THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NGUỒN ĐIỆN CHO PHÒNG MÁY CHỦ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP NGUỒN ĐIỆN CHO PHÒNG MÁY CHỦ

I. TIÊU CHÍ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NGUỒN ĐIỆN CẤP CHO PHÒNG MÁY CHỦ:

Trung tâm Dữ liệu (Data Center) là nơi tập trung rất nhiều thiết bị Công nghệ thông tin lõi, Core, nên yêu cầu gắt gao về hệ thống nguồn điện cung cấp.

Việc tính toán, thiết kế hệ thống nguồn điện cấp cho Phòng Máy chủ cần nắm được tổng công suất hoạt động các thiết bị trong phòng máy chủ và đã từng triển khai nhiều hệ thống phòng máy chủ, cần thiết kế hệ thống điện hoạt động 24/24 theo tiêu chuẩn Tier 4 để đảm bảo hệ thống luôn có tính sẵn sàng cao, độ tin cậy cao và dễ dàng bảo trì, nâng cấp cần thiết.

1. Yêu cầu nguồn điện cơ bản của phòng máy chủ:

Nguồn điện ổn định: Phòng máy chủ cần nguồn điện ổn định, không bị gián đoạn hoặc dao động điện áp, để tránh làm hỏng thiết bị và mất dữ liệu.

Nguồn điện dự phòng: Trong trường hợp mất điện lưới, cần có nguồn điện dự phòng để duy trì hoạt động liên tục của phòng máy chủ.

Hệ thống phân phối điện: Hệ thống phân phối điện cần được thiết kế để cung cấp vượt công suất điện cho tất cả các thiết bị trong phòng máy chủ, đồng thời đảm bảo an toàn và hiệu quả, khi nâp cấp thêm.

Hệ thống giám sát điện: Hệ thống giám sát điện giúp theo dõi và kiểm soát tình trạng nguồn điện, phát hiện sớm các sự cố và đưa ra cảnh báo kịp thời.

2. Các thành phần chính của hệ thống điện phòng máy chủ:

Nguồn điện chính: Đây là nguồn điện từ lưới điện quốc gia.

Nguồn điện dự phòng:

UPS (Uninterruptible Power Supply): Thiết bị lưu điện giúp cung cấp điện tạm thời khi mất điện lưới.

Máy phát điện: Cung cấp nguồn điện dự phòng trong thời gian dài hơn khi mất điện lưới.

Hệ thống phân phối điện:

Tủ điện phân phối: Phân chia nguồn điện đến từng PDU lắp trong tủ Rack lắp đặt các thiết bị.

PDU (Power Distribution Unit): Thiết bị phân phối điện tới từng thiết bị lắp trong tử Rack, giúp quản lý và kiểm soát nguồn điện đến từng thiết bị.

Hệ thống giám sát điện:

Thiết bị đo lường điện: Đo lường các thông số điện áp, dòng điện, công suất...

Phần mềm giám sát điện: Hiển thị và phân tích các thông số điện, đưa ra cảnh báo khi có sự cố (Ecapro)

3. Các yếu tố cần quan tâm trong thiết kế:

Công suất nguồn điện: Tính toán tổng công suất điện cần thiết cho tất cả các thiết bị được lắp đặt trong phòng máy chủ để đảm bảo nguồn điện đủ mạnh (dư nguồn điện để dự phòng)

An toàn nguồn điện: Đảm bảo hệ thống điện được lắp đặt và vận hành an toàn, tuân thủ các quy định về an toàn điện.

Tiết kiệm điện: Sử dụng các thiết bị tiết kiệm điện và tối ưu hóa hệ thống điện để giảm chi phí vận hành.

Giám sát và bảo trì: Thường xuyên kiểm tra và bảo trì hệ thống điện để đảm bảo hoạt động ổn định và phát hiện sớm các sự cố (Trong trường hợp có sự cố thì xử lý phải thuận tiện sửa chữa thay thế)

4. Hệ thống giám sát nguồn điện phòng máy chủ.

-Hệ thống giám sát phòng máy chủ là ưu tiên hàng đầu. Đây là nơi tập trung các thiết bị mạng lõi, mạng Core, hệ thống thiết bị máy chủ ứng dụng, hệ thống lưu trữ dữ liệu, xử lí thông tin của đơn vị với chi phí đầu tư rất lớn. Việc bảo vệ, duy trì độ hoạt động ổn định cần được đảm bảo một cách chính xác nhất.  

-Các yếu tố cần giám sát:

Nhiệt độ. Độ ẩm. Hiện tượng rò rỉ nước.

Cảnh báo khói. Điện áp và nguồn. Tủ giám sát.

Các cảm biến. Phần mềm giám sát nguồn điện Ecapro.

-Hệ thống nguồn của phòng Máy chủ (Data Center) phải đảm bảo nguồn điện đầu vào cho toàn bộ thiết bị trong công ty hoạt động ổn định trong thời gian làm việc với tổng tải tùy theo nhu cầu và chịu được tải lúc khởi động. Đảm bảo thời gian backup cho toàn hệ thống từ 16 đến 20 phút khi chạy full load và hỗ trợ Redundancy.

-Có khả năng mở rộng công suất và thời gian backup.

-Battery module và Power module hỗ trợ hot-swap

-Hỗ trợ điều khiển qua Internet.

5. Hệ thống cấp nguồn chi tiết cho phòng máy chủ:

Tủ điện tổng cung cấp nguồn điện cho hệ thống thông qua hệ thống nguồn điện liên tục - Bộ Lưu điện (hệ thống UPS) và hệ thống UPS sẽ cung cấp nguồn điện ổn định cho các thiết bị trong phòng.

Trường hợp cúp điện, hệ thống UPS sẽ sử dụng điện lưu trong ắc quy để cấp nguồn điện liên tục cho các thiết bị CNTT và các thiết bị phụ trợ (quản lý truy cập, PCCC, Máy lạnh chính xác, access control). Thời gian ắc quy cấp điện được tính toán để bảo đảm nguồn điện liên tục tối thiểu 20 phút tại tổng tải các thiết bị CNTT để chạy máy phát dự phòng.

Hệ thống tự động chuyển mạch (ATS) giữa điện lưới và nguồn điện máy phát tòa nhà.

Hệ thống phân phối điện- tủ điện và Hệ thống CB ngắt điện an toàn

Hệ thống automat chuyển mạch tự động

Hệ thống PDU tại các Rack

Bảng điều khiển toàn bộ hệ thống điện

Hệ thống tiếp đất cho nguồn điện

Hệ thống cắt lọc sét lan truyền.

Ngoài ra, trong quá trình hoạt động, hệ thống điện tại phòng Máy chủ (Data Center) cần phải được kiểm tra, bảo trì, bảo dưỡng định kỳ để phát hiện sớm và ngăn ngừa các nguy cơ có thể xảy ra, tránh ảnh hưởng đến tính liên tục của hệ thống.

PHẦN BỔ SUNG THÊM:

Tủ điện tổng MSB (viết tắt của Main Distribution Switchboard hoặc Main Switchboard) là loại tủ điện phân phối chính, đóng vai trò là đầu vào cho toàn bộ hệ thống điện hạ thế của một công trình

Hệ thống cấp nguồn đi từ Tủ điện tổng (MSB) qua Hệ thống UPS trung tâm hoặc UPS phân tán đến 12 tủ rack cần tuân thủ sơ đồ phân phối điện từ cao xuống thấp, bảo đảm độ sẵn sàng cao (Redundancy) và cân bằng pha

Sơ đồ nguyên lý đường đi của nguồn điện

Nguồn lưới điện chính (Mains) → Tủ điện tổng phòng server (DB-MAIN) có aptomat tổng, thiết bị chống sét lan truyền (SPD).

Từ DB-MAIN → Cấp điện ngõ vào (AC Input) cho Hệ thống UPS (UPS trung tâm công suất lớn hoặc cụm UPS song song).

Từ ngõ ra UPS (AC Output) → Qua Tủ phân phối nguồn sau UPS (DB-UPS) chứa các aptomat nhánh cho từng khu vực hoặc từng tủ rack.

Từ DB-UPS hoặc trực tiếp từ UPS → Kéo cáp động lực đến các thanh nguồn PDU (Power Distribution Unit) gắn phía sau mỗi tủ rack.

Từ PDU tủ rack → Cắm nguồn cho các thiết bị Server, Switch, Router bên trong tủ

Quy chuẩn phân bổ cho 12 tủ rack

Chia nguồn A/B (Dual Feed): Mỗi tủ rack nên dùng 2 thanh PDU riêng biệt (PDU-A và PDU-B).

Nguồn A: Cấp từ UPS chính (hoặc nhánh UPS A).

Nguồn B: Cấp từ nguồn dự phòng hoặc UPS thứ 2 (nhánh UPS B) để chạy chế độ Redundancy N+1 hoặc 2N cho thiết bị có 2 nguồn.

Cân bằng pha: Với 12 tủ rack 3 pha, phân bổ đều 4 tủ rack cho mỗi pha (Pha A, Pha B, Pha C) để tránh lệch pha gây quá tải aptomat trung tính

1. Nguồn cấp đầu vào tổng (Main Power & Backup)

Nguồn lưới & Máy phát: Điện lưới 3 pha 380V/415V đấu nối song song với Máy phát điện dự phòng thông qua Tủ chuyển nguồn tự động (ATS).

Tủ phân phối tổng (MSB Server Room):

Trang bị MCCB tổng có tích hợp thiết bị chống sét lan truyền (SPD Type 1+2).

Đầu ra chia làm 2 nhánh độc lập cấp điện cho hệ thống UPS A và UPS B (hoặc cấp nguồn Bypass).

2. Hệ thống UPS (Cấu hình 2N Redundant)

Tính toán công suất 12 Rack: Công suất trung bình 3 kW - 5 kW/rack (tổng tải IT khoảng 36 kW - 60 kW). Hệ thống khuyến nghị sử dụng 2 bộ UPS độc lập công suất từ 60 kVA - 80 kVA/bộ (hoặc hệ thống Modular UPS N+1).

Tủ Maintenance Bypass: Đấu song song qua từng UPS bằng aptomat/cầu dao interlock cơ khí, cho phép cách ly UPS để bảo dưỡng mà không làm mất điện tải IT.

3. Tủ phân phối điện hạ nguồn (PDB - Power Distribution Board)

Tủ PDB-A (Nhánh A): Nhận nguồn từ UPS A. Trang bị MCB tổng 3 pha và 12 MCB nhánh 1 pha (20A/32A tùy tải) kéo riêng đến từng tủ rack từ Rack 01 đến Rack 12.

Tủ PDB-B (Nhánh B): Nhận nguồn từ UPS B. Cấu trúc độc lập tương tự PDB-A, trang bị 12 MCB nhánh kéo đến 12 tủ rack tương ứng.

4. Chi tiết đấu nối tại 12 Tủ Rack

Trang bị PDU Rack: Mỗi tủ rack lắp đặt 2 thanh PDU (Power Distribution Unit) độc lập dạng C13/C19 gắn đứng.

PDU A: Nguồn cấp từ MCB nhánh tương ứng trên PDB-A.

PDU B: Nguồn cấp từ MCB nhánh tương ứng trên PDB-B.

Đấu nối thiết bị IT:

Thiết bị 2 nguồn (Dual PSU): Nguồn Primary cắm vào PDU A, nguồn Secondary cắm vào PDU B.

Thiết bị 1 nguồn (Single PSU): Cắm qua Rack ATS/STS (Static Transfer Switch) 1U trong rack (thiết bị này lấy 2 đầu vào từ PDU A và PDU B) để đảm bảo chuyển mạch khi 1 nguồn bị sự cố.

5. Quy chuẩn dây dẫn và Tiếp địa (Grounding)

Dây trục chính (MSB -> UPS -> PDB): Cáp đồng chống cháy (IEC 60331/60332), chọn tiết diện theo dòng tải tối đa (từ 3x35mm² + 1x25mm² trở lên).

Dây nhánh (PDB -> Rack PDU): Cáp 3 lõi (L, N, PE) tiết diện 3x4mm² (cho MCB 16A/20A) hoặc 3x6mm² (cho MCB 32A), đi trong thang máng cáp treo trần hoặc âm sàn nâng.

Hệ thống tiếp địa (Earthing): Toàn bộ vỏ tủ MSB, PDB, UPS, vỏ 12 tủ Rack và thanh Busbar tiếp địa trong rack phải liên kết đẳng thế và nối về bãi tiếp địa dùng riêng cho IT (điện trở tiếp địa dưới 1 Ohm).

PHẦN II: CHI TIẾT HỆ THỐNG CẤP ĐIỆN CHO PHÒNG MÁY CHỦ 12 RACK

1. Thông số Kỹ thuật & Tải Thiết kế Base

Quy mô: 12 Rack Server chuẩn 42U.

Công suất IT trung bình: 5 kW/Rack => Tổng công suất IT: 60 kW.

Cấu hình cấp nguồn IT: Chuẩn Tier III Redundant (2N) với 2 tuyến nguồn A (Feed A) và B (Feed B) độc lập đến từng Rack.

Điện áp hệ thống: 3 Pha 380V/415V AC (50 Hz), 1 Pha 220V AC.

Hệ thống UPS: 02 Hệ thống UPS 80 kVA/80 kW (Online Double Conversion, Output PF=1.0) chạy song song độc lập (UPS-A và UPS-B), lưu điện 15–30 phút.

Hệ thống Điều hòa Chính xác (PAC): Cấu hình N+1 gồm 03 tổ máy PAC 35 kW công suất lạnh (2 máy chạy full 2 x 35 = 70kW đáp ứng tải IT + nhiệt tỏa ra, 1 máy dự phòng luân phiên).

2. Sơ đồ Cấu trúc Cấp nguồn (Power Topology)

3. Chi tiết Tủ Điện, Aptomat & Cáp Nguồn

A. Tủ điện Phân phối Tổng Phòng máy chủ (MSB-DC)

Tủ thép sơn tĩnh điện dày 2.0mm, chuẩn IP42, đặt tại phòng phụ trợ hoặc góc kỹ thuật Data Center.

B. Tủ Phân phối Nguồn UPS Feed A (PDU-A) & Feed B (PDU-B)

Mỗi tủ PDU đặt ở hai đầu dãy Rack hoặc tích hợp trong dãy Rack, cấp nguồn độc lập cho Feed A và Feed B của 12 Rack.

Tủ PDU-A (Nguồn A):

MCCB Tổng vào: 3P 160A/25kA (lấy từ đầu ra UPS-A).

Đầu ra cấp 12 Rack: 12 x MCB 1P 32A/10kA (C-Curve).

Cân bằng pha: Pha L1 (Rack 1, 4, 7, 10); Pha L2 (Rack 2, 5, 8, 11); Pha L3 (Rack 3, 6, 9, 12).

Cáp từ PDU-A tới từng Rack: Cáp chống cháy Cu/PVC/PVC (3 x 6 + E6) mm² (L+N+E), luồng trong ống EMT hoặc máng cáp treo sàn/trần.

Tủ PDU-B (Nguồn B):

MCCB Tổng vào: 3P 160A / 25kA (lấy từ đầu ra UPS-B).

Đầu ra cấp 12 Rack: 12 x MCB 1P 32A / 10kA (C-Curve).

Cân bằng pha: Chia pha tương tự PDU-A để đảm bảo cân tải 3 pha.

Cáp từ PDU-B tới từng Rack: Cáp chống cháy Cu/PVC/PVC (3 x 6 + E6) mm², đi đường thang máng riêng biệt song song với tuyến A.

Cấu hình PDU tại mỗi Rack (12 x 2 PDU):

01 Thanh Rack PDU A (Vertical 0U, 32A 1 Pha, đầu vào phích cắm công nghiệp IEC60309 32A 2P+E, ngõ ra 16 x C13 + 4 x C19, tích hợp giám sát IP/SNMP).

01 Thanh Rack PDU B (Vertical 0U, 32A 1 Pha, phích cắm IEC60309 32A 2P+E, ngõ ra 16 x C13 + 4 x C19, tích hợp giám sát IP/SNMP).

C. Tủ Điện Cấp Nguồn Phụ Trợ (DB-AUX)

Cấp nguồn cho các hệ thống hạ tầng an ninh, môi trường và phòng cháy chữa cháy.

4. Hệ thống Điều hòa Chính xác (PAC/CRAC)

Giải pháp áp dụng: Hệ thống thổi sàn âm (Downflow), sử dụng sàn nâng kỹ thuật cao 400–500mm làm mương gió lạnh cấp vào mặt trước các Rack (Cold Aisle).

Cấu hình máy:

03 Máy ĐHCX dạng Tủ đứng (Direct Expansion - DX, Quạt EC tiết kiệm điện, nén Inverter, tích hợp bộ sấy điện & bộ tạo ẩm).

Công suất lạnh mỗi máy: 35 kW (Tổng công suất lắp đặt 105kW}, vận hành N+1).

Đường ống & Phụ kiện:

Đường ống gas đồng bọc cách nhiệt Superlon dày 25mm nối từ Dàn lạnh trong phòng ra Dàn nóng đặt ngoài trời.

Đường nước cấp tạo ẩm: Cáp bọc PVC Φ21, tích hợp van điện từ ngắt tự động.

Đường nước thoát xả ẩm: Ống PVC Φ34 có bọc cách nhiệt chống ngưng tụ, đi âm sàn nâng về hố thu.

Tủ cấp nguồn & Bảo vệ:

Mỗi máy PAC trang bị 01 MCB/MCCB 3P 63A loại D-Curve tại tủ MSB-DC (chịu được dòng khởi động nén).

Dây nguồn cấp: Cu/XLPE/PVC (4 x 16 + E10) mm².

5. Hệ thống Tiếp địa & Chống sét (Grounding & Bonding)

Điện trở tiếp địa phòng máy: R ≤1.0Ω Omega.

Thanh tiếp địa chính (Master Ground Bar - MGB): Đồng đỏ nguyên chất kích thước 50 x 5 mm bắt trên sứ cách điện đặt trong phòng server.

Vòng cân bằng điện thế (Signal Reference Grid - SRG):

Đan lưới tiếp địa dưới sàn nâng bằng dây đồng trần 25 mm² (ô lưới 1.2 m x 1.2m).

Tất cả các chân sàn nâng, vỏ tủ Rack 12 chiếc, vỏ tủ điện, vỏ máy PAC, thang máng cáp đều được đấu nối về lưới SRG bằng dây đồng bọc Cu/PVC 1 x 16 mm² (màu vàng/xanh).

Kết nối từ MGB ra hệ thống đất: Cáp đồng bọc Cu/PVC 1 x 70mm² đi trực tiếp xuống bãi cọc tiếp địa dùng cọc đồng Φ 16 L=2.4m liên kết bằng hàn hóa nhiệt (Cadweld).

6. Tổng hợp Khối lượng Cáp & Aptomat Chính