某數據中心油機系統設計與實測分析

劉京晶，田振武，呂申龍

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

目前，各行各業的數字化轉型和產業升級，對信息、數據的管理和分析產生了極大依賴。數據中心作為信息、數據的基礎設施平臺，扮演著越來越重要的角色。通過升級迭代，數據中心逐漸形成由計算機系統、通信連接系統、電力系統、制冷系統以及環境監控系統等組成的基本架構。其中，電力系統是保障數據中心業務設備正常運行的關鍵環節。為避免供電故障發生導致數據丟失等災難性后果，數據中心通常要求配置應急電源系統。

數據中心應急電源系統最常用的形式是柴油發電機系統，尤其是在中大型數據中心建設中，一般采用高壓（10 kV）柴油發電機組并機系統進行應急供電保障。發生市電中斷時，不間斷電源系統（Uninterruptible Power Supply，UPS）或高壓直流切換至蓄電池放電模式，從而保持信息技術（Information Technology，IT）設備、空調末端等關鍵設備的連續供電[1]。同時，柴油發電機組迅速啟動，在蓄電池后備供電時間內完成并機輸出動作，為數據中心全部系統提供電力保障。

1 油機方案

1.1 工程概況

以江蘇省蘇州市某數據中心為研究對象進行分析，該數據中心已建成一座110 kV 專用變電站，該機樓共引入4 組8 回10 kV 市電電源，每組以2 回市電電源互為備用電源，每回均能負載該組全部用電負荷。數據中心高壓配電系統10 kV 電源主接線采用單母線分段，中間不設母聯開關，兩段母線由2 路10 kV 電源分別供電。2 段10 kV 母線以放射式向各臺變壓器供電；變壓器采用“1+1”配置，每臺變壓器負荷率均不超過50%，若其中一臺變壓器發生故障，則另外一臺變壓器帶起全部負荷[2,3]。同時，該機樓設置2 個油機區，獨立為數據中心樓保障用電負荷供電。整棟樓規劃了3 724 個機架，油機保障負荷約33 046 kW，共規劃了20 臺主用2 000 kW 油機，分為4 個并機系統，本期主要測試1#并機系統。1 號并機系統主要規劃保障用戶一期650 架IT 設備、空調主機、水泵、冷塔（1 主1 備）、空調末端等負荷，該系統保障負荷約8 023 kW，負荷率不超80%，若選擇“N+1”配置，則需配置5+1臺主用2 000 kW油機。

1.2 油機系統

某數據中心機樓將根據負載情況分期建設，終期將建設4 套并機系統各為4 段高壓系統進行供電。其中，1#并機系統建設6 臺10 kV 主用2 000 kW 高壓集裝箱機組（卡特）放置在一層東側油機室內，同時該系統配置了2 臺油機出線柜、1 臺假負載測試柜，5 臺油機進線柜。其并機控制系統目標如下：控制、監測并機系統內各臺油機的運行狀態；各臺油機間的相互通信、控制、反饋；相關斷路器、接觸器的分合閘；實現機房輔助設備如百葉窗、自動加油系統、進排風系統等設備的邏輯控制等；達到油機并機系統安全、可靠、穩定的工作。

1.2.1 1#發電機系統并機方案

供電系統平面圖如圖1 所示，作為1#中壓系統后備電源，1#油機系統本期主要規劃為保障用戶設備負荷。

圖1 供電系統平面圖

1#并機系統用電負荷如表1 所示。

表1 油機并機系統用電負荷表

油機配套的進（出）線柜等在二層高低壓配電室內建設，并機柜、配電屏等在一層配電室內建設，為達到總體控制并機系統的目的，在一層配置1 臺主控柜，發電機供電與市電不并網。

為確保響應速度，采用準同期的方式同步控制并機系統，同時該系統采用隨機并聯的方式。具體而言，系統中任意達到額定輸出功率的機組都可以先合閘到母線供電，剩余機組與該機組同步后再按順序合閘供電。

每臺發電機組配置一套控制器，用于控制發電機組，并配備負載分配和自動同步模塊，通過對機組電壓與轉速進行控制，從而達到各個機組之間的并聯及負載均衡的目的。同時，應用廣角模擬表監控發電機組的輸出參數，滿足操作人員對多臺機組各項參數直觀了解的需求。為節省空間、降低總成本及便于維護，利用新增的主控柜控制各機組的并機柜，并協調控制整體系統運行，通過設定的程序，實現系統的邏輯控制，包括投入和切除機組、優先級設定等[4]。

1.2.2 負載管理方案

全部機組自動并聯運行，系統自動地分配負載，按以下邏輯實現負載的管理。

1#油機系統負載管理按照“N+1”模式來控制，6 臺油機的容量均可作為后備使用。

全部機組并聯運行1 ～10 min 后，若系統整體負載小于在網運行機組60%（可調）額定容量且持續時間超過1 min，則系統自動切除第6 臺機組，此時全部負載由5 臺機組帶載，以此保證供電的可靠性；隨著負載的降低，會依次切除在網運行機組，直至保持最少2 臺機組在線運行[5]；若系統負載增加至機組的60%額定容量，系統將自動啟動第2臺機組，并自動同步后合閘向負載供電；若系統全部負載增加至在網運行系統額定容量的60%，則自動啟動第3 臺機組，以此類推啟動后續機組，最終6 臺機組全部啟動，其保障方式為“N+1”，保障容量為5 臺機組的總容量（10 000 kW 主用）。

1.2.3 市電油機切換方案

10 kV 并機系統輸出，與10 kV 外市電引入在機樓二層高壓配電室內完成切換。為了保證切換的安全性和可靠性，采用控制柜和2 個斷路器為核心，協同所有進出線斷路器搭建電源切換控制系統，實現電氣聯鎖和機械聯鎖，同時實現逐級投切[6]。

1.2.4 10 kV 發電機接地方案

動力中心樓的接地系統采用聯合接地方式，接地電阻小于1Ω。該大樓已經完工，接地體、接地總匯集線以及預留接地端子施工完成，并采用現有的接地系統。新增接地扁鋼與原有接地系統連接，機組設備等所需的保護接地線從新增的接地扁鋼引接，并做好其他可導電物體的等電位聯結。每臺機組分別設置1 臺接地電阻柜，采用中性點接地的方式，通過設置接地電阻柜實現保護。

1.2.5 高壓系統方案

1#油機并機系統建設6 臺高壓進線開關柜、4 臺高壓出線開關柜、1 臺電壓互感器柜以及1 套220 V 直流電源，新增高壓開關柜應滿足防止誤分、合斷路器，防止帶負荷分、合隔離開關，防止帶電掛（合）接地線（接地開關），防止帶接地線（接地開關）合斷路器，防止誤入帶電間隔要求。

1.2.6 供油系統方案

本期室外集裝箱油機的日用油箱設置在集裝箱內，結合最新消防規范，每臺集裝箱發電機組后部設置1 個日用油箱，日常儲油量在1 m3以內，日用油箱液位為自動控制。供油管路為2 路獨立管道加末端環路，任意一路管道出現故障均不影響供油。每個日用燃油室配備一臺防爆型回油泵，回油回至地下油罐。每臺日用油箱設置緊急卸油手動和電動卸油閥，遇到緊急情況時，關閉油箱間內進油總管上的電動閥，同時開啟電動卸油閥和回油泵，將日用油箱里的燃油泄至地下油罐。

1.3 油機參數配置

本工程柴油發電機組選用了某知名品牌主用功率為2 000 kW 的油機，發電機組燃油消耗率如表2所示，發電機組排氣溫度如表3 所示。表2 和表3 的部分性能為廠家在可變負載條件、不限運行時間下，提供的發電機組燃油消耗率和發電機組排氣溫度的主要出廠數據。

表3 發電機組排氣溫度表

1.4 油機并機系統控制邏輯

并機采用自動模式，主控柜檢測2 路遠程啟動信號，根據遠程啟動信號自動控制發電機組起機運行；檢測發電機組并機開關柜的合閘數量，合閘數量達到設定值時，控制對應的饋線柜合閘輸出，為用戶提供電源。并機系統啟動控制邏輯參如圖2 所示。

圖2 并機系統啟動控制邏輯

發電機組處于自動運行狀態，主控柜檢測遠程啟動信號，任意1 路遠程啟動信號恢復，滿足停機條件時，自動控制饋線柜分閘，控制發電機組冷卻停機，并機系統停機控制邏輯參如圖3 所示。自動模式下，系統的操作運行由邏輯控制器自動完成，無須人員操作，能夠及時供電，從而保障電力供應。系統同時接收到2 路市電停電信號，控制發電機組起機運行；當任意一路市電信號恢復，系統自動控制發電機組停機。

2 測試分析

本次工程記錄油機負載率分別為0、25%、50%、75%、100%以及110%時的實測數據，通過分析單臺油機負載率與小時耗油量關系、單臺油機負載率與排氣溫度關系、單臺油機負載率與發動機水溫關系，測試該方案落地實際結果。單臺油機負載率與小時耗油量關系如圖4 所示。實測油機小時耗油量與油機負載率成正比，在額定工況負載率100%的情況下，耗油量為489.4 L/h。單臺油機負載率與排氣溫度關系如圖5 所示。隨著負載率的增加，排氣溫度增加，但是溫度增速率減小，在進氣平均溫度為73.5 ℃的情況下，溫度增速率減小的原因是流量在增加。單臺油機負載率與發動機水溫關系如圖6 所示。隨著負載率的增加，發動機水溫增大。當油機負載率大于50%以上時，發動機水溫增速率減小，水溫趨于平衡。

圖4 單臺油機負載率與小時耗油量關系

圖5 單臺油機負載率與排氣溫度關系

圖6 單臺油機負載率與發動機水溫關系

3 結 論

以某數據中心為研究對象，并改進柴油發電機系統，該方案落地實施后，經第三方測試單位現場測試各項參數，表明本方案實際效果優于廠家的性能參數。實踐結果表明，該設計方案可為數據中心提供有效電力保障，希望能夠為實際的數據中心機組設計工作開展提供有價值的參考，助力數據中心實現長期、安全、穩定運行。