數據中心2+1路市電的科學運用研究

趙銳涵 朱同先 趙宇衡 季海峰 張曉艷 姜 昊

中國移動通信集團江蘇有限公司

0 引言

數據中心是云計算服務的核心基礎設施，是云計算規?；?、集約化發展的關鍵，云和終端客戶的互動要通過數據中心及其所提供的運營服務來實現。云服務商對于數據中心快速部署、快速擴張和高功率密度的要求，帶動了數據中心向大規模、模塊化、綠色節能的趨勢發展，同時提出更高的運維和定制化要求。

1 行業背景與電源選擇

1.1 數據中心發展趨勢

為了滿足社會信息化水平不斷提高的要求，促進我國數據中心，特別是大型數據中心的合理布局和健康發展，國家發展改革委、中央網信辦、工業和信息化部、國家能源局于2020年12月23日下發《關于加快構建全國一體化大數據中心協同創新體系的指導意見》。據統計，2019年中國數據中心數量大約有7.4萬個，較2012年增加2.3萬個。其中，超大型、大型數據中心占數據中心總量達到12.7%；而規劃在建數據中心中，超大型、大型數據中心數量占比達到36.1%。

數據中心規模的不斷擴大，單機架的設計功耗也在持續升高。北京市經濟和信息化局于2021年4月27日率先發布《北京市數據中心統籌發展實施方案（2021-2023年）》，其中明確要求“新建云數據中心PUE不應高于1.3，單機架功率不應低于6千瓦”。在政策、現場、土地價格等諸多因素影響下，高功率機柜成為未來機柜發展的必然趨勢。

1.2 外市電選擇標準

隨著用電需求持續增大，在數據中心規劃設計階段，如何確定外市電的電壓等級，需要充分考慮局站類別、當地供電條件、市電的可靠性和分類、局（站）用電容量以及供電部門要求。在《通信局（站）電源系統總技術要求》YD/T 1051-2018中規定了通信局（站）根據其重要性、規模大小分類。其中承載國際、省際等全網性業務的機房、集中為全省提供業務及支撐的機房、超大型和大型數據中心機房等的局站為一類機房，原則上應考慮采用一類市電引入。引入外市電的電壓等級通常在220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、20 kV、10 kV、380 V或220 V電源中選擇，經技術性和經濟性比較確定。

根據《數據中心設計規范》（GB50174-2017）要求，A級數據中心的供電電源也應按一級負荷中的特別重要的負荷考慮，因此按《供配電系統設計規范》（GB50052-2009）要求需采用雙重電源+柴油發電機供電。在A級數據中心內的10/0.4 kV變電所及以下低壓配電系統中均按照2N的原則配置設備及線路，對于其上一級的110 kV或220 kV變電站的線路及主變沒有做出強制性的要求。按照江蘇省《電力用戶業擴工程技術規范》（DB32/T1088-2007）規定，數據中心的市電電源進線滿足N+1要求即可。如果總用電量超過10萬kVA容量，根據江蘇省《電力用戶業擴工程技術規范》（DB32/T1088-2007）規定“用戶申請容量在10萬kVA及以上時，宜采用220 kV及以上電壓等級供電”。

以總用電容量為10萬kVA為限，若數據中心設計PUE為1.30，平均單機架設計功耗為5 KW，則園區機架數可達15300架；若平均單機架為7 KW，則園區機架數可達10900架。用電容量限制了數據中心的整體機架規模。

因此，從土地規模、政策方向、電力容量、業務需求、投資回報等多個角度去分析數據中心的建設方向和目標，是非常復雜的項目，本文以某運營商數據中心為研究對象，重點分析討論“1+1”模式220 kV供電與“2+1”模式110 kV供電兩種方案的優劣勢。

2 方案比較

2.1 項目概況

某運營商數據中心園區地處華東地區，園區整體基礎設施系統設計遵循國家GB 50174-2017 A標準及部分參考國際Uptime和TIA942 T3+標準。其中一期包含機房樓2棟，110 kV變電站1棟，制冷站1棟，動力中心1棟，輔助辦公用房1棟，總設計用電功率超6萬kVA。二期新建機房樓2棟，柴油發電機樓1棟，用電功率達到10萬kVA。園區整體用電功率達到16萬kVA，遠遠超出110kV線路容量上限。

從電氣結構上分析，一期110kV變電站已經引入兩路110 kV市電進線，對應兩臺容量為10萬kVA的110kV/10 kV主變壓器，10 kV母線采用單母線四分段的形式，其中I、II段母線對應1#主變，III、IV段母線對應2#主變。當出現單路市電停電或者計劃性停電時，I和IV，II和III可分別通過聯絡柜實現手拉手供電。一期根據負載分配情況，已經啟用6組10kV出線為末端進行供電。

二期按照規劃負載，需要重新引出10組10kV配電線路為機房樓供電，每組進線組容量約為1萬kVA。因此需要對園區整體電力容量進行擴容并重新進行負載分配。

2.2 電氣引入方案比較

從電源引入角度來看，如果采用兩路220 kV市電供電模式，需要拆除原有外市電電纜，重新選擇上級電源站，規劃外市電線路路由，復核110 kV變電站土建設計能否滿足要求或者重新新建220 kV變電站，拆除原系統中的電纜和電氣設備。如果考慮“2+1”110 kV外市電擴容方案，需要確定新建線路上級變電站，規劃進線路由，確定原110 kV是否有空間擺放擴容變壓器、GIS等設備。參考原有一期圖紙和現場勘查結果，擴容一路110 kV進線，電纜管溝、變壓器、GIS的空間是可以滿足要求的。

從負載分配方案考慮，兩路220 kV市電供電模式比較簡單，所有10 kV電源進線引入端分別引自兩路220 kV下掛母線，日常運行時，任一路電源運行容量不超過50%即可，單路停電時，通過手拉手形式通過聯絡柜供電，雙路停電則通過應急后備電源供電。如果為“2+1”110 kV市電供電方案則需要對每路10 kV進線規劃容量進行統計復核，重新進行排列組合。理想情況下，終期滿載運行，每路110 kV日常用電容量可達線路總容量的2/3，當其中任一一路市電停電，則將所帶負載進行均分，由另外兩路分別帶載，此時另外兩路運行功率達到100%，當出現兩路停電乃至三路停電的情況，則通過應急后備電源供電。將三路110 kV市電分別記作A、B、C，每路市電通過110 kV主變，各帶兩段10 kV母線，分別記作I、II、III、IV、V、VI，則A路外市電帶I、II段母線，B路進線帶III、IV段母線，C路進線帶V、VI段母線。由于同組變壓器下兩段母線分別引自兩把分支開關，并無電氣連接，I、VI，II、III和IV、V直接有聯絡柜可以進行手拉手。因此，假定A路停電，則I、II兩段母線下所帶負載分別由C路進線和B路進線進行供電。考慮到數據中心負載增長的一般規律，在較長周期內，園區整體用電功率很難達到一路市電的總設計容量。因此在負載分配的設計規劃階段，技術團隊提出，10kV負載在分配階段，機房樓、制冷站同組10kV進線分配應該按照I、IV，II、V和III、VI進行進線互備設計。這種分配方案可以保證園區在整體市電容量充足的情況下，即使兩路110 kV外市電停電，園區整體依然可以保證都由外市電進行供電，不需要啟動應急后備電源。

圖1 “2+1”110 kV負載分配示意圖

從投資角度考慮，110 kV外市電線路引入電纜選用YJLW03-64/110 kV-1×800mm2，單回路綜合單價約為1200萬/千米；220kV外市電線路引入電纜選用ZC-YJLW03-127/220kV-1×2000 mm2，單回路造價約為5800萬/千米。此外，如果采用220 kV方案，還需要廢除原有110 kV變電站，并且重新完成新變電站的建設。結合該項目上級電源站所距離數據中心的距離，兩種方案的投資估算如表1所示。

表1 新建兩路220kV和引入一路110kV市電引入方案對比表

從現有業務保障角度考慮，重新引入一路110kV及負載割接改造，機房業務大約會有5天供電可靠性會受到影響。而220kV改造方案會有20天左右機房供電至少一路需要中斷。

經多輪溝通，不斷優化方案，最終擬按照再引入一路110kV電源和現有兩路110kV電源組成2+1方案，并通過10kV中壓側倒換實現園區供電。經測算，該方案最終投資預算約1.6億元，至少可節省7.4億元。且后期運營維護、建設周期都大大減少和縮短。

3 落地實施

園區第三路110kV外市電引自臨近220kV變電站110kV備用間隔，線路全長約8公里，電纜采用YJLW03-64/110-1×800mm2。110kV變電站內部新增1臺100MVA主變，新增1組110kV進線GIS裝置（線變組接線），10kV新增2段母線，接入原10kV母線系統，最終10kV改建為單母線六分段環形接線。

4 自動化運維方案

4.1 自動化需求

“2+1”方案落地后，又面臨新的難題和挑戰，如何解決結構復雜的系統或者設備分布比較分散的大系統，如何確保系統動作順序的可靠性、準確性，避免由于誤動作影響系統的持續運行成為一個重要課題。

通常，高壓開關柜的保護邏輯往往在建設調測期間已經固化完成，后期調整的可能性很小。以單路進線停電為例，該數據中心機樓高壓開關柜的動作順序為：按順序依次分開停電側出線柜→分開停電側進線柜→閉合高壓聯絡柜開關→按順序依次閉合停電側出線柜。一般我們將這種投切方式叫做順序投切，這個方案的優點在于調試相對簡單，如果出現開關動作錯誤，現場人員方便定位。然而在“2+1”供電模式下，如果需要實現10kV側中壓倒換的順利完成，需要增加的采樣單元、二次線數量非常多，相互之間的聯動關系也非常復雜，改造后的調測難度也非常大。因此，技術團隊提出基于SCADA平臺進行功能開發實現對10kV以及后備電源的整體調度，并且更進一步實現智能化分級保障方案。

4.2 自控方案設計

場控系統利用SCADA系統既有的采樣、存儲功能，對一定時間區域內負載電流進行計算，加上該線路的充電電流需量以及一定安全裕量，從而得到需要保障各出線柜負載穩定運行電流需量。通過人工對出線開關進行預分級標記，從而優先保障為重要出線開關供電，從而保障重要業務不受斷電影響，持續穩定運行。

假定110 kV進線A、B停電，兩路所帶母線分別為I、II和III、IV，每段母線需要倒切的電流量為各出線最大短期運行電流與充電電流之和：

I需=∑（Imax出線1+Imax出線2+…）+∑（Imax充電1+Imax充電2+…）

由于I段與VI段，IV段與V段有聯絡柜連接，當前V段與VI段母線運行電流分別為IVI及IIII，每路進線大載流量為In，則：

若In-IV-IVI-III需-IIII需≥I1需+IIV需，則通過機樓內10 kV母聯將II、III段母線下負載倒切至V、VI段，同時閉合110kV變電站IV、V段和I、VI段之間的聯絡柜；

若In-IV-IVI-III需-IIII需≥0且In-IV-IVI-III需-IIII需＜I1需+IIV需，則通過機樓內10 kV母聯將II、III段母線下負載倒切至V、VI段，啟動I、IV段母線所帶負載的對應的油機組，完成啟機并機進行供電；

若In-IV-IVI-III需-IIII需＜0，則根據重要等級，將重要負載通過機樓內10 kV母聯將II、III段母線下負載倒切至V、VI段，超出部分及I、IV段母線所帶負載通過啟動對應的油機組，完成啟機并機進行供電。

這里特別強調，負載對應母線一定要按照I、IV，II、V和III、VI進行進線互備設計。

當系統給出倒切方案后，會先在人機界面進行彈框，調度人員可以選擇進行方案預演，或者立即執行。

通過SCADA系統的介入，我們還可以實現對同一重要級別的負載根據末端負荷大小進行排序，使整套高壓開關柜投入順序按照負荷的大小順序投入，減少對園區微電網的沖擊。

5 結束語

采用“2+1”供電模式引入一路110 kV電源，通過10 kV成環互為備份，在行業內屬于先進技術處理模式，可有效解決供電容量的問題，且大大節省建設投資，減少后續維護成本。

（1）節約建設投資：某運營商數據中心三路110 kV線路方案相對于兩路220kV方案可減少投資7.4億元；（2）縮短建設周期：采用1路110kV引入對施工環境、施工工藝要求較220kV要低，預計節省工期約6個月以上；（3）減少后續維護成本：220kV電壓等級更高，維護難度更大，預防性試驗及絕緣性檢測成本要降低成本500萬元/年；（4）變電站建設面積減?。?20kV市電電源需新建1棟220kV變電站6000平方米，而本方案采用“2+1”110kV引入只需建1臺110kV變壓器及配套，利用現有變電站擴容；（5）通過場控平臺降低硬件投資、減少改造施工量并減少一線駐場技術人員數量?？梢怨澕s一次性投資約400萬元，后續每年可以節約運維費用約240萬元。