一種改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

朱發(fā)熙，張仁玉

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是承載數(shù)據(jù)和算力的基礎(chǔ)物理單元，是數(shù)字化社會重要的基礎(chǔ)設(shè)施組成。受互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟發(fā)展的影響和數(shù)字經(jīng)濟、新基建等國家政策的支持，我國的數(shù)據(jù)中心建設(shè)連續(xù)多年保持高速增長[1,2]。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心所帶業(yè)務(wù)中斷造成損失和影響程度的不同，將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C這3個等級[3]。其中，A級數(shù)據(jù)中心對安全可靠性要求最高，在目前市場上也最受客戶青睞。A級數(shù)據(jù)中心常用供電系統(tǒng)架構(gòu)有2N系統(tǒng)、RR系統(tǒng)以及DR系統(tǒng)，其中2N系統(tǒng)架構(gòu)由于架構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)物理隔離以及運維方便等特點而得到了廣泛應(yīng)用[4]。

根據(jù)供電部門的規(guī)定，單回路10 kV外市電的容量不能超過10 000 kV·A，當(dāng)項目的總外市電容量需求超過10 000 kV·A但又不足20 000 kV·A時（例如市電容量需求為12 000 kV·A），這種情況下直接采用2N系統(tǒng)、DR系統(tǒng)以及RR系統(tǒng)架構(gòu)外市電的配置會不經(jīng)濟。由于在這種規(guī)模下這些系統(tǒng)架構(gòu)不能將單回路市電容量往供電允許的極限靠，即將單回路市電用足，因此需要引入更多的回路。本文提出一種改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)適用于市政供電間隔緊張或需要盡量提高外線容量利用率的場合。

1 改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)

以10 kV母線容量8 000 kV·A為例，典型的2N系統(tǒng)供電架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)的10 kV部分和0.4 kV部分均由兩個容量相同的供電單元組成，每個單元都能保障全部負(fù)載。正常運行時兩個單元同時工作，互為備用，各帶50%的負(fù)載，當(dāng)其中一個單元故障時，另一個單元帶全部的負(fù)載。

圖1 典型的2N供電架構(gòu)

改進的供電架構(gòu)見圖2，其10 kV部分由3個容量相同的供電單元組成，包括3路容量相同的外市電、3段配置相同的10 kV母線段。

圖2 改進的供電架構(gòu)

正常情況下，3段10 kV母線同時工作，每段10 kV母線均帶50%負(fù)載。其變壓器及以下部分同2N系統(tǒng)完全一致，即同一組變壓器的A、B路均來源于獨立的10 kV母線段。正常狀態(tài)下，兩臺變壓器同時運行，各帶50%負(fù)載。當(dāng)一臺故障時，另外一臺變壓器帶全載。在變壓器低壓側(cè)設(shè)置母聯(lián)，在任何時間兩進線一母聯(lián)3個斷路器只能合其中的兩個，采用自動切換方式。

當(dāng)3路中的一路外市電故障后，對應(yīng)的該段母線退出運行，通過低壓母聯(lián)投切，該段母線所帶負(fù)荷由剩下的兩路外市（母線）共同分擔(dān)。當(dāng)3路中的兩路外市電故障后，故障的兩路外線退出運行，剩余的一路外線依然正常工作。柴油發(fā)電機系統(tǒng)投入工作并給斷電的兩段母線提供電源，為數(shù)據(jù)中心的負(fù)載提供應(yīng)急保障。

當(dāng)所有3路外市電均斷電時，柴油發(fā)電機系統(tǒng)給斷電的3段母線提供電源。如果這時其中一路市電恢復(fù)，那么該路市電對應(yīng)的10 kV母線由柴油發(fā)電機供電自動切換為市電供電，另外兩段依然由柴油發(fā)電機供電。當(dāng)兩路市電恢復(fù)后，柴油發(fā)電機系統(tǒng)退出運行，由恢復(fù)供電的兩路外線帶全部負(fù)荷。當(dāng)3路市電均恢復(fù)時，即轉(zhuǎn)換為市電正常狀態(tài)，3個10 kV供電單元同時供電，每個單元帶50%的負(fù)載。

從圖1可知，由兩段8 000 kV·A的10 kV母線組成的2N系統(tǒng)能帶的最大負(fù)荷是8 000 kV·A。從圖2可知，由3段8 000 kV·A的10 kV母線組成的改進系統(tǒng)能帶的最大負(fù)荷是12 000 kV·A。改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)中3段10 kV母線應(yīng)由一套柴油發(fā)電機系統(tǒng)保障，這樣柴油發(fā)電機組可以冗余互用，減少柴油發(fā)電機數(shù)量，并降低控制系統(tǒng)的難度，含柴油發(fā)電機系統(tǒng)的改進供電架構(gòu)見圖3。

圖3 含柴油發(fā)電機系統(tǒng)的改進供電架構(gòu)

由上分析，改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)中，任何一個單元（包括外線、母線、開關(guān)以及變壓器）退出運行均不影響整個供電系統(tǒng)的運行，因此該供電架構(gòu)不存在單點故障，滿足A級機房對供電可靠性的要求。

2 應(yīng)用分析

2.1 項目概況

某數(shù)據(jù)中心總建筑面積約為12 000 m2，單層面積約為3 000 m2，共4層。其中，一層主要是變配電房和其他配套用房，標(biāo)準(zhǔn)層主要是數(shù)據(jù)機房和電力電池室。數(shù)據(jù)中心總共規(guī)劃了2 000個5 kW機柜，按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》中的A級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。采用引入10 kV市電的外電引入方案，根據(jù)工程所在地配網(wǎng)的現(xiàn)狀，附近市政電網(wǎng)能提供4個有效間隔，單個間隔的市電容量為10 000 kV·A，前端市政電網(wǎng)電源引接點距離本項目約4 km。

2.2 供電方案選擇

對數(shù)據(jù)中心內(nèi)各類不同的用電設(shè)備進行分類，不同類別的設(shè)備選取合適的需要系數(shù)和同時系數(shù)，進行用電負(fù)荷統(tǒng)計，本工程的負(fù)荷估算如表1所示。

表1 用電負(fù)荷統(tǒng)計表

根據(jù)GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》和GB50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，A級數(shù)據(jù)中心中的IT設(shè)備、給IT設(shè)備配套制冷的設(shè)備（包括冷水機組、水泵、冷卻塔以及機房專用空調(diào)）、消防設(shè)備以及機房監(jiān)控系統(tǒng)等為一級負(fù)荷，其中IT設(shè)備、機房專用空調(diào)以及機房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備屬于一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。根據(jù)用電負(fù)荷定性和表1的負(fù)荷統(tǒng)計表，本工程總共需要引入15 000 kV·A+15 000 kV·A的外市電，但是由于供電部門單回路10 kV外電不允許超過10 000 kV·A，如果按照2N架構(gòu)，就需要引入4路7 500 kV·A外電或者2路10 000 kV·A外電+2路5 000 kV·A外電。以采用4路7 500 kV·A外電方案為例，本工程采用2N系統(tǒng)的供電架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于2N系統(tǒng)的供電架構(gòu)

按照改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)，本項目外市電只需要3路，10 kV母線也只需要3段。相較于常規(guī)的2N供電架構(gòu)，能夠節(jié)省1路外市電、1段10 kV母線以及1套柴油發(fā)電機和市電切換裝置，本項目改進方案的供電系統(tǒng)架構(gòu)詳見圖5。

圖5 本項目基于改進系統(tǒng)的供電架構(gòu)

兩種架構(gòu)的對比詳見表2。

表2 新架構(gòu)和2N架構(gòu)的對比表

由于外線投資在整個供電系統(tǒng)中占比很大，因此節(jié)省外線投資能有效減少整個供電系統(tǒng)的投資。

3 結(jié) 論

本文對數(shù)據(jù)中心常用的2N供電系統(tǒng)架構(gòu)中的10 kV部分進行了改進，提出了一種改進的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)。通過對該架構(gòu)的分析研究可知，改進的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性比2N供電系統(tǒng)架構(gòu)略低，但同樣不存在單點故障，能夠滿足A級數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)安全可靠性的要求。對某些特定規(guī)模的數(shù)據(jù)中心，在滿足規(guī)范要求的前提下，采用改進的供電架構(gòu)能夠簡化供電系統(tǒng)，減少外線的回路、10 kV母線段以及配電房面積，節(jié)約投資。此外，改進的供電系統(tǒng)架構(gòu)特別適合市政電網(wǎng)間隔數(shù)量緊張的場合。