20kV数据中心供配电系统及发电机应急电源设计

侯桂兵

广东省电信规划设计院有限公司 广东 广州 510630

随着智慧城市、智慧园区、无人驾驶等AI技术的飞速发展，数据中心云计算服务器成为其成败的关键。数据中心作为AI技术关键的基础设施，其安全运行成为AI技术安全的关键。数据中心供配电系统作为数据中心的动力来源，如何安全运行是数据中心安全运行的关键。随着电网供电系统的结构优化，20kV电压的等级的配电网越来越多，20kV电压下如何选择数据中心的供配电系统及发电机应急电源供电方式的选择成为数据中心供配电设计的关键。

一、20kV数据中心供配电系统接线的类型

20kV电压配电系统与10kV电压配电系统相比，应急电源的电压等级没有20kV，根据《数据中心设计规范》GB50174-2017的要求，A、B类数据中心应设置应急柴油发电机。20kV电压等级供电系统相对于10kV供电系统，没有对应20kV电压等级的应急柴油发电机，因此应急柴油发电机类型的选择决定整个供配电系统的设计，现在与应急柴油发电机匹配的供配电架构主要有以下几种：

1.1 0.4kV低压发电机市电直降0.4kV方案

图1 0.4kV低压发电机市电直降方案

0.4kV低压发电机市电直降方案，此方案在低压联络，灵活性差，适合规模小，供电距离短的小型数据中心。

1.2 10kV发电机并机，20kV市电中间降压到10kV接线方式

图2 10kV发电机并机市电直降方案

10kV发电机并机市电中间降压方案，20kV市电通过降压变压器降压到10kV，发电机采用10kV发电机集系统，本方案可靠性高，两台降压变压器长期运行，后期运行费用高。

1.3 10kV发电机并机后升压到20kV，市电直降0.4kV接线方式

图3 10kV发电机并机升压市电直降方案

10kV发电机并机升压压方案，发电机应急电源并机后通过升压变压器升压到20kV，市电从20kV直降到0.4kV，本方案升压变压器平时处于冷备状态运行费用低，但是存在单点故障当升压变压器出现故障的时候，整个系统没有应急电源。

1.4 0.4kV发电机中间升压20kV后并机，市电直降0.4kV接线方式

本方案，每台低压发电机经升压变压器升压到20kV后并机与市电联络后经变压器直降到0.4kV供电。本方案，市电无需经过中间变压器，每台发电机经变压器升压后并机，解决了方案3，当升压变压器出现故障整个应急电源失效的情况，同时也解决了大容量变压器励磁涌流的问题，可靠性增强，适用于发电机布置在室内，供电路由短的数据中心。

1.5 10kV发电机升压后并机，市电直降接线方式

本方案与图4类似，只是把低压发电机换成了10kV发电机，10kV发电机相较于0.4kV发电机供电方式更灵活，供电距离更长，适用于室外布置发电机的供电方案。

图4 0.4kV发电机升压并机市电直降方案

二、工程案例分析

2.1 工程概况

以深圳某数据中心为例，本工程总建筑面积为19762.04m2，地上四层，地下一层，建筑高度为23.4m，防火设计建筑类别为丙类多层厂房。本工程首层布置机柜数为350机柜，二至四层为标准层数据机房层，每层机柜数910个，共计3080个5kW机柜，总的IT负荷用电为15400kW，设计要求PUE为1.25以下，应急柴油发电机采用室外集装箱布置，按A类机房设计。

2.2 方案比选

1、本工程属于大型数据中心且PUE要求1.25以下，图1和图2方案不可取；

2、本工程要求采用室外集装箱发电机组，图4方案需要大量大容量低压母线，费用高，布线灵活性差，不可取；

3、本工程机房等级为A类机房，图3方案存在单点故障的风险，也不可取；

综上分析及业主的意见，本工程采用图5的供电方案。

图5 10kV发电机升压并机市电直降方案

2.3 电气设计方案

根据工程的方案比选，本工程供电主接线图如图6所示，本工程20kV市电采用单母线分段方式，两路市电和母联直接设置电气连锁，发电机并机后通过应急母线分别给两路市电供电，市电与油机进线设置电气机械连锁，杜绝并列运行，低压设置8组低压配电系统，每组低压有两台2500kVA变压器及其配套低压配电柜组成，每套系统互为热备，每台变压器的负载率在47%左。具体的电力配置情况如下：

图6 供电系统主接线图

1、市电：20kV市电建设1套高压配电系统每套高压系统引入2路约20000kVA市电，总的市电容量为20000kVA主用和20000kVA备用，高压系统采用单母线分段接线方式。

2、变压器及低压系统：建设16台2500kVA的 20/0.4kV干式变压器及其对应的低压配电系统。其中首层布置4台2500kVA干式变压器，二～四层标准层每层布置4台2500kVA干式变压器，每台变压器负载率不超50%，两台变压器一组互为备用。

3、UPS电源系统：首层配置一套2400kVA（4台600kVA UPS并机）N配置动力用UPS和一套2000kVA（4台500kVA UPS并机）2N配置IT用UPS系统；2～4层标准层每层配置2套2500kVA（5台500kVA UPS并机）2N配置IT用UPS系统，配套电池按后备15min配置。

4、发电机系统：在室外设置12台10kV PRP功率2000kW的室外集装箱发电机组，发电机采用一套并机系统采用11主用1台备用。

结束语：本文着重探讨20kV电压等级数据中心的各种供电架构，并结合工程实例阐述了20kV数据中心供电系统及应急柴油发电机系统供电方案的选择及设计。