通信生產樓電力系統改造與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，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 大樓供電系統圖

2 現狀分析

根據大樓供電現狀，結合規范標準，經分析大樓電力系統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。供電系統圖（現狀）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，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。供電系統圖（現狀）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出雙路市電可靠性和優越性，極易造成主、備兩路同時停電的現象；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《中國聯通通信網絡運行維護規程（2013年修訂版）》規定，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個為自有業務，并考慮一定的發展冗余。

4 機房規劃

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

其中自用業務區可提供41個機柜，機架租賃區可提供130個機柜，可滿足近期業務需求；業務發展區預留96個機柜，給業務的發展需求做預留。3層IDC機房平面規劃如圖3所示。

圖3 3層IDC機房平面規劃圖

由于通信用變配電系統基本滿載，不能滿足新增機房負荷需求，需要對這套變配電系統擴容；而因機房改造新增的電源系統也需要安裝場地。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、數據線和尾纖三線分離，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，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，市電直供柜接入新2#低壓配電系統。

UPS電源后備時間不少于15分鐘，根據公式Q=1.25×W/0.9/240/N（W為負載功率，N為2），根據每臺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{系統應選用帶氟泵功能的雙循環空調，并采用蒸發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，另一臺接入4#低壓配電系統。機房微模塊配置見表1所示。

表1 機房微模塊配置統計

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#低壓系統解列，改為2N結構，按一主一備方式。平時低壓母聯斷開，兩臺變壓器同時運行各帶一段。其中有一臺發生故障時，通過母聯開關（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

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

表2 1#、2#變配電系統負荷統計表

現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，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，采用2N架構，按一主一備方式。平時低壓母聯斷開，兩臺變壓器同時運行。其中有一臺發生故障時，通過母聯開關（自動轉換）由另外一臺變壓器承擔全部負荷。每套系統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

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

表3 3#、4#變配電系統負荷統計表

現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?，F3#、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#變壓器將聯絡開關斷開，平時各帶一段，若一路市電中斷，將聯絡開關合閘，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#的舊低壓系統負載割接到新增的低壓系統上后，將舊低壓系統拆除。在其位置上新建2套低壓系統用于空調及建筑負荷，將3#、4#低壓系統負載割接到新建的這兩套低壓系統上。新建的這套低壓系統采用2N 配電結構按一主一備方式，平時低壓母聯斷開，兩臺變壓器同時運行。其中有一臺發生故障時，通過母聯開關（自動轉換）由另外一臺變壓器承擔全部負荷。每套系統設置一個市電油機切換柜，接入油機電源。原低壓系統負載割接完成后拆除。

（3）油機供電系統

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#低壓系統的市電油機切換柜，將油機電源引入低壓系統。

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]?？紤]油機也存在超期服役現象，建議根據情況逐步替換。

6 結束語

IDC機房應以“保證近期需求、適度控制規模、兼顧遠期發展”為原則開展建設。建設規模應根據業務需求，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和電力系統的改造。

大樓電力系統改造應統一規劃，根據業務需求分期分批啟動建設，可合理儲備，在系統架構設計上按照較高等級數據中心標準預留。