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京东数据中心主要基础设施系统(一)

作者:中国美国怡春院网新闻中心 来源:京东数据中心 发布时间:2019-07-12 浏览:
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10.1. 京东云华东数据中心主要基础设施系统

10.1.1. 供配电系统

1.京东110KV专用开关站

全力保证负荷用电的高可靠性是本怡春院分院在规划时的重点目标之一。建立京东专属的110KV开关站是达成这一目标的绝佳途径。110KV开关站紧邻本怡春院分院园区,其上一级来自两个不同的220KV变电站专线。在110KV开关站内设2台63MVA用户主变变压器,容量满足整个数据中心园区最大用电量。当两台用户变任意一台检修或发生故障时,另一台完全满足园区内所有设备的正常用电需求。

图10.2.1-1供电区域网络图(来源网络,仅供参考)

110kV开关站主接线采用分段单母线,正常运行时,两路110kV电源分别向两段母线供电,母联断路器此时为断开状态。当一路110kV电源停电或检修时,母联断路器投入运行,由第二路电源向两段母线供电,每路电源均可带起全部负荷。

在110KV开关站内经110KV/10KV变压器输出,在变电所内按A、B双路10KV分别送至园区各个模块楼及办公楼。站内10kV母线段以放射式向各模块供电。两段母线分别向各个模块提供A/B路电源,当一段母线故障或停电时,另一段母线经母联断路器投入带载两段母线全部负荷。

2.后备柴油发电系统

1) 系统的特点

a. 当只有一路市电停电或检修时,并机系统按4+1的模式运行,例如:当市电A停电时,并机系统A组4台发电机组启动运行,当其中一台机组故障时,则自动启动B系统优先级别最高的一台发电机组投入并机运行。

b. 当A/B路市电先后同时断电时,并机系统按7+1模式启动 运行。

c. 当市电发生断电,发电系统自动投入运行,与市电自动切换。当市电恢复,经人工确认后,手动恢复市电供电。

d. 当柴油发电系统在得到市电两个不同断电信号后快速启动柴油发电机组,避免发电机组的误启动。

e. 在限定时间内发电机组启动并自动合闸负载馈电开关,确保重要负载的紧急供电需要。若并机不成功,系统立即会发出告警信息。

f. 系统设置可监测A、B二并机母线间的联络开关状态,如果该开关状态为分闸状态,则系统只允许并保持A、B各自独立运行。

g. 并机控制系统具备断电自启动、自动投入、自动加载和自动卸载、自动负载均分、负载优先级控制、市电切换管理系统、系统智能监控、机组测试控制等功能。

h. 发电机组故障与报警信息包括但不限于电压过高/低、频率过高/低、超速、高水温、低润滑油压力、冷却液位低、差动保护、接地故障、蓄电池电压过高/低等等。

i. 供油管道采用双环路设计。从主油罐到各个机组日用油箱的储油罐、输送通道、供油泵、供储油控制系统等均具备并行维护/容错能力。

j. 油罐储油量在无外部支援情况下满足发电机组大于12h带载连续运行,并有紧急供油协议作为后继可靠保障。

k. 日用油箱设置高高位、高位、低位、低低位四段式油位报警和监控,当任意一个日用油箱油位低时,自动开启供油电磁阀和启动供油泵,油位至高位时自动关闭供油电磁阀。当全部日用油箱的柴油全部到达高位时,则自动停止供油泵的运行。如果某一供油泵运行故障,则自动启动备用供油泵。

图10.2.1-4 模块楼10KV市电/油机供切换电示意

1) 系统的可靠性

a. 本怡春院分院采用进口柴油发电机组,满足国际及国内相关标准。

b. 该机组具有良好的启动性能,配有发动机缸套水加热装置,在备用状态时保持缸套水温度在32℃以上,保证在低温时(冬季)的快速启动和带载能力。

c. 发电机配置有防潮加热器,防止因空气湿度过高降低发电机绝缘性能而造成安全风险。

d. 满足GB2820标准中G3等级要求。该机组可以承受负载突加75%,以保证发电机组快速启动后可以快速地加载。

e. 并机主控系统冗余设计,有效提高了并机系统的可靠性。

f. 采用原装进口WOODWARD并机控制模块,与发电机组控制具有良好的匹配性,提高了并联运行的时间,降低负载分配误差。

g. 发电机采用2/3绕组节距和模绕定子线圈,有效降低了非线性负载产生的谐波对发电机系统的干扰和影响。

h. 发电机可以承受负载超前功率因数至0.9,而输出功率没有任何折损。

i. 任意一套油路系统PLC控制出现故障时,自动切换至另外一套PLC控制系统,保证系统供油的可靠性。

2) 发电系统介绍

a. 柴油发电机组

发电机组分别安装在两个发电机房内,采用建筑顶部直接进风,侧外墙直接排风方式,最大化满足机组进排风的需求。排风降噪室单独设置,有效降低机房内的噪音量。

图10.2.1-5 模块楼10KV柴油发电机房

发电机组并机10KV金属铠装移开式开关柜为行业一线品牌原厂柜,柜内断路器、综保的开关量信号、每台开关柜或系统的电压、电流、频率、有功功率、无功功率,系统运行方式,实时电压、电流变化图表等重要参数全部引至并机监控屏,和发电机组各类信息全部集成到并机操作系统内,形成控制、监视、告警一体化监控平台。

图10.2.1-6 模块楼10KV柴油发电机并机室

a. 柴油发电机组的并机控制

图10.2.1-7 模块楼10KV柴油发电机并机页面一

机组控制采用进口并机控制模块,15英寸彩色触摸屏显示。可实现自动启动、自动投入、自动并机、自动加载和卸载顺序控制、自动负载均分、自动备用冗余控制、负载需求控制、负载优先级控制、一键停机、市电切换管理、系统智能监控、BMS信息提供、机组测试控制、实现多种形式的N+1控制等功能。

图10.2.1-8 模块楼10KV柴油发电机并机页面二

监控页面显示丰富,可显示每台机组运行状态及机组参数列表、并机状态、并机方式、故障列表、切换列表、告警信息、实时负载均衡等等。

a. 供储油系统介绍

本怡春院分院每个数据中心模块的供储油系统独立设置、物理隔离。每个模块配置两个25立方埋地柴油储罐,每个柴油罐配置一用一备2台供油泵,两罐之间配置一台倒油泵。储罐区至机房日用油箱间输油管路为双环路设计,具备在线检修及容错能力。

供储油系统上电后PLC系统自动检索运行,、当检测到日用油箱液位信号按照油箱高低液位阀值启停油泵、控制油泵的切换。系统在自动运行时根据检测到的日用油箱供油液位限值信号后启动A1泵(见图10.1.2-6~7内容),当A1供油泵有故障时自动延时切换至A2供油泵运行。运维后台实时监视油泵运行状态。

日用油箱控制模式:分为手动模式和自动模式,手/自动模式均在就地控制柜上选择。在手动模式下供油阀可以手动启停,根据人工监视液位及设备状况进行手动操作,液位到达高液位时手动停泵,液位到划定供油液位位置时手动启泵。

在自动模式下系统根据液位信号判断是否自动启停供油泵,当液位低于低液位设定值时,供油泵接到信号后联锁加油阀自动打开加油,油位到达高液位时供油泵接到信号联锁加油阀关闭;当系统切换至自动模式时检测到油位高于设定的低液位时加油阀不动作并且保持关闭状态,只有到达低油位设定值加油阀才会打开。

告警信息:液位告警信息、运行及故障信息均可在现场和运维监控室监视到,关键信息均联动声光报警器发出警告信号。

卸油泵自动启动条件:火警触发卸油泵启动,火警信号撤除或油箱液位达到低限位设定值时卸油泵延时停泵。

其他配套设施:泵房内设置有消防及危险性监控装置、排水设施、通风设施、照明及疏散措施等。

a. 在线检修维护供电系统

当其中一路变压器或低压供电模块检修维护时,由柴油发电机组供电,经低压侧ATS切换至计划性维护电源负载回路。采用柴油发电机组供电方式可以很好的避免变压器占用容量费用问题及消化柴油存储过期问题。存在的难点就是需要经验丰富的技术工程师进行全程监管式操作。

图10.2.1-14 模块楼计划性在线检修供电系统示意

3.模块内10KV配电系统

市电10KV金属铠装移开式开关柜采用行业一线品牌原厂柜,配置一套独立的后台监控系统,可以实时检测电压、电流、频率、有功功率、无功功率、变压器的温度,监视系统运行方式,监测实时电压、电流变化曲线并生成图表,生成能源消耗及谐波分析报表,形成控制、监视、告警一体化监控平台。

图10.2.1-15  模块内市电10KV系统示意图

市电10KV系统重要检测参数均并行上传至运维监控系统,使每一个重点供电环节实现无死角无盲区监视。

图10.2.1-16模块楼市电10KV开关设备

4.低压供配电系统

京东云数据中心电力系统是按Uptime TIER Ⅲ等级及GB50174-2008 中A类机房的要求设计建造。

本怡春院分院设有A、B两个相互隔离的10/0.4KV主用变配电室,和一个10/0.4KV备用变配电室。总共配置了8台2500KVA主用变压器,A、B路各4台;其中A路和B路各2台为电子信息设备供电;另外4台组成两组两进一母联供电模式,为辅助设备供电;备用变配电室设置1台2500KVA变压器,用于低压侧计划性检修时为电子信息设备机柜供电。

从10KV变配电室开始,经UPS配电室,至机房模块配电列头柜,两路供电电源采用不同路径敷设,对于局部发生火灾时可以起到物理隔离的作用,提高电力保障水平;同时电子信息设备和辅助设备采用不同的变压器供电,避免感性负载(电动机类)频繁启动时对电子信息设备供电变压器的冲击。

本怡春院分院包括八个生产机房和两个网络接入机房。机房内所有电子信息设备均采用UPS供电。其中两个生产机房和两个网络机房电子的供电模式为2N,其余六个生产机房的供电模式则为N+1。

辅助设备电源采用“UPS+市电”的供电模式,低压总进线柜设置母联联络,末端采用自投联络供电。蓄电池按UPS额定输出功率计算,单台UPS后备蓄电池支撑时间均不小于15分钟。当一路市电电源故障时,110KV变电站内10KV母线联络开关动作,故障回路负荷均由另一回路承担;当两路市电电源均发生故障时,机房模块内负荷由UPS蓄电池供电,同时备用柴油发电机组启动,向机房模块、空调冷源、照明等负荷供电。

低压供配电系统架构图 10.2.1-17

一个好的系统除了要有科学合理的架构,使用高品质的设备产品可以为系统的安全高效提供可靠保证。所以,京东云华东数据中心在电气设备的选用上不遗余力。

1) 低压配电柜

本工程采用某品牌授权的MNS2.0系列低压配电柜,内置Emax系列空气框架断路器,Tmax塑壳断路器,柜体防护等级为IP30。

A. 框架结构

标准化组件派生模块设计,灵活性高;框架为带有25mm间隔模数孔的C型骨架,无需专用工具即可组装成各种柜体,结构紧凑。

B. 母线系统

MNS2.0型配电柜的母线系统包括主母线系统、分支母线系统及PE/N排母线系统等;可按要求设计为三相四线或三相五线制;水平PE/N排安装在柜体前面下部,PE排和N排均开有模数孔,便于电缆连接。

a) 主母线(水平母线)技术特点

采用优质铜母线,导电率高于99.9%;

良好的动热稳定性能,额定短时耐受电流Icw≥100kA ;

背靠背公用母线,边缘预留拼接孔,易于扩展;

b) 分支母线(垂直母线)特点

良好的动热稳定性能,Icw≥86kA ;

双母线或母线分隔;

C. 抽出式功能单元

有效安装空间为72E ,单柜最多可安装36个回路;

抽出式、固定式, 插入式可混合安装在一个系统中,以达到最优化组合;

D. Emax系列空气框架断路器

a) 断路器结构特性

操作机构是美国怡春院型的,即用预先美国怡春院的弹簧操作;弹簧美国怡春院可以手动操作前面盘的手柄或利用齿轮式电动机电动操作。通过安装在操作机构内部的合闸及分闸线圈,以及使用齿轮式电动机对弹簧美国怡春院,断路器可以实现遥控操作并联动至监控系统。

抽出式断路器的固定部分有隔离固定触头的遮板,遮板在断路器被抽出隔间时闭合;同时可使用挂锁将遮板锁在闭合位置,防止意外。

b) 电子脱口器

本怡春院分院选用的是PR122型电子脱扣器附件,可实现一套集完整保护、准确测量、信号指示为一体的功能模块。主要特点包括:

运行时不需外部电源;

采用微处理器技术,精密度高;

对电流的真实值R.M.S(均方根值)反应灵敏;

故障原因指示以及脱扣数据记录。

c) N线具有全额定电流

Emax系列断路器的N线具有全额定电流承载能力,适用于数据中心供配电系统,即适用于单相在中性线上产生很大的第3次谐波电流的情况。典型的应用包括负载中安装有产生高谐波畸变的电子信息设备,荧光灯管的照明系统、逆变和整流系统,UPS和电动机调速系统。

d) 环境对开关容量的影响

Emax系列断路器对于环境温度在40℃(含)以下及海拔高度在2000米(含)以下,其性能不会发生任何变化。

2) UPS输出列头配电柜

本工程采用某品牌SPM系列精密配电柜作为UPS输出列头柜。SPM系列列头柜具备完善灵活的配电系统,丰富的安全、运营成本管理功能。

A. 配电系统

支路微型断路器选用S200系列,配合可热插拔终端母线系统,可实现在线热插拔、调相功能,维修或扩容时不需要断电。

浪涌保护器TVSS选用OVR BT2系列,响应时间小于0.5ns,残留电压小于1000V,具备高频杂波滤除功能,全模式防护(相线-中线,相线之间,以及中线对地线),内置独立熔丝保护,确保设备安全可靠。

列头柜内预留空间,保证怡春院分院投产运行后零地电压不达标时,可及时安装隔离变压器。

B. 安全、运营成本管理功能

将配电系统完全纳入机房监控系统,监控所有回路(包括每一个输出支路)的电气参数,并可设定两段电流阈值分级预警,使用户对机房模块内配电系统运行状况一目了然,也便于用户及早发现安全隐患,有效规避风险。

a) 母线监测参数

包括三相输入电压、电流、频率、有功功率、功率因数、谐波百分比、负载百分比、电量等。

b) 支路监测参数

包括支路额定电流、实际电流、支路负载百分比、支路开关状态、支路电量等。

c) 触屏面板

采用7寸彩色LCD触屏面板,具备清晰实时显示配电系统单线图及各开关运行状态;

实时记录负载状况并显示变化趋势,便于用户判断分析;

设置口令保护,增加权限管理功能;

d) 分级预警和声光告警提示

主路过压、欠压、缺相、过载、电流阈值超限等故障告警;

每输出支路的电压、电流、功率、及开关状态告警;

可设定两段负载电流阈值,分级预警,确保及时准确地采取有效措施;

变压器过温告警;

告警时屏幕闪动,并配合蜂鸣器提醒;

e) 纳入机房监控系统

支持RS232/485或SNMP多种智能通讯接口;

主路及支路电量定期统计存储;

面板可保存超过2000条报警信息,便于故障分析。

3) UPS不间断电源

本工程采用某品牌Galaxy系列高频UPS机组,其中为电子信息设备供电的UPS采用Galaxy 7000系列400KVA机组并机运行,有N+1及2N两种供电模式;为动力设备(如冷冻水泵、精密空调)供电的UPS采用Galaxy 7000系列500KVA机组,与市电形成双路供电(末端切换);为照明、环控等辅助用电设备供电的UPS采用Galaxy 5500系列120KVA机组,与市电形成双路供电(末端切换)。以下简单介绍Galaxy 7000系列UPS的性能及优势。

A. 技术特点

Galaxy 7000系列设计采用了各种创新的理念和尖端的技术,确保为各种配电系统中的大功率设备提供全年无间断的高品质供电。

双转换技术(符合IEC 62040-3/EN 62040-3标准VFI级),该技术是目前唯一可完全隔绝上游电网与负载的、并提供再生的高品质稳定电压的技术。图10.2.1-18 为配有双IGBT组件的三相PFC正弦电流整流器的示意图。

基于IGBT-PFC的正弦电流输入整流器:整流器吸收正弦波电流,几乎不含任何无功功率,从而避免了因谐波再注入而对上游电网所造成的干扰:

- 超低的电流总谐波失真度THDI小于5%;

- 负载大于50%以上时输入功率因数(PF)高于0.99。

上述性能水平结合无中线输入的三相配置,即可显著节省电缆及供电设备的投入成本。

图10.2.1-18 配有双IGBT组件的三相PFC正弦电流整流器的示意图

独立于交流电源的蓄电池充电器:充电器由整流器输出供电,可防止交流电源输入产生的波动。蓄电池充电器可按照温度变化对蓄电池进行再充电调节。

输入电源相序检测:用以保护UPS电源免受不正确相序连接所造成的危害。

宽大的输入电压(250 V至470 V)及频率(45 Hz至65 Hz)范围;双转换PFC整流技术可兼容所有类型的及受到干扰的供配电系统,可实现输入电压及频率范围的扩大(35%负载率下输入电压可低至250 V)。

软启动:在逐步启动整流器至0.99功率因数期间,该系统可完全与柴油发电机组兼容,并实现:

- 当交流电源不可用时,逐渐转移从蓄电池到发电机组的负载。

- 当主交流电源返回到容限范围内时,可延迟蓄电池到负载的输出,避免交流电源出现过载变量。

- 在并机系统中,设置逆变器顺序启动。

可满足适用于各种负载的高品质输出电压(如380 V、400 V、415 V或440 V)。

- 输出电压谐波失真度THDU <3%;

- 适合所有类型的负载,输出功率因数PF = 0.9,即适用于最新型的容性、非线性计算机负载,满足负载功率因数PF超前0.9及高峰值因数。

鉴于长距离电缆存在着压降,输出电压可在额定值±3%范围内调整(0.5V为一个增量级)。

负载阶跃响应能力:从100%到0%或从0%到100%的负载阶跃变化时,输出电压变化<2%,并在100ms内返回到±1%的容限范围以内。

逆变器极高的短路限流能力(2.5 In - 150 ms),有助于实现下游保护设备的完全选择性,峰值因数可达3:1。

A. 节能高效

基于IGBT的PFC整流器可吸收正弦电流。

具有中性线再生的不含变压器的高频UPS,可实现减小占地面积、提高效率、减轻设备重量;

高达94.5%的效率,从25%至100%负载基本恒定;在ECO节能模式下运行效率高达97%,最终可在运行电费以及空调开支方面显著降低成本。图10.2.1-19为400kVA UPS效率曲线。

图10.2.1-19 400kVA UPS效率曲线

快速蓄电池充电器为标准配置,实现节能效果。

充电器优化运行功能以保护蓄电池,在3毫秒内的短瞬停电将不会启动蓄电池供电。

环境温度在20℃以下时,可提升7.5%额定功率。图10.2.1-20为Galaxy 7000系列UPS输出功率随温度变化曲线。如图所示,对于Galaxy 7000 400KVA UPS,在20℃以下时可将原400 kVA的功率提高至430kVA。

图10.2.1-20 输出功率随温度变化曲线

A. 高效冗余型全监控通风系统

采用轴流式风机,可显著优化功率器件的运行状态。

每个功率器件采用至少由两个冗余的风机冷却,即使其中一个风机故障,也能确保功率器件继续正常运行。图10.2.1-21为冗余的通风系统示意图。

通过自动调节器、传感器或NTC(负温度系数)电阻对所有风机实施监控,一旦检测到故障,则立即发出报警。

所有功率器件的使用寿命均按照平均温度25℃条件下计算。若温度高于40℃(可设定参数),则显示“环境温度报障”信息。

本怡春院分院选用某品牌LBTY 12V系列阀控式免维护铅酸蓄电池,质保长达四年。LBTY系列蓄电池具备如下技术特点及优势:

设计寿命为10年。

阻燃的单向排气阀,可保证蓄电池使用安全且寿命延长。

吸附式玻璃纤维棉技术使气体复合效率高达99%,使电解液具有免维护功能。

计算机智能设计的低钙合金板栅,最大限度降低了气体的产生量。

工作温度范围宽,其中放电:-40 ℃到71℃,充电:-23 ℃到60℃。

蓄电池直流配电柜主输入断路器满足0.6-1.0In可调,具备智能监控功能,即具备UPS控制系统可实时检测蓄电池开关的电压、电流及开关状态的功能;在蓄电池组漏电、放电截止电压低于设定值等紧急状态下,可通过UPS主机发出控制信号,主动分断(脱扣)蓄电池开关,保护UPS及蓄电池系统。

1) 非晶合金变压器

本怡春院分院采用的是10/0.4KV SCBH15-2500KVA干式非晶合金变压器。这种变压器既有普通干式变压器阻燃自熄、防潮、耐裂的优良性能,又具有非常优异的导磁性能,去磁与被磁化过程极易完成,有利于降低损耗,增加有效载荷提高效率,与SCB10系列普通干式变压器技术参数相比较,其空载损耗下降65%-70%,节能效果非常显著。

2) 终端PDU插排

本工程采用智能型PDU插排,所有PDU均竖向安装,不占用机柜可利用空间。其孔位插座簧片具有良好的导电性能和机械弹性,良好的耐疲劳、耐磨损、耐腐蚀性能;单个插头从插座拔出所需最小力≥30N,可有效防止插头在正常使用时自动脱落或因轻微碰撞而导致接触不良。插座选用模块化标准件并配置防脱扣装置、方便拆装更换模块。PDU插排具备电子式电流、电压检测装置,可实时显示数值。

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