數據中心供配電設備設計選型

賈橋龍，高石巖，崔國利，柴 龍，郭 松

（昆侖數智科技有限公司，北京 102200）

1 備用電源

1.1 選用因素

選用的因素包括要求的功率、持續運行功率、應急備用功率、額定功率、限時運行功率、基本運行功率、額定電壓、接地方式、啟動時間、房間通風、使用條件、穩態頻率和電壓特性、瞬態頻率和電壓特性、性能等級、船用或陸用、恒定負荷負載、變負荷負載、單機運行或幷機運行、啟動和控制方式、發動機的轉速、發動機燃油條件、發動機冷卻方式、發動機不加油情況下的工作時間、保護系統、燃油消耗、啟動系統及能力、發電機機械防護、發電機電氣防護、發電機冷卻方式、噪聲限值、廢氣排放限值、振動、機組日常維護、定期機械/電氣維修、預熱裝置、預潤滑裝置以及啟動蓄電池等。

1.2 性能數據

雙路市電失電后，由備用發電機組提供數據中心負載所需全部電源供給。國家相關標準規定A級數據中須就近配備發電機組12 h連續運行所需的柴油油量。發電機的種類通常有燃氣發電機和柴油發電機兩種，其中柴油發電機性能優異，在國內外數據中心得到廣泛應用[1]。

選擇柴油發電機組容量時，采用（N+X）（X=1～N）冗余原則，但應當注意柴油發電機實際運行功率與額定功率的區別。柴油發電機正常連續運行時，平均輸出功率應不高于70%的基本運行功率，除非發電機制造商另有規定[2]。柴油發電機三相對稱負載中任何一相增加額定相功率25%的阻性負載后，如果該相電流不高于其額定電流值，那么柴油發電機要能夠正常運行。機組運行性能等級要達到G3及以上水平，首次加載50%（備用功率容量）負載時，柴油發電機頻率降低于±7%，恢復時間小于3 s。瞬態電壓偏差低于-15%，恢復時間小于4 s。柴油發電機啟動后第一次加載的最大功率要能夠達到柴油發電機備用功率的70%。

柴油發電機組啟動用電的蓄電池可以選擇12 V或24 V電壓等級，蓄電池能夠供給柴油發電機至少連續啟動6次所需的電能。柴油發電機日常應保持在自動啟動狀態，當雙路市電失效時，低壓柴油發電機的啟動時間應不大于30 s，高壓柴油發電機的啟動時間不大于60 s。要保證在3個啟動流程內啟動成功，每兩次啟動流程的時間間隔控制在20 s內，高壓柴油發電機發電機組成功啟動后180 s內能夠達到額定輸出功率。在額定工況下，采用可控勵磁發電機的柴油發電機從冷態到熱態的電壓變化控制在額定電壓±2%以內，采用不可控勵磁發電機的柴油發電機控制在額定電壓的±5%以內[3]。三相輸出電壓的不平衡度要求將三相線電壓平均值±5%的范圍作為柴油發電機輸出線電壓的最大值、最小值以及三相電壓的平均值之差的控制范圍。柴油發電機組輸出電源和正常市電電源不能并網運行，要在兩者之間設置可靠的防止并列運行的保護措施。柴油發電機電源與市電電源的切換，應先斷開市電電源，再投入柴油發電機電源。此外，柴油發電機組的控制系統要具備自動啟停機組、負荷變化時自動加減機以及故障機組自動退出運行等功能。

1.3 高低壓柴油發電機選用

選擇高壓還是低壓機組，需結合高低壓變配電系統綜合考慮。在單機主用功率1 200 kW以上、機組總容量很大需要多臺并機和多個負荷中心、供電距離較長以及有高壓負載，如高壓冷水機組的條件下，建議選用高壓機組。高壓機組的優勢為系統簡單、故障點少、整套設備少、便于集中管理、集中供應多點供電需求、效率更高（可以多臺并聯，根據需求啟動機組臺數）以及相對占地面積小（相對設備少，額外元器件少）等。

2 高壓開關設備

2.1 選用因素

選用的因素包括環境溫度、海拔、空氣質量、濕度、戶內或戶外型、固定或移開式、金屬鎧裝、額定電壓、額定絕緣水平、額定頻率、額定持續電流、額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流、額定短路持續時間、輔助和控制回路額定電壓、輔助和控制回路供電電壓額定頻率、輔助設備和電氣回路的控制檢測、操縱機構形式、聯鎖裝置、聯鎖要求、電機防護、輔助和控制回路與主回路隔離的防護、運行期間的安全距離、電氣間隙、爬電距離、輔助開關、加熱元件、計數器、位置指示、儲能機構、不同部件之間的操作順序、保護裝置以及保護功能等。

2.2 選用數據

高壓開關柜的選擇主要根據開關柜的開斷電流和最大負荷電流來確定，兩者必須同時滿足。例如，經過計算最大短路電流為23 kA，根據高壓開關柜的開斷電流等級選擇25 kA或30 kA，即選用的高壓開關柜的開斷電流等級要高于計算的最大短路電流。再如，經過計算最大負荷電流為578 A，則選額定電流為630 A或1 250 A的開關柜，即選用的高壓開關柜額定電流要高于計算的最大負荷電流，并留有一定的余量。開關柜結構形式戶內宜選用KYN28形式，即戶內金屬鎧裝移開式開關柜。

3 干式變壓器

3.1 選用因素

選用的因素包括油浸式或干式、海拔、環境溫度、濕度、電源電壓波形、多相電源電壓是否對稱、承受短路能力、額定容量、額定電壓、額定電流、額定頻率、聯結組標號、變比、調壓方式、空載損耗、負載損耗、空載電流、短路阻抗、冷卻方式、絕緣水平、防護等級、環境等級、氣候等級、燃燒性能等級、溫升、非電量保護、雷電沖擊耐受電壓峰值、材質、IP等級以及效率等。

3.2 選用數據

干式變壓器容量等級主要分為200 kVA、250 kVA、315 kVA、400 kVA、500 kVA、630 kVA、800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA、1 600 kVA、2 000 kVA以及2 500 kVA。干式變壓器容量上限有設計限值，10 kV干式變壓器當最大容量通常為2 500 kVA。干式變壓器二次側輸出電壓為0.4 kV時，干式變壓器額定容量宜控制在2 000 kVA以內。如果供電系統內只有一臺干式變壓器，那么變壓器容量宜控制在1 250 kVA以內。選擇變壓器容量時，要考慮變壓器長期工作下的負載率不超過變壓器額定帶載能力的85%，數據中心電氣系統采用2N架構，兩臺變壓器互為備用時，正常運行情況下（兩路市電均有效），單臺變壓器的負載率應控制在額定帶載能力的50%以下。考慮變壓器長期工作下的負載率不超過變壓器額定帶載能力的85%，單臺變壓器的負載率應控制在額定帶載能力的42.5%以下。

4 低壓成套開關設備

4.1 選用因素

選用的因素包括GGD型、GCS型、GCK型、MNS型、MCS型、戶內或戶外選擇、環境溫度、濕度、海拔、污染等級、儲存運輸條件、絕緣材料耐熱和耐著火性能、機械強度、尺寸、箱柜結構、外殼的防護等級、電氣間隙和爬電距離、電擊防護、電氣隔離、工頻耐受電壓、保護導體截面積、介電性能、溫升極限、開關控制方式、系統接地類型、脫扣器類型及配備的保護、額定工作電壓、額定絕緣電壓、額定沖擊耐受電壓、額定電流、額定短時耐受電流、額定極限短路分斷能力、額定運行短路分斷能力以及額定頻率等。

4.2 結構形式選擇

低壓成套開關設備結構形式有GGD、GCK、GCS、MNS以及MCS。其中，GGD型低壓成套設備結構是固定柜，GCK、GCS以及MNS型低壓成套設備結構是抽屜柜。GCK低壓成套設備、GCS低壓成套設備以及MNS低壓成套設備間抽屜的推進機構不同。GCS型低壓成套設備只能是單面操作柜，不能雙面操作，柜體深度為800 mm；MNS型低壓成套設備可以是雙面操作柜，柜體深度為1 000 mm。GCK最小抽屜單元1模數，GCS最小抽屜單元1/2模數，MNS最小抽屜單元1/4模數[4]。MNS和GCS型低壓成套設備的水平母線都是后出線，而GCK型低壓成套設備水平母線是設在柜頂上。

4.3 選用數據

短路電流計算的公式為：

式中：Ik為需要計算的單相短路電流或三相短路電流，單位是kA；Zk為短路點總阻抗，包含括變壓器、母線、系統以及電纜等的阻抗，單位是mΩ；U為電壓，單位是V，計算單相短路電流時取220 V，計算三相短路電流時取230 V。

短路電流估算公式為：

式中，Isc為干式變壓器二次側預期的三相短路電流，Ie為變壓器二次側額定電流，Uk為變壓器阻抗電壓。

5 不間斷電源

5.1 HVDC

高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）設備采用高頻軟開關技術的240 V高壓直流減少了UPS逆變環節，比采用晶閘管或IGBT整流器的UPS體積更小，節能性好，UPS效率更高。備用電池直接掛在輸出母線上，市電失電時，電池直接對IT設備供電，真正實現不間斷供電。HVDC模塊化設計，可在線擴容，分期投資。HVDC直流電能的并聯只涉及模塊均流，不需要調壓，操作簡便可靠。此外，HVDC高壓直流整流模塊具備熱插拔維護功能，維護方便，減少依賴廠家維保服務。

HVDC直流不間斷電源在IDC市場得到了廣泛應用，尤其是阿里和騰訊等大型互聯網企業及電信和移動等網絡運營商，但是在金融業和國有企業等領域應用較少。

HVDC直流不間斷電源劣勢如下，供電系統對絕緣性能要求高，要選用適用直流電的空氣開關，滅弧性能相對交流空氣開關而言要求較高。當IT設備采用雙路HCDV電源供電時，如果雙路HCDV電源設備故障，因為HCDV電源設備沒有交流旁路，所以此時IT設備只能由備用電池供電。目前市場上絕大數服務器可以采用直流電源供電，但存在設備使用壽命及設備廠商維保方面的困擾，少數IT設備不支持直流電源供電。

5.2 工頻UPS

數據中心發展初期一般采用工頻UPS，隨著技術的發展出現了高頻UPS，兩者是按UPS整流電路工作頻率進行區分。工頻UPS整流結構上采用傳統的模擬電路，模擬電路由晶閘管組成。晶閘管整流器的工作頻率為工頻50 Hz，所以叫工頻UPS。高頻UPS整流結構上采用IGBT高頻整流器。IGBT整流器的工作原理是控制IGBT器件的開通與關斷，高頻UPS整流器的開關頻率一般在幾千到幾萬赫茲，可以高達幾十萬赫茲，頻率遠遠高于工頻UPS，所以叫高頻UPS[5]。

工頻UPS存在體積大、重量大以及對空間要求較高的缺點，且自身消耗的功率高，輸入功率因數低，電能利用效率低，工作時噪音大，對環境不友好，價格偏高，備件儲存和維修成本大。因此數據中心已經逐漸淘汰工頻UPS。

5.3 高頻UPS

高頻UPS用IGBT高頻整流器替代了工頻UPS晶閘管整流器，IGBT整流器開關頻率通常在幾千赫茲以上，遠遠超過工頻機。高頻UPS相對工頻具有效率高、功耗小、體積小、重量輕、對電網適應能力強以及并機環流衰減等優勢[6]。而且輸入功率因數高，高頻UPS運行時噪音比工頻UPS少，對環境不利影響小。此外，高頻UPS可靠性高，采用全數字化控制技術，市場占逐漸增大。

5.4 模塊化UPS

模塊化UPS適應了數據中心高效運維的要求，是數據中心供配電基礎設施的發展趨勢之一，具有集成化、標準化、模塊化、熱插拔以及高可用性的特點。集成化特點是模塊化UPS電源設備包括模塊化UPS本體、電池管理系統以及輸入輸出配電組件等。標準化特點是模塊化UPS整機功率由相同制式的功率模塊功率組成，想要改變UPS的輸出功率，只需增加或減少功率模塊的數量即可。模塊化特點是盡可能將UPS的功率單元、輸入輸出單元、旁路單元以及通信單元等做成模塊。熱插拔特點是功率模塊和通信模塊等模塊可以實現不停電在線熱插拔。高可用性特點是控制系統和測量系統等各系統冗余設計，可靠性高，系統效率在97%以上，低負載率下依然保持高效率。

5.5 模塊化UPS選用因素

選用的因素包括工作模式、外觀尺寸、額定功率、交流輸入電壓允許范圍、輸入頻率允許范圍、輸出額定功率因數、額定輸出電壓、輸出頻率、頻率跟蹤范圍、輸出波形、輸出電壓波形失真、三相不平衡度、動態電壓瞬變范圍、瞬變響應恢復時間、穩態輸出電壓穩定度、開機浪涌電流、過載能力、幷機電流不均衡度、電壓穩定率、零地電壓升、旁路供電切換時間、市電與電池供電切換時間、整機效率、功率模塊效率、功率模塊電流不均衡度、熱插拔性能、故障模塊自動退出功能、模塊休眠功能、噪聲、防護等級、平均故障間隔時間、工作環境要求、熱元件的溫升、電池監控功能以及保護功能等。

5.6 模塊化UPS選用數據

輸入頻率范圍應不窄于（50±2）Hz，頻率跟蹤范圍應滿足（50±2）Hz。模塊化UPS在額定非線性負載下的輸入功率因數控制在0.99以上，在50%額定非線性負載下的輸入功率因數控制在0.95以上。在電池逆變狀態下，輸出頻率應不寬于（50±0.5）Hz。模塊化UPS輸出三相電壓不平衡度控制在3%以內，電壓動態瞬變范圍應控制在5%以內，電壓瞬變后恢復的時間應控制內60 ms以內。模塊化UPS由市電供電到備用電池供電的轉換時間應不間斷切換，即為0 ms，從逆變工作模式切換到旁路供電工作模式的時間控制在4 ms以內，模塊化UPS輸出電流不均衡度應控制5%以內[7]。

模塊化UPS控制系統能夠依據實際負載的增大或減小自動調整功率模塊的休眠數量，當實際負載減小到功率模塊休眠設定值后，自動控制部分功率模塊處于休眠狀態，使其他功率模塊工作在較高效率區間。當負載增大到喚醒設定值后，系統自動喚醒部分休眠功率模塊以達到實際負載的要求，故障功率模塊可自動退出運行。功率模塊與整機宜設置分級冗余控制系統，正常情況下由功率模塊的控制系統進行功率模塊運行控制，當功率模塊控制系統失效后，由UPS整機控制系統進行功率模塊運行控制。UPS的容量選擇時，不間斷電源系統的基本容量至少達到1.2倍的電子信息設備的計算負荷。2N配置的UPS在正常情況下兩組（臺）UPS均運行，每組（臺）UPS的負載率必須控制在50%以下，必要時降低到45%以下。

5.7 零地電壓的誤區

如果新建數據中心投運前的零地電壓很高，說明接地電阻高，接地不牢靠，則需要對接地系統進行檢查和整改。數據中心投運后，零地電壓偏高的原因有三相負載不平衡、零線規格不夠以及非線性負載諧波影響等。降低零地電壓的措施有選擇合適的零線、重復接地以及加裝隔離變壓器等，而且實際上零地電壓不高于10 V，可認為不會對設備運行造成不良影響。

6 備用電池

6.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池在各類據中心得到非常廣泛的應用，但存在明顯的缺陷，如體積大、對布置環境要求高、電池含有重金屬、長期放置時有有害氣體散發、對環境及其它設備存在污染、使用壽命較短（一般為6年左右）以及運維成本高等，且需要對電池定期充放電。

6.2 鋰電池

鋰電池具有明顯優勢，其體積能量密度大于等于兩倍鉛酸蓄電池，重量能量密度大于等于3倍鉛酸蓄電池，循環壽命更長，而且鋰離子電池化學組成中不含重金屬，使用過程中不會產生易燃易爆氣體和酸性氣體，屬于環保型。此外，鋰電池還具有更高的額定電壓、對環境溫度要求低、體積小、重量輕、充放電次數多、充放電速度快、新舊電池可以混合使用以及不需要定期充放電試驗等優勢，但是價格較貴，不過隨著鋰電池應用的擴展，其價格會下降，因此鋰進鉛退是大勢所趨[8]。

6.3 鋰電池選用因素

選用的因素包括額定容量、標稱電壓、工作電壓范圍、柜式電池組、外觀尺寸、額定充電功率、額定放電功率、額定充電能量、額定放電能量、工作環境要求、正極材料、充電電流、放電倍率、充電限制電壓、終止電壓、循環壽命、設計使用壽命、額定條件下工作溫度、內阻、質量能量密度、體積能量密度、充放電能量、充放電能量效率、室溫/高溫能量保持與能量恢復能力、電池儲存性能、容量偏差、柜式電池組配備監控保護消防等功能、同批次電池組并聯、不均流度、同型號新舊電池間的混用及其不均流度控制以及可最大并柜數等。

6.4 鋰電池選用數據

單體電池容量等級通常有8 Ah、10 Ah、20 Ah、30 Ah、40 Ah、50 Ah、60 Ah、80 Ah、100 Ah、150 Ah以及200 Ah，輸出標稱電壓值通常有12 V和48 V。鋰電池正常運行的環境溫度可高于鉛酸電池，電池組內各單體電池的生產廠家相同、化學成分及電池結構應相同。同時滿足電池組各單體電池間最大靜態開路電壓偏差控制在0.05 V以內、電池組各單體電池間最大靜態內阻偏差在10 mΩ以下、偏差絕對值控制在1 mΩ以內、最大靜態內阻偏差在10 mΩ以上（平均值的5%以內）以及電池組各單體電池間最大容量偏差控制在平均值的±1%以內[9]。此外，容量保存率不低于額定值的95%，鋰電池電池組的循環壽命應在1 000次以上，電流管理系統應具備完善的監控和保護功能。A級數據中心備用電池的后備時間應不少于15 min，2N架構下，兩組不間斷電源互為備用時，一組不間斷失效的情況下，另一組不間斷電源配置的后備電池要滿足兩組不間斷電源所帶全部負荷不少于15 min的供電時間。

7 機房配電

7.1 精密配電柜

各數據中心大量采用精密配電柜，精密配電柜的優勢是建設期成本低，劣勢是需要定期維護，且模塊機房內部柜體及線纜部署時占用機柜空間，運維期設備部署、擴容、施工改造以及材料等支出費用大，運維管理成本高。

7.2 母線槽

母線槽的優勢是減少地面使用空間，提高機房使用率，按需快速配置或更換插接箱。插接箱可多次重復使用，運維成本低，線路免維護，在母線槽整體容量允許的情況下實現任意擴展。母線槽相對精密配電柜具有減少地面使用空間、易擴容、可靠性高、運維成本低以及線路免維護等優勢，但是投資成本高，約為精密配電柜的1.5倍左右[10]。考慮到后期運維成本，兩者的綜合成本相當。

7.3 母線槽選用因素

選用的因素包括外觀尺寸、安裝方式、產品類型、母線的連接形式、額定工作電壓、額定電流、額定峰值耐受電流、額定限制短路電流、額定短時耐受電流、額定分散系數、額定頻率、最高工作溫度系統接地類型、電擊防護措施、戶內使用環境要求，絕緣材料熱穩定性、絕緣材料耐熱性能、機械強度、外殼防護等級、電氣間隙、爬電距離、采用的保護類別、采用的保護電器及其位置、保護導體截面積、介電性能、溫升極限、相導體平均特性以及用電參數監控功能等。

7.4 母線槽選用數據

選擇母線槽時要查驗3C強制認證標志和形式試驗報告等質量證明文件。母線槽的N線截面積至少要達到相線的截面積，PE線截面積至少達到相線截面積的50%。選擇可以在110%額定電流下長期穩定運行的母線槽，母線槽使用的絕緣材料的長期耐受溫度至少為130 ℃，具備耐火防水性能。每節母線槽的絕緣電阻不低于20MΩ，外露螺栓和金屬外殼等可導電部位的接地電阻應小于等于0.1Ω[11]。另外，2N配置的母線槽應根據所供給的IT設備功率選擇額定電流，正常情況下，每路母線槽的負載率應控制在50%以下，考慮到后期擴容需求，則要充分降低負載率。

8 結 論

本文圍繞技術路線、設計選用因素以及性能參數介紹了數據中心供配電設備設計選型、設計選用因素及性能參數。設備選型十分重要，直接關系到數據中心整體可用性及安全經濟運行。未來數據中心的發展趨勢是邊緣云計算、綠色化、智能化、高密化、模塊化、集約化以及鋰進鉛退等，數據中心供配電設備設計選型也需考慮這些發展趨勢。