#、2#變壓器更換成2500 kVA的容量，變壓器到輸出柜的母線做相應更換。變壓器峰值帶載率90.3%，小于95%，滿足變壓器安全帶載要求，方案可行。

在新低壓配電室設置2套低壓配電系統(tǒng)，將自1#、2#變壓器輸出柜各引1路母線至新建的2套低壓配電，每個變壓器各帶一套低壓配電系統(tǒng)，采用2N架構，按一主一備方式。平時低壓母聯(lián)斷開，兩臺變壓器同時運行。其中有一臺發(fā)生故障時，通過母聯(lián)開關（自動轉換）由另外一臺變壓器承擔全部負荷。每套系統(tǒng)設置一個市電油機切換柜，接入油機電源[1]。

本期中1#、2#的新舊低壓系統(tǒng)同時存在，因為割接是一個耗時而又細致的工作，需要逐步進行。

（2）3#、4#變配電系統(tǒng)

本期變壓器3#、4#系統(tǒng)新增空調負荷250.28 kW，補償后263.45 kVA，遠期（機房終局）變壓器1#、2#系統(tǒng)新增空調負荷484.23 kW，補償后407.77 kVA。3#、4#變配電系統(tǒng)負荷統(tǒng)計見表3所示。

表3 3#、4#變配電系統(tǒng)負荷統(tǒng)計表

現(xiàn)3#、4#變壓器峰值負荷為478 kVA，機房終期空調最大負荷407.77 kVA，共計885.77 kVA?，F(xiàn)3#、4#變壓器容量1 000 kVA，變壓器峰值帶載率88.58%，小于95%，滿足變壓器安全帶載要求。但這兩臺變壓器超期服役，需要逐一更新替換。

將3#變壓器輸出柜到4#低壓進線柜的電纜拆除，3#、4#變壓器將聯(lián)絡開關斷開，平時各帶一段，若一路市電中斷，將聯(lián)絡開關合閘，一臺變壓器帶全部。新增兩臺抽出式開關柜，分別連接23#柜和33#柜的母排（可短時停電進行操作），用于3樓機房空調主、備配電使用。

日后（本期不進行這部分的工作），在1#、2#的舊低壓系統(tǒng)負載割接到新增的低壓系統(tǒng)上后，將舊低壓系統(tǒng)拆除。在其位置上新建2套低壓系統(tǒng)用于空調及建筑負荷，將3#、4#低壓系統(tǒng)負載割接到新建的這兩套低壓系統(tǒng)上。新建的這套低壓系統(tǒng)采用2N 配電結構按一主一備方式，平時低壓母聯(lián)斷開，兩臺變壓器同時運行。其中有一臺發(fā)生故障時，通過母聯(lián)開關（自動轉換）由另外一臺變壓器承擔全部負荷。每套系統(tǒng)設置一個市電油機切換柜，接入油機電源。原低壓系統(tǒng)負載割接完成后拆除。

（3）油機供電系統(tǒng)

大樓設置2臺1 100 kW和1臺800 kW的油機，采用N+1運行方式；3樓機房終局后通信設備最大負荷1 323.16 kVA，空調設備最大負荷885.77 kVA，共計2 208.92 kVA。因此需要新增一臺油機1 100 kW油機形成3+1的運行方式。從2臺油機輸出柜各引出1條密集母線分別到新建的1#、2#低壓系統(tǒng)的市電油機切換柜，將油機電源引入低壓系統(tǒng)。

采用電纜布放的油機輸出電纜，零線線徑小于相線，建議增加零線電纜，使零線和相線的電纜線徑一致[1]。考慮油機也存在超期服役現(xiàn)象，建議根據(jù)情況逐步替換。

6 結束語

IDC機房應以“保證近期需求、適度控制規(guī)模、兼顧遠期發(fā)展”為原則開展建設。建設規(guī)模應根據(jù)業(yè)務需求，考慮外市電容量、設計生產能力等因素進行定性、定量分析后確定機架數(shù)和電力系統(tǒng)的改造。

大樓電力系統(tǒng)改造應統(tǒng)一規(guī)劃，根據(jù)業(yè)務需求分期分批啟動建設，可合理儲備，在系統(tǒng)架構設計上按照較高等級數(shù)據(jù)中心標準預留。