10kV發電機組在數據中心園區的應用

徐姝

（廣東省電信規劃設計院有限公司　廣東　廣州　510630）

10kV發電機組在數據中心園區的應用

徐姝

（廣東省電信規劃設計院有限公司廣東廣州510630）

結合某通信運營商云計算信息園項目，探討在大型數據中心園區動力中心內10kV發電機組的應用。

10kV發電機組；動力中心；數據中心；并機；復用；綠色節能

前言

世界各地不斷興建著大大小小的數據中心，其中規模越來愈大的數據中心園區的數量也越來越多，隨著我們越來越依靠信息的處理和存儲，使得數據中心在我們的生活中的地位顯得日漸重要。數據中心電力供應把握著數據中心業務運營的命脈，它也從某種程度上決定了數據中心的安全運營及可用性。為數據中心提供應急后備電源保障的發電機組在數據中心的建設中就顯得尤為重要，尤其在大型的數據中心園區，可以通過建設動力中心，將發電機組集中放置，采用10kV高壓發電機組供電，使供電系統更加靈活且在后期的維護管理上也更加方便及人性化。

1　發電機系統設計原則

（1）發電機組容量配置應按IT設備的運行功率、蓄電池組的充電功率、保證空調功率及其他必須保證設備的功率確定。

（2）優選高效、抗諧波能力強并具有快速自啟動、自動切換、自動停機和遙測、遙信功能的發電機組。

（3）對于規模較大的單體或園區型數據中心，不同變配電系統間可復用發電機組，并符合下列規定：

①復用發電機組的變配電系統，其主用市電電源應引自不同變電站，或同一變電站內不同的主變壓器。

②如果復用發電機組的變配電系統的市電電源均故障，則發電機應優先保障較高等級機房負荷的變配電系統。

③宜采用10kV高壓發電機組。

（4）對于諧波含量較大的設備（如不間斷電源、變頻器、照明等），核定其需要發電機組保證的功率時應根據其輸入電流諧波含量的大小確定，當輸入電流諧波含量＜5%時，其需要的發電機組保證功率宜按該類設備容量的1.2倍計算。

（5）市電與發電機組的切換宜采用自動切換，切換裝置須具備電氣和機械聯鎖。

（6）當供電負荷有調整分配需要時，宜采用并列運行的方式；并列運行的發電機組，當自動同步控制出現故障時，應能手動控制同步。

2　動力中心應急電源復用原則

為響應集約化、低成本、高效率思路，園區規劃中的A7～A10共計4棟數據中心機樓機房面積相同，單個機樓用電容量需求30000kVA，其中有功功率約為27000kW；4個機樓總功耗預計108000kW，動力中心終期規劃安裝28臺備用2500kVA/2000kW高壓柴油發電機組，能提供70000kVA/56000kW應急保障供電容量，能保障A7～A10機樓群約50%的B級應急供電能力（C級機房在有兩路獨立市電情況下不需要配置油機），根據目前數據中心用戶使用特性和結合數據中心發展狀況，動力中心供電擬對各機樓負荷采用分級保障制度和A7～A9與A8～A10供電復用等供電模式，大幅提高發電機組有效利用率，滿足和適應不同等級數據中心的供電要求。

3　10kV發電機組的優勢

（1）采用10kV高壓機組并機運行，有利于發電機組統計復用，大量減少園區配置發電機數量，節省投資。

（2）數據中心采用10kV空調制冷主機，動力中心采用10kV發電機組供電節省了變壓器投資，且減少線路損耗。

（3）有利于機組并機運行及負荷分配，以及遠距離供電。

（4）采用10kV發電機組，在輸送同樣功率的情況下，所用導體規格是傳統380V發電機組的1/25，節省大量線纜投資，降低工程運行損耗，總成本最小。

（5）節省了大量低壓雙電源轉換開關的投資。

4　需發電機保障的一級負荷

（1）消防負荷：消防中心用電、消防水泵、消防電梯、防排煙風機、消防應急照明等；

（2）機房數據設備用電負荷（一級負荷中特別重要負荷）；

（3）機房專用空調負荷。

5　負荷統計

根據A9數據中心機樓提供的總負荷，本工程的負荷主要為通信設備與空調設備負荷，主用設備安裝容量為：26820kW。需要A12動力中心為A9數據中心提供6路，每路10000kVA發電機保障容量。動力中心自身設備安裝容量為781kW，其中約450kW容量需要發電機保障。需建設2臺400kVA變壓器，需要A12動力中心提供2路，每路400kVA市電保障容量。詳見發電機負荷計算表1。

經過負荷計算，一期需配置14臺備用功率2000kW/2500kVA總安裝容量為的28000kW/35000kVA的10kV柴油發電機組為A9數據中心供電，設計負荷率約為85.4%。

6　市電發電機切換系統設計

為增加供電方案的靈活性，市電和發電機電源的切換方式采用在A12動力中心內集中切換。本工程供電等級為一級，對供電可靠性要求很高，根據A9樓的提資需求，需要設置6個10kV高壓輸出配電柜，每個容量為1萬kVA。

從園區110kV變電站引入6路10kV專線電源供電，作為正常工作電源。每路10kV市電電源和10kV發電機備用電源在動力中心切換后為A9數據中心及A12動力中心提供10kV電源供電。

6路電源組成3套市電發電機切換系統，每套切換系統正常情況下兩路市電同時工作，互為備用。市電發電機切換系統采用分段單母線運行方式，不設置母聯，在各個數據中心高壓系統設置母聯。當每套高壓系統兩路10kV市電電源均失電后，柴油發電機自啟動，發電機并機成功后，向變電所兩段10kV母線供電。10kV母線的市電電源和發電機電源間設電氣連鎖，不允許市電與發電機并聯運行。

為實現低成本數據中心的理念，A12動力中心的14臺發電機是同時保障A7和A9機樓的B級IT設備的。因此為滿足發電機后期復用及分級供電的可能，實現系統配電的靈活性，本期要預留A7機樓復用高壓輸出配電柜的安裝位置，并預留好和后期配電柜的接口（如圖1）。

7　發電機供電系統設計

7.1并機方案

14臺發電機組采用一組9臺并機和一組5臺并機的方案，9臺并機系統能提供20000kVA發電機后備保障容量，提供4路10000kVA電源至A9機樓，5臺并機系統能提供10000kVA發電機后備保障容量，提供2路10000kVA電源至A9機樓，總計可滿足A9機樓6路10000kVA發電機后備電源的需求。

圖1　發電機供電接線示意圖

7.2并機總技術要求

動力中心發電機主要為機房IT負荷、空調制冷系統、消防供電系統以及應急照明提供應急電源保障容量。發電機組的并機容量首先應滿足以下三個條件：

（1）發電機的連續運行額定功率大于或等于穩定負荷計算功率；

（2）發電機的備用運行功率大于或等于負荷的尖峰功率；

（3）在最大的電動機起動時，發電機的瞬時電壓降不大于15～20%。

數據中心配置有大量的不間斷電源，它的特性是非線性負載，在供電線路上會產生諧波，使發電機輸出電壓波形產生失真。對于高阻抗的發電機，諧波對發電機影響更大。由于發電機組相對電網是有限容量系統，多臺發電機并機系統除了滿足穩定負荷需求外，還需考慮負載特性（電能質量）、啟動性能、沖擊負載（冷凍機組和水泵的啟動電流、變壓器投入時的激磁電流）對發電機使用的影響。

表1　

7.3并機控制技術要求

為保證響應速度，并機系統同步控制采用準同期方式，即系統中任一臺首先達到額定輸出的機組，都可以先合閘到母線供電，其他機組與該機組同步后再依次合閘供電。每臺發電機組控制柜控制一臺發電機組，配備自動同步與負載分配模塊，通過控制機組得轉速與電壓，來實現機組互相之間的并聯及負載均衡。發電機平時處在自動模式，通過外部送來的信號由并聯控制系統來監視市電狀況。市電失電/故障時，并聯系統收到信號，通過設定的時間延遲后，給全部機組送出啟動信號，并機機組啟動。率先達到90%額定頻率和額定電壓的機組，GCP發出信號，自動閉合斷路器，機組合閘到應急母線。其他發電機與母線同步后，自動合閘到母線。

7.4負載管理技術要求

全部機組自動并聯運行，系統自動分配負載。系統帶載運行中，任一臺機組故障，則系統自動報警，同時啟動一臺冗余機組投入使用。市電恢復，則全部在線機組通過主控柜斷開機組進線斷路器，發電機組自動冷卻延時后停機。

8　結束語

在大型云計算園區中，建設動力中心并且使用10kV發電機組已經是大勢所趨，相對于傳統的380V發電機組，10kV機組有著設計配電靈活、帶載能力強、節省導體用量等優勢，通過多臺10kV機組并機方案，實現發電機的復用設計，實現低成本、高效率思路。且由10kV發電機組組成的高壓配電系統設計簡潔，經濟合理，可靠性高、可擴展性強、維護管理方便。綜上所述10kV發電機組在未來的數據中心設計中將會得到更多的應用。

TM31

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1673-0038（2015）12-0171-03

2015-2-10

徐姝（1982-），女，中級工程師，畢業于華中科技大學，自動化專業，主要從事建筑電氣設計工作。