鐵路數據中心供配電系統設計

趙麗娜

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

近年來，隨著電子信息科技的不斷發展，金融業、互聯網、政府、企事業單位等對信息的集中管理和存儲的要求越來越高，建設省級、區域級甚至國家級的大型數據中心成為勢在必行的基建項目。

而數據中心的供配電系統屬于其配套工程的重中之重。安全、穩定、可靠地為數據信息系統提供不間斷電源是整個數據中心所有設備正常運行的基礎條件。建立一個完善的供配電系統，可以有效避免其供電中斷造成數據中心運轉出現故障或造成巨大的經濟損失。

1 工程概況

鐵路作為國家大型服務行業，其運營和發展對數據存儲與交換的要求越來越高。建設大型數據中心是鐵路大數據發展戰略的迫切需要。數據中心供配電系統與傳統鐵路電力設計有很大不同。建立典型的數據中心供配電系統對鐵路行業意義重大。

本文根據多年設計經驗，提出一種鐵路行業數據中心供配電系統的典型設計方案。通過設置10kV配電所、10／0．4kV變電所、UPS供電系統及柴油發電機組，為數據中心提供可靠穩定的電源。

2 數據中心的分級及性能要求

數據中心分級是整個數據中心設計的首要條件。不同的分級對應著數據中心不同的專業設計原則和設計方案。《數據中心設計規范》（GB50174－2017）中將數據中心劃分為A、B、C三級。電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失或公共場所秩序嚴重混亂的數據中心屬于A級；電子信息系統運行中斷將造成較大的經濟損失或公共場所秩序混亂的數據中心屬于B級；不屬于A級或B級的數據中心為C級。

鐵路數據中心一般用于鐵路行業相關核心數據的存儲、鐵路網站數據的存儲及交換，承載各地方鐵路局集中應用系統的部署及數據資源的存儲等，對供電的可靠性要求極高。本文所研究的數據中心為A級，其電氣技術要求詳見表1。

表1 A級數據中心的電氣技術要求

3 數據中心供配電系統設計

鐵路數據中心中電子信息設備多，單位用電功率密度大，用電負荷類型多，負荷性質多樣化，主要用電負荷較為集中，供電可靠性要求高。經統計，本案例用電負荷約為15500kW。根據其特點，通過對數據中心中不同的用電負荷進行用電等級劃分，對不同用電等級的負荷，提供不同的供電方案。

3．1 供電負荷類型、負荷等級劃分及供電原則

本數據中心用電負荷主要包括信息通信機房設備、消防設備、變電所自用電、機房空調、冷卻塔、給排水設備、風機、電梯、動力負荷、應急照明及一般照明等。

上述用電負荷中，信息、通信機房設備為特別重要的一級負荷，同時為這些設備機房提供穩定運行環境的空調和冷風機組設備，會影響到信息通信設備的正常運行，應劃分為特別重要的一級負荷；消防設備、應急疏散照明等消防負荷按照一級負荷提供電源。給排水設備、風機、電梯、一般照明等為二級負荷；其他為三級負荷。

一級負荷由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞。采用從變電所兩段低壓母線上各接引一路電源供電，設備末端自動切換。一級負荷中的特別重要負荷除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統。二級負荷一般采用從設有母聯的變電所任一段低壓母線上接引一路電源供電。三級負荷采用從變電所三級負荷母線段上接引一路電源供電，當變電所只有一路電源時，切除三級負荷。

3．2 供配電系統布置

數據中心的組成宜由主機房、輔助區、支持區、行政管理區等功能區組成。變配電所、柴油發電機房作為支持區，應盡量靠近負荷中心（主機房），以提供動力支持和安全保障。鐵路數據中心供配電系統布置示意圖如圖1所示。

圖1 鐵路數據中心供配電系統布置示意圖

3．3 供配電系統設計方案

如圖1所示，鐵路數據中心的用電負荷集中分布在二層和三層。一層為變配電所，二層為IT設備及UPS設備房間，三層為預留，每層面積約為10000m2。本方案共設置了3層供電系統，分別為10kV配電所、10／0．4kV變電所、UPS供電系統，并在10kV 配電所內設置了備用電源——柴油發電機組的接入條件。

3．3．1 10kV 配電所的設計

在主建筑一層設置3座10kV配電所。每座配電所由地方變電站不同饋出母線段上引來2路10kV電源，構成雙重電源條件，共計引入6路10kV電源。每座配電所的安裝容量在5500kVA至7000kVA之間。

10kV主接線采用單母線斷路器分段，不設母聯。正常運行時，兩路電源分別運行。當一路電源失電時，為本所提供備用電源的柴油發電機啟動，保持熱備，但不投入；當兩路電源失電時，電源進線開關打開，柴油發電機組并機開關閉合，柴油發電機投入。當一路電源恢復后，柴油發電機退出投入，保持熱備；當兩路電源都恢復供電時，柴油發電機停機。每座配電所的市電進線斷路器與柴油發電機組進線斷路器設置電氣聯鎖，不能同時閉合。

3．3．2 10／0．4kV 變電所的設計

根據用電負荷的等級、性質、容量，結合信息、通信機房的設置情況，采取分區域，分負荷供電的方式。根據《數據中心設計規范》（GB50174－2017）中8．1．7條規定，電子信息設備宜由不間斷電源系統供電，故本數據中心信息、通信機房設備設置專用變壓器經由兩路UPS供電；設備機房的空調、冷凍水泵等考慮經濟性和可靠性等因素，由一路市電和一路UPS供電，正常運行時，由一路UPS供電，檢修情況下由一路市電供電；其余一級負荷由兩路市電供電。共計設置10座10／0．4kV變電所，均在主建筑一層。各變電所內2路10kV電源均引自10kV配電所，變電所容量及供電范圍詳見表2。

表2 變電所設置表

10／0．4kV 變電所 0．4kV 側采用單母線分段，中間設母聯開關的運行方式，當一臺變壓器檢修或故障時，切除三級負荷，母聯開關自投，由另一臺變壓器負責本供電區域內的一、二級負荷用電。

在主建筑一層設置電力控制中心，以實現對10kV配電所以及10／0．4kV變電所各遠動終端的遙控、遙信、遙測。

3．3．3 UPS 不間斷電源系統

考慮UPS電源供電可靠性和安全性，采用分區集中式UPS電源系統。根據表1中規定，空調系統的雙路電源中至少一路為應急電源，故在主建筑設置2套單總線輸入／輸出型UPS電源系統，為機房專用空調和冷凍水二次循環泵提供一路不間斷電源。設置7套雙總線輸入／輸出型UPS電源系統，為信息機房模塊和通信機房模塊等提供不間斷電源，其設置標準為2N。UPS電源機房均與其供電的設備機房相鄰布置。

本典型設計方案中主要有兩種設備機房、5個低密機房和2個高密機房。低密機房內，設有約190臺機柜，每臺機柜用電量為5kW。高密機房內，設有約118臺機柜，每臺機柜用電量為10kW。不間斷電源系統的基本容量可按（1）式計算：

式中，E為不間斷電源系統的基本容量（不包含備份不間斷電源系統設備）（kW／kVA）；P為電子信息設備的計算負荷（kW／kVA）。

同時考慮UPS的效率為0．95，計算可得為低密機房供電的UPS基本容量為1200kVA，故選取3臺容量為400kVA的UPS并機使用，對應的變壓器容量為1250kVA。同理可得為高密機房供電的UPS基本容量為1490kVA，故選取3臺容量為500kVA的UPS并機使用，對應的變壓器容量為1600kVA。UPS電源機房容錯布置在兩個房間，形成2N條件。每組UPS電源備用時間為15分鐘。UPS系統容量及供電范圍詳見表3。

表3 UPS系統容量及供電范圍表

3．4 柴油發電機組的設計

根據規范要求，本設計方案配置了10kV柴油發電機組。為減少柴油發電機的震動和噪音對主建筑的影響，在主建筑附近單獨設置一座柴油發電機樓，并設置了10kV并機配電所。

本數據中心備用用電負荷包括：通信信息機房設備、消防設備、變電所自用電、機房空調、冷卻塔、應急照明等，共計約為14500kW。根據備用用電負荷容量，主建筑10kV配電所的供電容量和供電范圍，并考慮柴發樓10kV并機配電所與其能保持一定的對應關系，采用分組柴油發電機并機模式。根據表1中規定，柴油發電機組按照N＋1標準進行配置，N值設定為7，采用（7＋1）10kV柴油發電機并機模式系統。每臺柴油發電機主功率為2200kW。如此，備用電源可承擔數據中心正常運行所需要的負荷用電量。

3．5 供電系統的可靠性

本設計方案中為信息、通信機房供電的配電設備均按容錯型配置。10kV電源采用了雙重電源，同時采用10kV柴油發電機作為備用電源。10／0．4kV變電所設置專用變壓器經由在線式UPS不間斷電源系統為其供電。正常運行情況下，由市電通過不間斷電源向機房設備供電。當一路市電故障時，柴油發電機組啟動，但不投入；變電所內低壓母聯閉合，由一臺變壓器為其供電區域內設備供電。當兩路市電故障時，由UPS蓄電池經逆變電路向負載提供不間斷電源，同時柴油發電機組啟動，并在15分鐘內并機投入運行，從而保證了鐵路數據中心機房設備供電不中斷。各系統的對應關系如圖2所示。

圖2 供配電系統組網關系圖

4 結論

綜上所述，數據中心的供配電系統作為數據中心最重要的基礎設施，應穩定、可靠、便于維護。本文所述鐵路數據中心供配電系統典型設計方案充分考慮了用電負荷性質及等級，對應提供不同的供電方案。通過設置了 10kV 配電所，10／0．4kV 變電所，UPS不間斷電源，柴油發電機組等多重供電電源，充分保障了數據中心的正常運行，為后續鐵路數據中心的建設提供了設計示例及思路。設計同時遵循數據中心近期建設規模與遠期發展規劃協調一致的原則，充分考慮后期發展，在變配電所的設備房間布局，供配電系統設計及柴油發電機房的設置上，均需為后期預留一定的條件，便于數據中心后期發展運營。