20kV數據中心供配電系統及發(fā)電機應急電源設計

侯桂兵

廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 廣東 廣州 510630

隨著智慧城市、智慧園區(qū)、無人駕駛等AI技術的飛速發(fā)展，數據中心云計算服務器成為其成敗的關鍵。數據中心作為AI技術關鍵的基礎設施，其安全運行成為AI技術安全的關鍵。數據中心供配電系統作為數據中心的動力來源，如何安全運行是數據中心安全運行的關鍵。隨著電網供電系統的結構優(yōu)化，20kV電壓的等級的配電網越來越多，20kV電壓下如何選擇數據中心的供配電系統及發(fā)電機應急電源供電方式的選擇成為數據中心供配電設計的關鍵。

一、20kV數據中心供配電系統接線的類型

20kV電壓配電系統與10kV電壓配電系統相比，應急電源的電壓等級沒有20kV，根據《數據中心設計規(guī)范》GB50174-2017的要求，A、B類數據中心應設置應急柴油發(fā)電機。20kV電壓等級供電系統相對于10kV供電系統，沒有對應20kV電壓等級的應急柴油發(fā)電機，因此應急柴油發(fā)電機類型的選擇決定整個供配電系統的設計，現在與應急柴油發(fā)電機匹配的供配電架構主要有以下幾種：

1.1 0.4kV低壓發(fā)電機市電直降0.4kV方案

圖1 0.4kV低壓發(fā)電機市電直降方案

0.4kV低壓發(fā)電機市電直降方案，此方案在低壓聯絡，靈活性差，適合規(guī)模小，供電距離短的小型數據中心。

1.2 10kV發(fā)電機并機，20kV市電中間降壓到10kV接線方式

圖2 10kV發(fā)電機并機市電直降方案

10kV發(fā)電機并機市電中間降壓方案，20kV市電通過降壓變壓器降壓到10kV，發(fā)電機采用10kV發(fā)電機集系統，本方案可靠性高，兩臺降壓變壓器長期運行，后期運行費用高。

1.3 10kV發(fā)電機并機后升壓到20kV，市電直降0.4kV接線方式

圖3 10kV發(fā)電機并機升壓市電直降方案

10kV發(fā)電機并機升壓壓方案，發(fā)電機應急電源并機后通過升壓變壓器升壓到20kV，市電從20kV直降到0.4kV，本方案升壓變壓器平時處于冷備狀態(tài)運行費用低，但是存在單點故障當升壓變壓器出現故障的時候，整個系統沒有應急電源。

1.4 0.4kV發(fā)電機中間升壓20kV后并機，市電直降0.4kV接線方式

本方案，每臺低壓發(fā)電機經升壓變壓器升壓到20kV后并機與市電聯絡后經變壓器直降到0.4kV供電。本方案，市電無需經過中間變壓器，每臺發(fā)電機經變壓器升壓后并機，解決了方案3，當升壓變壓器出現故障整個應急電源失效的情況，同時也解決了大容量變壓器勵磁涌流的問題，可靠性增強，適用于發(fā)電機布置在室內，供電路由短的數據中心。

1.5 10kV發(fā)電機升壓后并機，市電直降接線方式

本方案與圖4類似，只是把低壓發(fā)電機換成了10kV發(fā)電機，10kV發(fā)電機相較于0.4kV發(fā)電機供電方式更靈活，供電距離更長，適用于室外布置發(fā)電機的供電方案。

圖4 0.4kV發(fā)電機升壓并機市電直降方案

二、工程案例分析

2.1 工程概況

以深圳某數據中心為例，本工程總建筑面積為19762.04m2，地上四層，地下一層，建筑高度為23.4m，防火設計建筑類別為丙類多層廠房。本工程首層布置機柜數為350機柜，二至四層為標準層數據機房層，每層機柜數910個，共計3080個5kW機柜，總的IT負荷用電為15400kW，設計要求PUE為1.25以下，應急柴油發(fā)電機采用室外集裝箱布置，按A類機房設計。

2.2 方案比選

1、本工程屬于大型數據中心且PUE要求1.25以下，圖1和圖2方案不可取；

2、本工程要求采用室外集裝箱發(fā)電機組，圖4方案需要大量大容量低壓母線，費用高，布線靈活性差，不可取；

3、本工程機房等級為A類機房，圖3方案存在單點故障的風險，也不可取；

綜上分析及業(yè)主的意見，本工程采用圖5的供電方案。

圖5 10kV發(fā)電機升壓并機市電直降方案

2.3 電氣設計方案

根據工程的方案比選，本工程供電主接線圖如圖6所示，本工程20kV市電采用單母線分段方式，兩路市電和母聯直接設置電氣連鎖，發(fā)電機并機后通過應急母線分別給兩路市電供電，市電與油機進線設置電氣機械連鎖，杜絕并列運行，低壓設置8組低壓配電系統，每組低壓有兩臺2500kVA變壓器及其配套低壓配電柜組成，每套系統互為熱備，每臺變壓器的負載率在47%左。具體的電力配置情況如下：

圖6 供電系統主接線圖

1、市電：20kV市電建設1套高壓配電系統每套高壓系統引入2路約20000kVA市電，總的市電容量為20000kVA主用和20000kVA備用，高壓系統采用單母線分段接線方式。

2、變壓器及低壓系統：建設16臺2500kVA的 20/0.4kV干式變壓器及其對應的低壓配電系統。其中首層布置4臺2500kVA干式變壓器，二～四層標準層每層布置4臺2500kVA干式變壓器，每臺變壓器負載率不超50%，兩臺變壓器一組互為備用。

3、UPS電源系統：首層配置一套2400kVA（4臺600kVA UPS并機）N配置動力用UPS和一套2000kVA（4臺500kVA UPS并機）2N配置IT用UPS系統；2～4層標準層每層配置2套2500kVA（5臺500kVA UPS并機）2N配置IT用UPS系統，配套電池按后備15min配置。

4、發(fā)電機系統：在室外設置12臺10kV PRP功率2000kW的室外集裝箱發(fā)電機組，發(fā)電機采用一套并機系統采用11主用1臺備用。

結束語：本文著重探討20kV電壓等級數據中心的各種供電架構，并結合工程實例闡述了20kV數據中心供電系統及應急柴油發(fā)電機系統供電方案的選擇及設計。