数据中心供配电设备设计选型

贾桥龙，高石岩，崔国利，柴 龙，郭 松

（昆仑数智科技有限公司，北京 102200）

1 备用电源

1.1 选用因素

选用的因素包括要求的功率、持续运行功率、应急备用功率、额定功率、限时运行功率、基本运行功率、额定电压、接地方式、启动时间、房间通风、使用条件、稳态频率和电压特性、瞬态频率和电压特性、性能等级、船用或陆用、恒定负荷负载、变负荷负载、单机运行或幷机运行、启动和控制方式、发动机的转速、发动机燃油条件、发动机冷却方式、发动机不加油情况下的工作时间、保护系统、燃油消耗、启动系统及能力、发电机机械防护、发电机电气防护、发电机冷却方式、噪声限值、废气排放限值、振动、机组日常维护、定期机械/电气维修、预热装置、预润滑装置以及启动蓄电池等。

1.2 性能数据

双路市电失电后，由备用发电机组提供数据中心负载所需全部电源供给。国家相关标准规定A级数据中须就近配备发电机组12 h连续运行所需的柴油油量。发电机的种类通常有燃气发电机和柴油发电机两种，其中柴油发电机性能优异，在国内外数据中心得到广泛应用[1]。

选择柴油发电机组容量时，采用（N+X）（X=1～N）冗余原则，但应当注意柴油发电机实际运行功率与额定功率的区别。柴油发电机正常连续运行时，平均输出功率应不高于70%的基本运行功率，除非发电机制造商另有规定[2]。柴油发电机三相对称负载中任何一相增加额定相功率25%的阻性负载后，如果该相电流不高于其额定电流值，那么柴油发电机要能够正常运行。机组运行性能等级要达到G3及以上水平，首次加载50%（备用功率容量）负载时，柴油发电机频率降低于±7%，恢复时间小于3 s。瞬态电压偏差低于-15%，恢复时间小于4 s。柴油发电机启动后第一次加载的最大功率要能够达到柴油发电机备用功率的70%。

柴油发电机组启动用电的蓄电池可以选择12 V或24 V电压等级，蓄电池能够供给柴油发电机至少连续启动6次所需的电能。柴油发电机日常应保持在自动启动状态，当双路市电失效时，低压柴油发电机的启动时间应不大于30 s，高压柴油发电机的启动时间不大于60 s。要保证在3个启动流程内启动成功，每两次启动流程的时间间隔控制在20 s内，高压柴油发电机发电机组成功启动后180 s内能够达到额定输出功率。在额定工况下，采用可控励磁发电机的柴油发电机从冷态到热态的电压变化控制在额定电压±2%以内，采用不可控励磁发电机的柴油发电机控制在额定电压的±5%以内[3]。三相输出电压的不平衡度要求将三相线电压平均值±5%的范围作为柴油发电机输出线电压的最大值、最小值以及三相电压的平均值之差的控制范围。柴油发电机组输出电源和正常市电电源不能并网运行，要在两者之间设置可靠的防止并列运行的保护措施。柴油发电机电源与市电电源的切换，应先断开市电电源，再投入柴油发电机电源。此外，柴油发电机组的控制系统要具备自动启停机组、负荷变化时自动加减机以及故障机组自动退出运行等功能。

1.3 高低压柴油发电机选用

选择高压还是低压机组，需结合高低压变配电系统综合考虑。在单机主用功率1 200 kW以上、机组总容量很大需要多台并机和多个负荷中心、供电距离较长以及有高压负载，如高压冷水机组的条件下，建议选用高压机组。高压机组的优势为系统简单、故障点少、整套设备少、便于集中管理、集中供应多点供电需求、效率更高（可以多台并联，根据需求启动机组台数）以及相对占地面积小（相对设备少，额外元器件少）等。

2 高压开关设备

2.1 选用因素

选用的因素包括环境温度、海拔、空气质量、湿度、户内或户外型、固定或移开式、金属铠装、额定电压、额定绝缘水平、额定频率、额定持续电流、额定短时耐受电流、额定峰值耐受电流、额定短路持续时间、辅助和控制回路额定电压、辅助和控制回路供电电压额定频率、辅助设备和电气回路的控制检测、操纵机构形式、联锁装置、联锁要求、电机防护、辅助和控制回路与主回路隔离的防护、运行期间的安全距离、电气间隙、爬电距离、辅助开关、加热元件、计数器、位置指示、储能机构、不同部件之间的操作顺序、保护装置以及保护功能等。

2.2 选用数据

高压开关柜的选择主要根据开关柜的开断电流和最大负荷电流来确定，两者必须同时满足。例如，经过计算最大短路电流为23 kA，根据高压开关柜的开断电流等级选择25 kA或30 kA，即选用的高压开关柜的开断电流等级要高于计算的最大短路电流。再如，经过计算最大负荷电流为578 A，则选额定电流为630 A或1 250 A的开关柜，即选用的高压开关柜额定电流要高于计算的最大负荷电流，并留有一定的余量。开关柜结构形式户内宜选用KYN28形式，即户内金属铠装移开式开关柜。

3 干式变压器

3.1 选用因素

选用的因素包括油浸式或干式、海拔、环境温度、湿度、电源电压波形、多相电源电压是否对称、承受短路能力、额定容量、额定电压、额定电流、额定频率、联结组标号、变比、调压方式、空载损耗、负载损耗、空载电流、短路阻抗、冷却方式、绝缘水平、防护等级、环境等级、气候等级、燃烧性能等级、温升、非电量保护、雷电冲击耐受电压峰值、材质、IP等级以及效率等。

3.2 选用数据

干式变压器容量等级主要分为200 kVA、250 kVA、315 kVA、400 kVA、500 kVA、630 kVA、800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA、1 600 kVA、2 000 kVA以及2 500 kVA。干式变压器容量上限有设计限值，10 kV干式变压器当最大容量通常为2 500 kVA。干式变压器二次侧输出电压为0.4 kV时，干式变压器额定容量宜控制在2 000 kVA以内。如果供电系统内只有一台干式变压器，那么变压器容量宜控制在1 250 kVA以内。选择变压器容量时，要考虑变压器长期工作下的负载率不超过变压器额定带载能力的85%，数据中心电气系统采用2N架构，两台变压器互为备用时，正常运行情况下（两路市电均有效），单台变压器的负载率应控制在额定带载能力的50%以下。考虑变压器长期工作下的负载率不超过变压器额定带载能力的85%，单台变压器的负载率应控制在额定带载能力的42.5%以下。

4 低压成套开关设备

4.1 选用因素

选用的因素包括GGD型、GCS型、GCK型、MNS型、MCS型、户内或户外选择、环境温度、湿度、海拔、污染等级、储存运输条件、绝缘材料耐热和耐着火性能、机械强度、尺寸、箱柜结构、外壳的防护等级、电气间隙和爬电距离、电击防护、电气隔离、工频耐受电压、保护导体截面积、介电性能、温升极限、开关控制方式、系统接地类型、脱扣器类型及配备的保护、额定工作电压、额定绝缘电压、额定冲击耐受电压、额定电流、额定短时耐受电流、额定极限短路分断能力、额定运行短路分断能力以及额定频率等。

4.2 结构形式选择

低压成套开关设备结构形式有GGD、GCK、GCS、MNS以及MCS。其中，GGD型低压成套设备结构是固定柜，GCK、GCS以及MNS型低压成套设备结构是抽屉柜。GCK低压成套设备、GCS低压成套设备以及MNS低压成套设备间抽屉的推进机构不同。GCS型低压成套设备只能是单面操作柜，不能双面操作，柜体深度为800 mm；MNS型低压成套设备可以是双面操作柜，柜体深度为1 000 mm。GCK最小抽屉单元1模数，GCS最小抽屉单元1/2模数，MNS最小抽屉单元1/4模数[4]。MNS和GCS型低压成套设备的水平母线都是后出线，而GCK型低压成套设备水平母线是设在柜顶上。

4.3 选用数据

短路电流计算的公式为：

式中：Ik为需要计算的单相短路电流或三相短路电流，单位是kA；Zk为短路点总阻抗，包含括变压器、母线、系统以及电缆等的阻抗，单位是mΩ；U为电压，单位是V，计算单相短路电流时取220 V，计算三相短路电流时取230 V。

短路电流估算公式为：

式中，Isc为干式变压器二次侧预期的三相短路电流，Ie为变压器二次侧额定电流，Uk为变压器阻抗电压。

5 不间断电源

5.1 HVDC

高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC）设备采用高频软开关技术的240 V高压直流减少了UPS逆变环节，比采用晶闸管或IGBT整流器的UPS体积更小，节能性好，UPS效率更高。备用电池直接挂在输出母线上，市电失电时，电池直接对IT设备供电，真正实现不间断供电。HVDC模块化设计，可在线扩容，分期投资。HVDC直流电能的并联只涉及模块均流，不需要调压，操作简便可靠。此外，HVDC高压直流整流模块具备热插拔维护功能，维护方便，减少依赖厂家维保服务。

HVDC直流不间断电源在IDC市场得到了广泛应用，尤其是阿里和腾讯等大型互联网企业及电信和移动等网络运营商，但是在金融业和国有企业等领域应用较少。

HVDC直流不间断电源劣势如下，供电系统对绝缘性能要求高，要选用适用直流电的空气开关，灭弧性能相对交流空气开关而言要求较高。当IT设备采用双路HCDV电源供电时，如果双路HCDV电源设备故障，因为HCDV电源设备没有交流旁路，所以此时IT设备只能由备用电池供电。目前市场上绝大数服务器可以采用直流电源供电，但存在设备使用寿命及设备厂商维保方面的困扰，少数IT设备不支持直流电源供电。

5.2 工频UPS

数据中心发展初期一般采用工频UPS，随着技术的发展出现了高频UPS，两者是按UPS整流电路工作频率进行区分。工频UPS整流结构上采用传统的模拟电路，模拟电路由晶闸管组成。晶闸管整流器的工作频率为工频50 Hz，所以叫工频UPS。高频UPS整流结构上采用IGBT高频整流器。IGBT整流器的工作原理是控制IGBT器件的开通与关断，高频UPS整流器的开关频率一般在几千到几万赫兹，可以高达几十万赫兹，频率远远高于工频UPS，所以叫高频UPS[5]。

工频UPS存在体积大、重量大以及对空间要求较高的缺点，且自身消耗的功率高，输入功率因数低，电能利用效率低，工作时噪音大，对环境不友好，价格偏高，备件储存和维修成本大。因此数据中心已经逐渐淘汰工频UPS。

5.3 高频UPS

高频UPS用IGBT高频整流器替代了工频UPS晶闸管整流器，IGBT整流器开关频率通常在几千赫兹以上，远远超过工频机。高频UPS相对工频具有效率高、功耗小、体积小、重量轻、对电网适应能力强以及并机环流衰减等优势[6]。而且输入功率因数高，高频UPS运行时噪音比工频UPS少，对环境不利影响小。此外，高频UPS可靠性高，采用全数字化控制技术，市场占逐渐增大。

5.4 模块化UPS

模块化UPS适应了数据中心高效运维的要求，是数据中心供配电基础设施的发展趋势之一，具有集成化、标准化、模块化、热插拔以及高可用性的特点。集成化特点是模块化UPS电源设备包括模块化UPS本体、电池管理系统以及输入输出配电组件等。标准化特点是模块化UPS整机功率由相同制式的功率模块功率组成，想要改变UPS的输出功率，只需增加或减少功率模块的数量即可。模块化特点是尽可能将UPS的功率单元、输入输出单元、旁路单元以及通信单元等做成模块。热插拔特点是功率模块和通信模块等模块可以实现不停电在线热插拔。高可用性特点是控制系统和测量系统等各系统冗余设计，可靠性高，系统效率在97%以上，低负载率下依然保持高效率。

5.5 模块化UPS选用因素

选用的因素包括工作模式、外观尺寸、额定功率、交流输入电压允许范围、输入频率允许范围、输出额定功率因数、额定输出电压、输出频率、频率跟踪范围、输出波形、输出电压波形失真、三相不平衡度、动态电压瞬变范围、瞬变响应恢复时间、稳态输出电压稳定度、开机浪涌电流、过载能力、幷机电流不均衡度、电压稳定率、零地电压升、旁路供电切换时间、市电与电池供电切换时间、整机效率、功率模块效率、功率模块电流不均衡度、热插拔性能、故障模块自动退出功能、模块休眠功能、噪声、防护等级、平均故障间隔时间、工作环境要求、热元件的温升、电池监控功能以及保护功能等。

5.6 模块化UPS选用数据

输入频率范围应不窄于（50±2）Hz，频率跟踪范围应满足（50±2）Hz。模块化UPS在额定非线性负载下的输入功率因数控制在0.99以上，在50%额定非线性负载下的输入功率因数控制在0.95以上。在电池逆变状态下，输出频率应不宽于（50±0.5）Hz。模块化UPS输出三相电压不平衡度控制在3%以内，电压动态瞬变范围应控制在5%以内，电压瞬变后恢复的时间应控制内60 ms以内。模块化UPS由市电供电到备用电池供电的转换时间应不间断切换，即为0 ms，从逆变工作模式切换到旁路供电工作模式的时间控制在4 ms以内，模块化UPS输出电流不均衡度应控制5%以内[7]。

模块化UPS控制系统能够依据实际负载的增大或减小自动调整功率模块的休眠数量，当实际负载减小到功率模块休眠设定值后，自动控制部分功率模块处于休眠状态，使其他功率模块工作在较高效率区间。当负载增大到唤醒设定值后，系统自动唤醒部分休眠功率模块以达到实际负载的要求，故障功率模块可自动退出运行。功率模块与整机宜设置分级冗余控制系统，正常情况下由功率模块的控制系统进行功率模块运行控制，当功率模块控制系统失效后，由UPS整机控制系统进行功率模块运行控制。UPS的容量选择时，不间断电源系统的基本容量至少达到1.2倍的电子信息设备的计算负荷。2N配置的UPS在正常情况下两组（台）UPS均运行，每组（台）UPS的负载率必须控制在50%以下，必要时降低到45%以下。

5.7 零地电压的误区

如果新建数据中心投运前的零地电压很高，说明接地电阻高，接地不牢靠，则需要对接地系统进行检查和整改。数据中心投运后，零地电压偏高的原因有三相负载不平衡、零线规格不够以及非线性负载谐波影响等。降低零地电压的措施有选择合适的零线、重复接地以及加装隔离变压器等，而且实际上零地电压不高于10 V，可认为不会对设备运行造成不良影响。

6 备用电池

6.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池在各类据中心得到非常广泛的应用，但存在明显的缺陷，如体积大、对布置环境要求高、电池含有重金属、长期放置时有有害气体散发、对环境及其它设备存在污染、使用寿命较短（一般为6年左右）以及运维成本高等，且需要对电池定期充放电。

6.2 锂电池

锂电池具有明显优势，其体积能量密度大于等于两倍铅酸蓄电池，重量能量密度大于等于3倍铅酸蓄电池，循环寿命更长，而且锂离子电池化学组成中不含重金属，使用过程中不会产生易燃易爆气体和酸性气体，属于环保型。此外，锂电池还具有更高的额定电压、对环境温度要求低、体积小、重量轻、充放电次数多、充放电速度快、新旧电池可以混合使用以及不需要定期充放电试验等优势，但是价格较贵，不过随着锂电池应用的扩展，其价格会下降，因此锂进铅退是大势所趋[8]。

6.3 锂电池选用因素

选用的因素包括额定容量、标称电压、工作电压范围、柜式电池组、外观尺寸、额定充电功率、额定放电功率、额定充电能量、额定放电能量、工作环境要求、正极材料、充电电流、放电倍率、充电限制电压、终止电压、循环寿命、设计使用寿命、额定条件下工作温度、内阻、质量能量密度、体积能量密度、充放电能量、充放电能量效率、室温/高温能量保持与能量恢复能力、电池储存性能、容量偏差、柜式电池组配备监控保护消防等功能、同批次电池组并联、不均流度、同型号新旧电池间的混用及其不均流度控制以及可最大并柜数等。

6.4 锂电池选用数据

单体电池容量等级通常有8 Ah、10 Ah、20 Ah、30 Ah、40 Ah、50 Ah、60 Ah、80 Ah、100 Ah、150 Ah以及200 Ah，输出标称电压值通常有12 V和48 V。锂电池正常运行的环境温度可高于铅酸电池，电池组内各单体电池的生产厂家相同、化学成分及电池结构应相同。同时满足电池组各单体电池间最大静态开路电压偏差控制在0.05 V以内、电池组各单体电池间最大静态内阻偏差在10 mΩ以下、偏差绝对值控制在1 mΩ以内、最大静态内阻偏差在10 mΩ以上（平均值的5%以内）以及电池组各单体电池间最大容量偏差控制在平均值的±1%以内[9]。此外，容量保存率不低于额定值的95%，锂电池电池组的循环寿命应在1 000次以上，电流管理系统应具备完善的监控和保护功能。A级数据中心备用电池的后备时间应不少于15 min，2N架构下，两组不间断电源互为备用时，一组不间断失效的情况下，另一组不间断电源配置的后备电池要满足两组不间断电源所带全部负荷不少于15 min的供电时间。

7 机房配电

7.1 精密配电柜

各数据中心大量采用精密配电柜，精密配电柜的优势是建设期成本低，劣势是需要定期维护，且模块机房内部柜体及线缆部署时占用机柜空间，运维期设备部署、扩容、施工改造以及材料等支出费用大，运维管理成本高。

7.2 母线槽

母线槽的优势是减少地面使用空间，提高机房使用率，按需快速配置或更换插接箱。插接箱可多次重复使用，运维成本低，线路免维护，在母线槽整体容量允许的情况下实现任意扩展。母线槽相对精密配电柜具有减少地面使用空间、易扩容、可靠性高、运维成本低以及线路免维护等优势，但是投资成本高，约为精密配电柜的1.5倍左右[10]。考虑到后期运维成本，两者的综合成本相当。

7.3 母线槽选用因素

选用的因素包括外观尺寸、安装方式、产品类型、母线的连接形式、额定工作电压、额定电流、额定峰值耐受电流、额定限制短路电流、额定短时耐受电流、额定分散系数、额定频率、最高工作温度系统接地类型、电击防护措施、户内使用环境要求，绝缘材料热稳定性、绝缘材料耐热性能、机械强度、外壳防护等级、电气间隙、爬电距离、采用的保护类别、采用的保护电器及其位置、保护导体截面积、介电性能、温升极限、相导体平均特性以及用电参数监控功能等。

7.4 母线槽选用数据

选择母线槽时要查验3C强制认证标志和形式试验报告等质量证明文件。母线槽的N线截面积至少要达到相线的截面积，PE线截面积至少达到相线截面积的50%。选择可以在110%额定电流下长期稳定运行的母线槽，母线槽使用的绝缘材料的长期耐受温度至少为130 ℃，具备耐火防水性能。每节母线槽的绝缘电阻不低于20MΩ，外露螺栓和金属外壳等可导电部位的接地电阻应小于等于0.1Ω[11]。另外，2N配置的母线槽应根据所供给的IT设备功率选择额定电流，正常情况下，每路母线槽的负载率应控制在50%以下，考虑到后期扩容需求，则要充分降低负载率。

8 结 论

本文围绕技术路线、设计选用因素以及性能参数介绍了数据中心供配电设备设计选型、设计选用因素及性能参数。设备选型十分重要，直接关系到数据中心整体可用性及安全经济运行。未来数据中心的发展趋势是边缘云计算、绿色化、智能化、高密化、模块化、集约化以及锂进铅退等，数据中心供配电设备设计选型也需考虑这些发展趋势。