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成光（新华三集团紫光华山科技服务有限公司，天津市 300392 ） 0.引言 近年来，电子信息技术取得了突飞猛进的发展，数据中心作为IT技术的支撑载体，也取得了巨大的发展。包括中国在内的亚太地区已经成为数据中心建设的“主战场”，各地已建成及正在规划建设的数据中心数量及规模都成倍增长，但同时也带来了这样那样的问题。 电气系统与其它专业系统一起构成数据中心的有机整体，是数据中心非常重要的组成要素，电气系统在数据中心基础设施总投资中占有较大比重，其重要性不言而喻。本文通过对大型数据中心相关案例的分析，从电气系统协同设计的角度，探讨分析存在的问题，提出多专业协同设计对电气系统以及数据中心整体规划设计的重要意义。 1.实际案例一 某大型运营商数据中心，A级机房标准，双路10kV电源供电，空调系统为水冷方式，冷冻站设计了3台10kV高压冷机，N+1冗余运行方式。一路市电母线带2台冷水机组，另一路市电母线带1台冷水机组，其配电系统单线图如图1所示。 图1 某数据中心配电系统单线图 故障隐患分析：假设带2台冷水机组的市电母线或配电柜发生故障，将造成2台冷水机组电源停电不能工作，冷水机组二用一备将不能实现，空调系统存在很大的崩溃风险，威胁数据中心的整体运行。 可能的解决方案有两种以上，一种方案（如图2所示）是在每台冷水机组前端增加高压ATS，电源分别引自两组市电母线，共增加3台ATS。当一侧电源故障时，另一侧电源承担全部冷水机组负载供电。 图2 解决方案（一） 另一个可行方案（如图3所示）：只要在冗余的冷水机组前端增加一组高压ATS,电源分别引自两组10kV市电母线系统，另外两台冷水机组分别由两组10kV市电母线单电源供电。当一侧电源故障时，故障侧冷水机组停止运行，冗余的冷水机组切换到另一路电源供电，从而保证在一次大的故障后，冷水机组还有N台运行。 图3解决方案（二） 从这个案例可以看出，电气系统的设计没有配合体现出暖通系统的冗余理念。电气系统和暖通系统从本专业看是合理的，但是同一项目电气和暖通系统放到一起看却不甚合理，数据中心可靠性实际达不到国标A级标准。 有趣的情况是，机房实际的等级可能会随着机房负荷率的变化而变化：案例的系统架构如果不改造的话，在系统运行初期，其实际制冷量由单台冷水机组即可满足的情况下，冷水机组运行方式实际是2N架构，此时电气系统也为2N配电方式，电气及暖通架构是配合统一的容错架构，满足国标A级的要求；当实际制冷量超过1台冷水机组制冷量的时候，如运行2台冷水机组作为N（基本需求） 时，带2台冷水机组的市电母线或配电柜发生故障时，冷源系统就失去了N配置,这种情况下数据中心整体达不到A级机房的标准。 2.实际案例二 2.1原设计方案 某大型金融机构数据中心，在2013年按照国标A级机房标准规划建设完成并运行，双路10kV电源供电，空调系统为水冷方式，其机房空调室布置平面图及空调配电系统图如图4、图5所示。机房层模块机房单侧设置空调室，N+1精密空调运行方式，在空调室的右侧设置了空调ATS切换柜及输出配电柜。 图4某数据中心机房空调室布置平面图 图5某数据中心空调配电系统图 从图5可以看出，原设计采用的是空调室集中双电源切换的方式，切换后再单回路放射式供电到末端精密空调。 表1是GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》（已废止）及新修订的GB50174-2017《数据中心设计规范》关于末端切换及A级性能要求。 表1GB 50174-2008和GB 50174-2017关于A级机房要求
从GB 50174新老规范的要求来看，无论A级还是B级机房，对空调系统配电来讲，均要求末端切换。案例反映出的核心问题是对末端切换要求的理解存在不同的解读。从项目规划设计的时间段看，应执行GB 50174-2008的要求，新旧规范对A级数据中心均有容错的要求，新修订的GB 50174-2017强调了一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行，阐述更加具体，可操作性更强。 如果按照图5的精密空调配电设计做法，在ATS发生重大故障时，为模块机房服务的全部N+1精密空调失电，导致机房设备宕机。由于ATS只有1台，其发生重大故障后，短时间内没有冗余设备可以备份和替换，此时，配电架构中的ATS成为了明显的单点。这个问题反映出设计师有关电气系统冗余与空调系统冗余的思维理念处于不同的纬度，专业之间没有很好地理解对方的设计思想，导致数据中心设计没有融合成有机的整体。 该案例并不是一个孤立的案例，其它数据中心也看到有类似的做法。 2.2改造设计 为了提高数据中心可靠性，针对以上问题，该项目进行了风险评估及第一次改造设计，空调室配电平面图如图6所示。 图6第一次改造设计后的空调室配电平面图 利用空调室右侧的原空调ATS及输出配电柜，经改造拆除ATS后作为空调配电柜A;在空调配电柜A旁边新增空调配电柜B。对末端精密空调进行改造：每1台精密空调均增加1台ATS电源切换装置。原两路电源A、B可完全利用，分别就近接入空调配电柜A和空调配电柜B。 此改造方案对ATS总电源切换柜进行了改造，A、B电源均在每一台空调末端切换，解决了ATS的单点故障问题。 2.3改造设计的修改方案 图6看似很完美的改造设计方案，是否无懈可击了呢？ 图7是该数据中心空调室现场照片：通道左侧是原空调ATS配电柜，通道右侧为冷冻水立管及阀门。 图7 某数据中心空调室现场照片 如果冷冻水立管或阀门出现破损或漏水，水溅到立管对面的ATS配电柜上，ATS柜及A、B电源均可能发生重大短路故障，造成空调宕机。如采用第一次改造设计方案，因为A、B两路空调配电柜邻近布置，同样将受到对面的立管及阀门故障的影响。 图8 第二次改造设计后的空调室配电平面图 如图8所示，在改造设计的基础上，将改造拆除ATS后的空调配电柜A保留在空调室右侧原位置不动，将新增的空调配电柜B移至空调室最左侧位置 ，使空调室A、B电源进线及配电柜分别置于空调室左右两侧。当空调配电柜A或B附近的空调立管及阀门发生爆管或阀门漏水事故，将仅影响A或者B空调总配电柜，满足“基础设施应在一次意外事故后或单系统设备维护或检修时仍能保证电子信息系统正常运行”的要求。 从该案例可以看出，无论是暖通系统还是电气系统，均有可能因为本系统的故障导致其它系统发生故障，从而最终导致机房宕机。只有在规划设计阶段，电气专业与其它专业密切协同设计配合，各专业规划设计人员需要具备跨专业的系统知识，才能规划设计出高可靠性的数据中心，这对规划设计人员提出了更高的要求。 以上案例充分诠释了全专业协同配合的重要性。 3.实际案例三 部分项目过于追求建筑效果，工艺合理性不足，对数据中心安全运行造成隐患。如某金融行业已建成数据中心，因柴发机房进排风（烟）井道狭窄，其柴发机房百叶严重变形（如图9、图10所示），柴发运行时，柴发机房呈高负压状态，所有的门无法关闭。问题虽然表面上看是进风量和百叶窗的问题，但也暴露出来专业配合上出现了问题。对于数据中心这种类型的建筑而言，建筑必须首先满足工艺需要。电气专业作为柴发机房的主导专业，需要做好专业的配合工作，条件提出来后土建专业还要很好地落实需求，尽量避免出现问题后再花大力气改造的情况发生。 图9 某数据中心柴发机房变形的百叶（一） 图10某数据中心柴发机房变形的百叶（二） 4.结语 木桶定律告诉我们，一只木桶能盛多少水，并不取决于最长的那块木板，而是取决于最短的那块木板。任何一个组织或个体，其内在的各个部分往往是参差不齐的，而短板部分往往决定整个组织或个体的水平。一项完美的总体规划设计需要各专业的紧密协调配合，某一系统或某一专业并不能独善其身，这是一项复杂的系统工程，尤其是数据中心这种机电系统复杂度非常高的建设项目，多专业协同设计对电气系统以及数据中心整体规划设计具有非常重要的意义。 数据中心是众多机电系统与建筑体系的复杂集成，它就像一架复杂而巨大的机器，如何从规划设计阶段就考虑到：让它更好地运转起来，协调各系统发挥最大的作用，降低后期运维的风险，是数据中心规划设计人员需要认真思索的问题。 |
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