10kV发电机组在数据中心园区的应用

徐姝

（广东省电信规划设计院有限公司　广东　广州　510630）

10kV发电机组在数据中心园区的应用

徐姝

（广东省电信规划设计院有限公司广东广州510630）

结合某通信运营商云计算信息园项目，探讨在大型数据中心园区动力中心内10kV发电机组的应用。

10kV发电机组；动力中心；数据中心；并机；复用；绿色节能

前言

世界各地不断兴建着大大小小的数据中心，其中规模越来愈大的数据中心园区的数量也越来越多，随着我们越来越依靠信息的处理和存储，使得数据中心在我们的生活中的地位显得日渐重要。数据中心电力供应把握着数据中心业务运营的命脉，它也从某种程度上决定了数据中心的安全运营及可用性。为数据中心提供应急后备电源保障的发电机组在数据中心的建设中就显得尤为重要，尤其在大型的数据中心园区，可以通过建设动力中心，将发电机组集中放置，采用10kV高压发电机组供电，使供电系统更加灵活且在后期的维护管理上也更加方便及人性化。

1　发电机系统设计原则

（1）发电机组容量配置应按IT设备的运行功率、蓄电池组的充电功率、保证空调功率及其他必须保证设备的功率确定。

（2）优选高效、抗谐波能力强并具有快速自启动、自动切换、自动停机和遥测、遥信功能的发电机组。

（3）对于规模较大的单体或园区型数据中心，不同变配电系统间可复用发电机组，并符合下列规定：

①复用发电机组的变配电系统，其主用市电电源应引自不同变电站，或同一变电站内不同的主变压器。

②如果复用发电机组的变配电系统的市电电源均故障，则发电机应优先保障较高等级机房负荷的变配电系统。

③宜采用10kV高压发电机组。

（4）对于谐波含量较大的设备（如不间断电源、变频器、照明等），核定其需要发电机组保证的功率时应根据其输入电流谐波含量的大小确定，当输入电流谐波含量＜5%时，其需要的发电机组保证功率宜按该类设备容量的1.2倍计算。

（5）市电与发电机组的切换宜采用自动切换，切换装置须具备电气和机械联锁。

（6）当供电负荷有调整分配需要时，宜采用并列运行的方式；并列运行的发电机组，当自动同步控制出现故障时，应能手动控制同步。

2　动力中心应急电源复用原则

为响应集约化、低成本、高效率思路，园区规划中的A7～A10共计4栋数据中心机楼机房面积相同，单个机楼用电容量需求30000kVA，其中有功功率约为27000kW；4个机楼总功耗预计108000kW，动力中心终期规划安装28台备用2500kVA/2000kW高压柴油发电机组，能提供70000kVA/56000kW应急保障供电容量，能保障A7～A10机楼群约50%的B级应急供电能力（C级机房在有两路独立市电情况下不需要配置油机），根据目前数据中心用户使用特性和结合数据中心发展状况，动力中心供电拟对各机楼负荷采用分级保障制度和A7～A9与A8～A10供电复用等供电模式，大幅提高发电机组有效利用率，满足和适应不同等级数据中心的供电要求。

3　10kV发电机组的优势

（1）采用10kV高压机组并机运行，有利于发电机组统计复用，大量减少园区配置发电机数量，节省投资。

（2）数据中心采用10kV空调制冷主机，动力中心采用10kV发电机组供电节省了变压器投资，且减少线路损耗。

（3）有利于机组并机运行及负荷分配，以及远距离供电。

（4）采用10kV发电机组，在输送同样功率的情况下，所用导体规格是传统380V发电机组的1/25，节省大量线缆投资，降低工程运行损耗，总成本最小。

（5）节省了大量低压双电源转换开关的投资。

4　需发电机保障的一级负荷

（1）消防负荷：消防中心用电、消防水泵、消防电梯、防排烟风机、消防应急照明等；

（2）机房数据设备用电负荷（一级负荷中特别重要负荷）；

（3）机房专用空调负荷。

5　负荷统计

根据A9数据中心机楼提供的总负荷，本工程的负荷主要为通信设备与空调设备负荷，主用设备安装容量为：26820kW。需要A12动力中心为A9数据中心提供6路，每路10000kVA发电机保障容量。动力中心自身设备安装容量为781kW，其中约450kW容量需要发电机保障。需建设2台400kVA变压器，需要A12动力中心提供2路，每路400kVA市电保障容量。详见发电机负荷计算表1。

经过负荷计算，一期需配置14台备用功率2000kW/2500kVA总安装容量为的28000kW/35000kVA的10kV柴油发电机组为A9数据中心供电，设计负荷率约为85.4%。

6　市电发电机切换系统设计

为增加供电方案的灵活性，市电和发电机电源的切换方式采用在A12动力中心内集中切换。本工程供电等级为一级，对供电可靠性要求很高，根据A9楼的提资需求，需要设置6个10kV高压输出配电柜，每个容量为1万kVA。

从园区110kV变电站引入6路10kV专线电源供电，作为正常工作电源。每路10kV市电电源和10kV发电机备用电源在动力中心切换后为A9数据中心及A12动力中心提供10kV电源供电。

6路电源组成3套市电发电机切换系统，每套切换系统正常情况下两路市电同时工作，互为备用。市电发电机切换系统采用分段单母线运行方式，不设置母联，在各个数据中心高压系统设置母联。当每套高压系统两路10kV市电电源均失电后，柴油发电机自启动，发电机并机成功后，向变电所两段10kV母线供电。10kV母线的市电电源和发电机电源间设电气连锁，不允许市电与发电机并联运行。

为实现低成本数据中心的理念，A12动力中心的14台发电机是同时保障A7和A9机楼的B级IT设备的。因此为满足发电机后期复用及分级供电的可能，实现系统配电的灵活性，本期要预留A7机楼复用高压输出配电柜的安装位置，并预留好和后期配电柜的接口（如图1）。

7　发电机供电系统设计

7.1并机方案

14台发电机组采用一组9台并机和一组5台并机的方案，9台并机系统能提供20000kVA发电机后备保障容量，提供4路10000kVA电源至A9机楼，5台并机系统能提供10000kVA发电机后备保障容量，提供2路10000kVA电源至A9机楼，总计可满足A9机楼6路10000kVA发电机后备电源的需求。

图1　发电机供电接线示意图

7.2并机总技术要求

动力中心发电机主要为机房IT负荷、空调制冷系统、消防供电系统以及应急照明提供应急电源保障容量。发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：

（1）发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；

（2）发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；

（3）在最大的电动机起动时，发电机的瞬时电压降不大于15～20%。

数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。对于高阻抗的发电机，谐波对发电机影响更大。由于发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。

表1　

7.3并机控制技术要求

为保证响应速度，并机系统同步控制采用准同期方式，即系统中任一台首先达到额定输出的机组，都可以先合闸到母线供电，其他机组与该机组同步后再依次合闸供电。每台发电机组控制柜控制一台发电机组，配备自动同步与负载分配模块，通过控制机组得转速与电压，来实现机组互相之间的并联及负载均衡。发电机平时处在自动模式，通过外部送来的信号由并联控制系统来监视市电状况。市电失电/故障时，并联系统收到信号，通过设定的时间延迟后，给全部机组送出启动信号，并机机组启动。率先达到90%额定频率和额定电压的机组，GCP发出信号，自动闭合断路器，机组合闸到应急母线。其他发电机与母线同步后，自动合闸到母线。

7.4负载管理技术要求

全部机组自动并联运行，系统自动分配负载。系统带载运行中，任一台机组故障，则系统自动报警，同时启动一台冗余机组投入使用。市电恢复，则全部在线机组通过主控柜断开机组进线断路器，发电机组自动冷却延时后停机。

8　结束语

在大型云计算园区中，建设动力中心并且使用10kV发电机组已经是大势所趋，相对于传统的380V发电机组，10kV机组有着设计配电灵活、带载能力强、节省导体用量等优势，通过多台10kV机组并机方案，实现发电机的复用设计，实现低成本、高效率思路。且由10kV发电机组组成的高压配电系统设计简洁，经济合理，可靠性高、可扩展性强、维护管理方便。综上所述10kV发电机组在未来的数据中心设计中将会得到更多的应用。

TM31

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1673-0038（2015）12-0171-03

2015-2-10

徐姝（1982-），女，中级工程师，毕业于华中科技大学，自动化专业，主要从事建筑电气设计工作。