CC BY
321
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.3
О.М. Артамонова
канд. техн. наук, доцент, кафедра основ конструирования и технологии радиотехнических систем, ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»,
г. Самара
РАСЧЕТ НАГРУЗОК СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦЕНТРА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Аннотация. Рассматривается пример расчета нагрузок для системы бесперебойного электропитания центра обработки данных. Приведена характеристика потребителей системы гарантированного и бесперебойного электропитания. Даны расчетные соотношения, позволяющие определить полную и активную расчетную мощность, требуемую установленную мощность, с учетом коэффициента спроса.
Ключевые слова: центр обработки данных, гарантированное электропитание, коэффициент мощности.
О.М. Artamonova, Povolzhskiy state University of telecommunications and Informatics, Samara
LOAD CALCULATION OF POWER SUPPLY SYSTEM OF DATA CENTER
Abstract. The example of calculation of loadings for system of uninterrupted power supplies of a data centre is considered. The characteristic of consumers of system of guaranteed and uninterrupted power supplies is resulted. The calculation parities, allowing to define the full and active calculation power, the demanded established power taking into account demand factor are given.
Keywords: data center, guaranteed power supply, power factor.
Особенностью проектирования системы электроснабжения Центров обработки данных (далее - ЦОД) является необходимость обеспечить электропитание разных групп потребителей, отличающихся своим назначением, требованиями по бесперебойности питания, по загруженности в течение суток и по территориальному размещению. Ошибки в расчете нагрузок на систему электроснабжения недопустимы. Они не только могут привести к аварийным ситуациям и нарушению работы оборудования, но и к проблемам демонтажа и замены отдельных участков системы электроснабжения, что связано с материальным ущербом предприятию. Поэтому расчет нагрузок при проектировании ЦОД - это весьма ответственная задача, требующая особого внимания.
При решении задачи организации системы электроснабжения, с учетом бесперебойного электропитания для крупного Центра обработки данных, учтем, что напряжение питающей сети 380/220В (система TN-C-S). Будем считать, что объект представляет собой административное одноэтажное здание. Технологическое оборудование и инженерные системы ЦОД обеспечиваются по особой I-ой категории электроснабжения [1, 2].
Рассмотрим конкретный пример нагрузок ЦОД. Пусть через систему автоматического включения резерва (АВР - АВР630-ЩСГ1 и АВР630-ЩСГ2) получают гарантированное электропитание чиллеры, насосы чиллеров, системы вентиляции, рабочего и аварийного освещения, сплит-системы климатической установки помещений, источники бесперебойного питания (ИБП), щит пожарно-охранной сигнализации и автоматической установки газового пожаротушения (соответственно - ПОС и АУГПТ), щит собственных нужд резервной дизельной электростанции (ДЭС) (см. табл. 1 и табл. 2).
Система чиллер-фанкойл - централизованная, многозональная система кондиционирования воздуха, в которой теплоносителем между центральной холодильной машиной (чилле-
ром) и локальными теплообменниками (узлами охлаждения воздуха, или фанкойлами) служит охлаждённая жидкость, циркулирующая под относительно низким давлением. Это - или обыкновенная вода (в тропическом климате), или водный раствор этиленгликоля (в умеренном и холодном климате). Кроме чиллеров и фанкойлов, в состав многозональной системы входит трубная разводка между ними, насосная станция (гидромодуль) и подсистема автоматического регулирования [3].
Таблица 1 - Пример расчета по группам потребителей № 1
Наименование группы потребителей Устан. актив. мощ. Коэф. спроса Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. cosф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Sp, кВА 1р, А
Чиллеры 65,4 0,50 0,80 0,75 32,7 24,5 40,9 61,9
Группа насосов чиллеров 44,0 0,50 0,80 0,75 22,0 16,5 27,5 41,7
Вентиляция 19,0 1,00 0,96 0,29 19,0 5,5 19,8 30,0
Кондиционирование пом. 1 79,5 0,53 0,83 0,68 41,9 27,7 50,6 76,7
Освещение рабочее 12,1 1,00 0,92 0,43 12,1 5,2 13,2 19,9
Освещение аварийное 1,4 1,00 0,92 0,43 1,4 0,6 1,5 2,3
Щит ПОС и АУГПТ 1,0 1,00 0,80 0,75 1,0 0,8 1,3 5,7
Всего: 222,4 0,58 0,84 0,64 130,1 80,8 154,7 234,4
Таблица 2 - Пример расчета по группам потребителей № 2
Наименование группы потребителей Устан. актив. мощ. Коэф. спроса Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. cosф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Sp, кВА 1р, А
Чиллеры 130,8 0,50 0,80 0,75 65,4 49,1 81,8 123,9
Кондиционирование пом. 9 20,0 0,75 0,80 0,75 15,0 11,3 18,8 28,4
Кондиционирование пом.10 20,0 0,75 0,80 0,75 15,0 11,3 18,8 28,4
Щит собственных нужд 30,0 0,62 0,95 0,33 18,6 6,1 19,6 29,7
Всего: 200,8 0,57 0,82 0,70 114,0 77,7 138,8 210,3
Телекоммуникационное оборудование подключается к щитам бесперебойного питания посредством АВР800 (ЩСБ1, ЩСБ2) (см. табл. 2 и табл. 3).
Оборудование АВР подключается к главному распределительному щиту (ГРЩ) и далее подсоединяет нагрузки к системе бесперебойного питания (см. табл. 3 и табл. 4) [4, 5, 6, 7].
При составлении таблицы известными величинами являются:
- расчетный ток нагрузки 1р, А;
- коэффициент мощности нагрузки cos ф,
- коэффициент спроса Кс (загруженность оборудования).
В таблицах 5 и 6 показаны нагрузки, которые получают электроэнергию от секций ГРЩ или распределительных устройств (РУ), в том числе - от секции собственной дизельной электростанции (ДЭС) (табл. 6).
Таблица 3 - Пример расчета по группам потребителей № 3
Наименование группы-потребителей Ус-тан. актив. мощ. Ко-эф. спроса Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. cosф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Sp, кВА 1р, А
АВР800-ЩСБ1
Телекоммуникационное оборудование пом.1 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
Всего: 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
АВР800-ЩСБ2
Телекоммуникационное оборудование пом.1 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Всего: 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Таблица 4 - Пример расчета по группам потребителей № 4
Наименование группы потребителей Устан. актив мощ. Ко-эф. спро са Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. cosф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Sp, кВА 1р, А
АВР800-ЩСБ1
Телекоммуникационное оборудование пом.1 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
Всего: 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
АВР800-ЩСБ2
Телеком.оборудование пом.1 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Всего: 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Таблица 5 - Пример расчета по группам потребителей № 5
Наименование группы потребителей Устан. актив . мощ. Ко-эф. спроса Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. cosф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Sp, кВА 1р, А
ГРЩ секция1
АВР630-ЩСГ1 222,4 0,58 0,84 0,64 130,1 80,8 154,7 234,4
АВР800-ЩСБ1 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
Всего: 356,7 0,63 0,84 0,63 224,1 139,1 265,3 402,0
ГРЩ секция2
АВР630-ЩСГ2 200,8 0,57 0,82 0,70 114,0 77,7 138,8 210,3
АВР800-ЩСБ2 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Всего: 419,3 0,64 0,84 0,65 267,0 172,5 318,8 483,0
РУ ДЭС секция 1
АВР630-ЩСГ1 222,4 0,58 0,84 0,64 130,1 80,8 154,7 234,4
АВР800-ЩСБ1 134,3 0,70 0,85 0,62 94,0 58,3 110,6 167,6
Технологическое оборудование 150,0 100 0,85 0,62 150,0 93,0 176,5 267,4
Всего: 506,7 0,74 0,85 0,63 374,1 232,0 441,8 669,3
Таблица 6 - Пример расчета по группам потребителей № 6
Наименование группы потребителей Устан. актив. мощ. Коэф. спроса Коэффициент мощности Расчетная мощность Расчет. Ток
Ру, кВт Кс Актив. ООБф Реак. tgф Актив Рр, кВт Реак. Qp, кВАР Полн. Эр, кВА 1р, А
РУ ДЭС секция2
АВР630-ЩСГ2 200,8 0,57 0,82 0,70 114,0 77,7 138,8 210,3
АВР800-ЩСБ2 218,5 0,70 0,85 0,62 153,0 94,8 179,9 272,6
Вентиляционное оборудование технического комплекса 80,0 1,00 0,85 0,62 80,0 49,6 94,1 142,6
Всего: 499,3 0,69 0,84 0,65 347,0 222,0 412,9 625,6
Рисунок 1 - Подключение оборудования ЦОД к распределительным щитам
Произведем расчеты для первой строки таблицы потребитель - чиллеры. Активный ток, потребляемый оборудованием известен 1р = 61,9А, коэффициент мощности нагрузки cosф = 0,8. Полная расчетная мощность Эр, потребляемая нагрузкой, равна:
Эр=38ф=3 иф 1ф= ил 1л.=1,73*380*61,9=40,741 ВА=40,9кВА, где Эф - полная мощность фазы, ВА, 1ф - ток фазы, А, 1л - линейный ток, А, ил - линейное напряжение, В. Активная расчетная мощность:
Рр= Бр*^ф =40,9 кВА*0,8=32,72кВт.
Расчетное значение реактивной мощности нагрузки определим из соотношения:
Qр = д/ S2 р - Р2 р = 24,566 кВАР.
Установленная мощность должна учитывать коэффициент спроса:
Ру = Рр/ Кс =32,72/0,5=65,44 кВт.
Аналогично рассчитываются все параметры таблиц 1-6.
Стойки оборудования ЦОД питаются от щитов ЩСГ-Б1, ЩСГ-Б2 через фидеры К68-К78 (рис. 1), которые подключаются через распределительные щиты ЩР.
ЩР предназначены для приема, распределения электроэнергии и защиты отходящих линий при перегрузках, при недопустимых токах утечки и токов КЗ в сетях напряжением 380/220В переменного тока частотой 50-60 Гц, а также нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей. Через трехфазные автоматические выключатели NS250N нагрузочные фидеры подключаются к щитам ЩСГ (вводно-распределительный силовой щит).
Автоматические выключатели NS250N на ток 250А Shnieder Electric предназначены для защиты силовых цепей и потребителей и при коротких замыканиях соответствуют требованиям к включающей, отключающей способности и к эксплуатационным требованиям: селективного отключения, требования к дистанционному управлению и индикации, соответствующим вспомогательным контактам, дополнительным расцепителям и др.
Таблица 7 - Нагрузки технологического оборудования
Фидер 1р, А Рр, кВт Ру, кВт
К67 167,7 94,0 134,3
К68 128,8 72,2 103,2
К69 143,9 80,7 115,3
Итого 440,4 246,9 352,8
К70 167,6 94,0 134,3
К71 128,8 72,2 103,2
К72 143,9 80,7 115,3
Итого 440,4 246,9 352,8
В результате расчета мы получили данные, приведенные в таблице 7 для фидеров К67, К68, К69, К70, К71, К72. Фидеры К67, К68, К69 подключают оборудование ЦОД к шинам бесперебойного питания через щит ЩСГ-Б1, а фидеры К70, К71 и К72 - через щит ЩСГ-Б2. Данные этой таблицы являются основанием для анализа и последующего выбора системы бесперебойного питания нагрузок ЦОД.
В заключении отметим, что приведенные результаты расчета в общем случае определяют выбор эффективного оборудования бесперебойного электропитания, что позволяет экономить до 10% электроэнергии для ЦОД с высоким уровнем резервирования.
Список литературы:
1. Артамонова О.М. Мониторинг системы электроснабжения предприятия связи / О.М. Артамонова, М.Н. Чинков // Электрика. - 2009. - № 1. - С. 45-50.
2. Артамонова О.М. Техническая эксплуатация электропитающих установок систем телекоммуникаций ТЭ ЭПУ СТ. Самара ИУНЛ ПГУТИ 2011 г. гриф МС ПГУТИ
3. Артамонова О.М. Экономические критерии оценки эффективности источников питания для телекоммуникационных систем / О.М. Артамонова // Международная научная конференция «Вклад молодой науки в национальную экономику России», декабрь, 2013 г., Самара / СамГТУ.
4. Артамонова О.М. Повышение качества преобразования электроэнергии постоянного тока / О.М. Артамонова // Электрика. - 2008. - № 7. - С. 13-17.
5. Артамонова О.М. Особенности энергопотребления в системе электроснабжения предприятия связи / О.М. Артамонова // Электрика. - 2008. - № 3. - С. 33-36.
6. Косякова И.В. Информационно-аналитическая система как ключевой элемент в управлении организации для отбора, формирования, реализации и мониторинга научно-технических проектов / И.В. Косякова, И.В. Ларионов // Вестник Самарского государственного университета. - 2013. - № 1 (102). - С. 140-144.
7. Косякова И.В. Формирование модулей информационно-аналитической системы как ключевого элемента в управлении организации для отбора, формирования, реализации и мониторинга научно-технических проектов / И.В. Косякова, И.В. Ларионов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Экономические науки. - 2013. - № 1 (7). -С. 67-73.
