試論數據中心的高低壓配電系統

張志敏

安徽電信規劃設計有限責任公司 安徽 合肥 230000

引言

根據現行國家標準《數據中心設計規范》GB50174—2017的規定，數據中心可分為A、B、C三個級別，我們應根據數據中心的管理要求、用戶性質及其在經濟和社會中的重要性確定其級別，不同級別的數據中心應靈活的設計相應的高低壓配電系統。

A級數據中心應由雙重電源供電，變壓器采用2N配置，容錯配置的變配電設備應分別布置在不同的物理隔間內；B級數據中心宜由雙重電源供電，變壓器采用N+1配置；C級數據中心可由兩回線路供電，變壓器采用N配置。

本文所述的高低壓配電系統僅包含負荷需求、10kV外市電、10kV配電系統、10/0.4kV變壓器配置、變壓器配套的0.4kV配電系統、變配電室。

1 負荷需求

1.1 負荷分類

數據中心的用電負荷應根據其對供電可靠性的要求及中斷供電將造成的社會影響、經濟損失程度、人身傷害或其相應的重要性，將用電負荷或設備分為一級、二級、三級負荷，負荷分類還應符合現行國家標準《民用建筑電氣設計規范》JGJ16-2008的標準。

以某數據中心（A級）工程為例進行負荷分類分析。

（1）一級負荷

1）機房內機柜、配電柜用電負荷（重要）；

2）機房內配套專用空調負荷（重要）；

3）應急照明等消防用電負荷；

4）機房監控用電負荷。

（2）二級負荷

電梯、機房照明、插座等。

（3）三級負荷

公共區域照明、插座等。

1.2 負荷計算

數據中心機房以高密度數據類設備為主的高能耗密度數據機房，根據機房工藝、機房空調、不間斷電源、建筑電氣等專業提供的設備耗電需求進行市電引入容量計算，同時還應考慮到變壓器分配不平衡狀態和合理利用率[1]。

以某數據中心為例進行負荷統計計算，計算公式如下：

機房機架負荷=機架數×單機柜功耗=268×5+236×3=2048kW；

空調負荷=機架數×單機柜功耗=21×33+16×8=821kW；

電池充電負荷=250kW；

電梯、消防、建筑照明插座等=390kW；

總負荷=2048kW+821kW+250kW+390kW=3509kW；

主用變壓器安裝總容量=總負荷×綜合系數/功率因數/變壓器負載率=3509×0.85/0.95/0.85=3693.68kVA；

如上計算所示，該項目機房內負荷（機柜、空調及電池負荷）在此項目總負荷中所占比重約89%，其余負荷如電梯、消防、建筑照明插座等所占比重約11%。

2 10kV外市電引入

根據現行國家標準《數據中心設計規范》GB50174—2017的規定，A級數據中心應從兩座不同的變電站或同一變電站不同段母線分別引入兩路10kV電源，且兩路10kV電源不應同時出現有計劃檢修停電；B級數據中心宜引入兩路10kV電源（10kV專用線路或公用線路），若只能引入一路10kV電源時，需增設柴油發電機組作為備用電源；C級數據中心若不具備引入10kV電源條件，可就近引入380V電源。

根據表1.2.1計算結果，某數據中心設計引入兩路容量均為4000kVA外市電電源，當其中一路外市電斷電時，另一路外市電應能滿足局站的全部負荷用電。在勘察設計過程中，經濟性最優的方案中兩路市電電源的敷設路徑在多條市政道路中發生匯合，經過設計論證，為避免新建高架橋或者道路發生塌陷等引起兩路市電線路同時損壞的情況，兩路市電通過不同路由敷設進入局站，此舉雖增加了建設成本，但確提高了用電可靠性[2]。

3 10kV配電系統

單路外市電電源供電的數據中心10kV配電系統設計采用單母線（不分段）接線；雙路（主、備電源）外市電電源供電的數據中心10kV配電系統設計采用單母線分段接線，也可以采用單母線（不分段）接線。

10kV配電裝置一般包括：計量柜、PT柜、進線總柜、出線柜、母聯柜、隔離柜、直流屏、市電/發電切換柜（若項目采用10kV柴油發電機組）。

10kV配電系統一般可分為單電源單母線（不分段）接線、雙電源單母線（不分段）接線、10kV雙電源單母線分段接線3種接線方式。

如圖3.1所示，某數據中心項目設計采用的是雙電源單母線分段接線的主接線形式，正常供電時，由10kVⅠ段母線向Ⅰ、Ⅱ段母線供電；當10kVⅠ段母線斷電時，由10kVⅡ段母線向Ⅰ、Ⅱ段母線供電；當10kVⅠ、Ⅱ段母線均斷電時，由10kV柴油發電機組向Ⅰ、Ⅱ段母線供電，10kVⅠ、Ⅱ段的市電/發電切換柜應與市電進線總柜設置互鎖裝置，避免發電向市電“倒送電”事故[3]。

圖3 .1 10kV雙電源單母線分段接線（某數據中心）

4 10/0.4kV變壓器

10/0.4kV變壓器應采用低損耗、低噪音的節能干式變壓器，接線組別宜選用D,yn11，與其他設備同室安裝時應加裝保護外殼，保護外殼的防護等級不應低于IP2X；變壓器安裝位置要求盡量靠近負荷中心，可完全獨立運行。

A級數據中心變壓器按2N配置，每套變壓器的長期工作負載率不宜超過47.5%；B級數據中心變壓器按N+1（1≤N≤3）配置；C級數據中心變壓器按N配置；N+1/N配置的變壓器長期工作負載率不宜超過85%，不宜低于其額定容量的50%。

5 0.4kV配電系統

變壓器采用N配置的數據中心0.4kV配電系統設計采用單母線（不分段）接線；變壓器采用2N/N+1配置的數據中心0.4kV配電系統設計采用單母線分段接線。

0.4kV配電裝置一般包括：進線總柜、無功補償柜、出線柜、聯絡柜、市電/發電切換柜（若項目采用0.4kV柴油發電機組）。

0.4kV配電系統一般可分為單母線（不分段）接線、單母線分段接線2種接線方式。

在變壓器低壓側設功率因數自動補償裝置，無功補償裝置應采用成套裝置且具備自動投切功能，補償后功率因數不應低于0.95。

圖5 .1 0.4kV單母線分段接線（某數據中心）

如圖5.1所示，某數據中心設計采用4臺2000kVA干式變壓器，用電安裝總容量為8000kVA，每2臺2000kVA變壓器組成一套2N系統，共計2套2N系統。某數據中心0.4kV配電系統采用的是單母線分段接線，正常供電時，斷開聯絡開關，0.4kVⅠ段主變向Ⅰ段母線供電，0.4kVⅡ段主變向Ⅱ段母線供電，每臺變壓器的長期工作負載率不宜超過47.5%；當其中1臺主變斷電時，閉合聯絡開關，由另外1臺主變向0.4kVⅠ、Ⅱ段母線供電。某數據中心項目柴發系統采用的是10kV柴油發電機組，故其0.4kV配電系統不需設市電/發電切換柜。

6 變配電室

變配電室設置應滿足下列條件

（1）便于外市電電源進線；

（2）接近負荷中心；

（3）不得設在地勢低洼或可能積水的區域，不得設在積水區域的正下方；

（4）當供電半徑較長、用電負荷較大時，宜分散設置變配電室；

（5）應考慮設備搬運通道、平臺或孔洞，設備布置應滿足操作、維護的要求，安全凈距應符合現行國家標準《20kV及以下變電所設計規范》GB50053和《低壓配電系統設計規范》GB50054的規定。

某數據中心項目變配電室設在通信樞紐樓室內一層，由于此項目為A級數據中心，所以容錯配置的變配電設備應分別布置在不同的物理隔間內，該項目設計了2座變配電室，分別將雙路市電對應的10kV配電裝置、2N配置的變壓器及其0.4kV配電裝置分別設在變配電室A和變配電室B，以達到現行國家標準《數據中心設計規范》GB50174—2017的要求。

圖6 .1 變配電室電氣平面布置（某數據中心）

7 結束語

隨著大數據時代的到來，數據中心這一類基建如雨后春筍般崛起，針對不同級別的數據中心，我們應科學、合理的設計相應的高低壓配電系統，才能保障數據中心有序、良好的運行。另外在論證數據中心高低壓配電系統方案時，除考慮項目建設成本，更應充分考慮系統的供電可靠性以及后期維護的便利性。