铁路数据中心供配电系统设计

赵丽娜

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

近年来，随着电子信息科技的不断发展，金融业、互联网、政府、企事业单位等对信息的集中管理和存储的要求越来越高，建设省级、区域级甚至国家级的大型数据中心成为势在必行的基建项目。

而数据中心的供配电系统属于其配套工程的重中之重。安全、稳定、可靠地为数据信息系统提供不间断电源是整个数据中心所有设备正常运行的基础条件。建立一个完善的供配电系统，可以有效避免其供电中断造成数据中心运转出现故障或造成巨大的经济损失。

1 工程概况

铁路作为国家大型服务行业，其运营和发展对数据存储与交换的要求越来越高。建设大型数据中心是铁路大数据发展战略的迫切需要。数据中心供配电系统与传统铁路电力设计有很大不同。建立典型的数据中心供配电系统对铁路行业意义重大。

本文根据多年设计经验，提出一种铁路行业数据中心供配电系统的典型设计方案。通过设置10kV配电所、10／0．4kV变电所、UPS供电系统及柴油发电机组，为数据中心提供可靠稳定的电源。

2 数据中心的分级及性能要求

数据中心分级是整个数据中心设计的首要条件。不同的分级对应着数据中心不同的专业设计原则和设计方案。《数据中心设计规范》（GB50174－2017）中将数据中心划分为A、B、C三级。电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失或公共场所秩序严重混乱的数据中心属于A级；电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失或公共场所秩序混乱的数据中心属于B级；不属于A级或B级的数据中心为C级。

铁路数据中心一般用于铁路行业相关核心数据的存储、铁路网站数据的存储及交换，承载各地方铁路局集中应用系统的部署及数据资源的存储等，对供电的可靠性要求极高。本文所研究的数据中心为A级，其电气技术要求详见表1。

表1 A级数据中心的电气技术要求

3 数据中心供配电系统设计

铁路数据中心中电子信息设备多，单位用电功率密度大，用电负荷类型多，负荷性质多样化，主要用电负荷较为集中，供电可靠性要求高。经统计，本案例用电负荷约为15500kW。根据其特点，通过对数据中心中不同的用电负荷进行用电等级划分，对不同用电等级的负荷，提供不同的供电方案。

3．1 供电负荷类型、负荷等级划分及供电原则

本数据中心用电负荷主要包括信息通信机房设备、消防设备、变电所自用电、机房空调、冷却塔、给排水设备、风机、电梯、动力负荷、应急照明及一般照明等。

上述用电负荷中，信息、通信机房设备为特别重要的一级负荷，同时为这些设备机房提供稳定运行环境的空调和冷风机组设备，会影响到信息通信设备的正常运行，应划分为特别重要的一级负荷；消防设备、应急疏散照明等消防负荷按照一级负荷提供电源。给排水设备、风机、电梯、一般照明等为二级负荷；其他为三级负荷。

一级负荷由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏。采用从变电所两段低压母线上各接引一路电源供电，设备末端自动切换。一级负荷中的特别重要负荷除应由双重电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。二级负荷一般采用从设有母联的变电所任一段低压母线上接引一路电源供电。三级负荷采用从变电所三级负荷母线段上接引一路电源供电，当变电所只有一路电源时，切除三级负荷。

3．2 供配电系统布置

数据中心的组成宜由主机房、辅助区、支持区、行政管理区等功能区组成。变配电所、柴油发电机房作为支持区，应尽量靠近负荷中心（主机房），以提供动力支持和安全保障。铁路数据中心供配电系统布置示意图如图1所示。

图1 铁路数据中心供配电系统布置示意图

3．3 供配电系统设计方案

如图1所示，铁路数据中心的用电负荷集中分布在二层和三层。一层为变配电所，二层为IT设备及UPS设备房间，三层为预留，每层面积约为10000m2。本方案共设置了3层供电系统，分别为10kV配电所、10／0．4kV变电所、UPS供电系统，并在10kV 配电所内设置了备用电源——柴油发电机组的接入条件。

3．3．1 10kV 配电所的设计

在主建筑一层设置3座10kV配电所。每座配电所由地方变电站不同馈出母线段上引来2路10kV电源，构成双重电源条件，共计引入6路10kV电源。每座配电所的安装容量在5500kVA至7000kVA之间。

10kV主接线采用单母线断路器分段，不设母联。正常运行时，两路电源分别运行。当一路电源失电时，为本所提供备用电源的柴油发电机启动，保持热备，但不投入；当两路电源失电时，电源进线开关打开，柴油发电机组并机开关闭合，柴油发电机投入。当一路电源恢复后，柴油发电机退出投入，保持热备；当两路电源都恢复供电时，柴油发电机停机。每座配电所的市电进线断路器与柴油发电机组进线断路器设置电气联锁，不能同时闭合。

3．3．2 10／0．4kV 变电所的设计

根据用电负荷的等级、性质、容量，结合信息、通信机房的设置情况，采取分区域，分负荷供电的方式。根据《数据中心设计规范》（GB50174－2017）中8．1．7条规定，电子信息设备宜由不间断电源系统供电，故本数据中心信息、通信机房设备设置专用变压器经由两路UPS供电；设备机房的空调、冷冻水泵等考虑经济性和可靠性等因素，由一路市电和一路UPS供电，正常运行时，由一路UPS供电，检修情况下由一路市电供电；其余一级负荷由两路市电供电。共计设置10座10／0．4kV变电所，均在主建筑一层。各变电所内2路10kV电源均引自10kV配电所，变电所容量及供电范围详见表2。

表2 变电所设置表

10／0．4kV 变电所 0．4kV 侧采用单母线分段，中间设母联开关的运行方式，当一台变压器检修或故障时，切除三级负荷，母联开关自投，由另一台变压器负责本供电区域内的一、二级负荷用电。

在主建筑一层设置电力控制中心，以实现对10kV配电所以及10／0．4kV变电所各远动终端的遥控、遥信、遥测。

3．3．3 UPS 不间断电源系统

考虑UPS电源供电可靠性和安全性，采用分区集中式UPS电源系统。根据表1中规定，空调系统的双路电源中至少一路为应急电源，故在主建筑设置2套单总线输入／输出型UPS电源系统，为机房专用空调和冷冻水二次循环泵提供一路不间断电源。设置7套双总线输入／输出型UPS电源系统，为信息机房模块和通信机房模块等提供不间断电源，其设置标准为2N。UPS电源机房均与其供电的设备机房相邻布置。

本典型设计方案中主要有两种设备机房、5个低密机房和2个高密机房。低密机房内，设有约190台机柜，每台机柜用电量为5kW。高密机房内，设有约118台机柜，每台机柜用电量为10kW。不间断电源系统的基本容量可按（1）式计算：

式中，E为不间断电源系统的基本容量（不包含备份不间断电源系统设备）（kW／kVA）；P为电子信息设备的计算负荷（kW／kVA）。

同时考虑UPS的效率为0．95，计算可得为低密机房供电的UPS基本容量为1200kVA，故选取3台容量为400kVA的UPS并机使用，对应的变压器容量为1250kVA。同理可得为高密机房供电的UPS基本容量为1490kVA，故选取3台容量为500kVA的UPS并机使用，对应的变压器容量为1600kVA。UPS电源机房容错布置在两个房间，形成2N条件。每组UPS电源备用时间为15分钟。UPS系统容量及供电范围详见表3。

表3 UPS系统容量及供电范围表

3．4 柴油发电机组的设计

根据规范要求，本设计方案配置了10kV柴油发电机组。为减少柴油发电机的震动和噪音对主建筑的影响，在主建筑附近单独设置一座柴油发电机楼，并设置了10kV并机配电所。

本数据中心备用用电负荷包括：通信信息机房设备、消防设备、变电所自用电、机房空调、冷却塔、应急照明等，共计约为14500kW。根据备用用电负荷容量，主建筑10kV配电所的供电容量和供电范围，并考虑柴发楼10kV并机配电所与其能保持一定的对应关系，采用分组柴油发电机并机模式。根据表1中规定，柴油发电机组按照N＋1标准进行配置，N值设定为7，采用（7＋1）10kV柴油发电机并机模式系统。每台柴油发电机主功率为2200kW。如此，备用电源可承担数据中心正常运行所需要的负荷用电量。

3．5 供电系统的可靠性

本设计方案中为信息、通信机房供电的配电设备均按容错型配置。10kV电源采用了双重电源，同时采用10kV柴油发电机作为备用电源。10／0．4kV变电所设置专用变压器经由在线式UPS不间断电源系统为其供电。正常运行情况下，由市电通过不间断电源向机房设备供电。当一路市电故障时，柴油发电机组启动，但不投入；变电所内低压母联闭合，由一台变压器为其供电区域内设备供电。当两路市电故障时，由UPS蓄电池经逆变电路向负载提供不间断电源，同时柴油发电机组启动，并在15分钟内并机投入运行，从而保证了铁路数据中心机房设备供电不中断。各系统的对应关系如图2所示。

图2 供配电系统组网关系图

4 结论

综上所述，数据中心的供配电系统作为数据中心最重要的基础设施，应稳定、可靠、便于维护。本文所述铁路数据中心供配电系统典型设计方案充分考虑了用电负荷性质及等级，对应提供不同的供电方案。通过设置了 10kV 配电所，10／0．4kV 变电所，UPS不间断电源，柴油发电机组等多重供电电源，充分保障了数据中心的正常运行，为后续铁路数据中心的建设提供了设计示例及思路。设计同时遵循数据中心近期建设规模与远期发展规划协调一致的原则，充分考虑后期发展，在变配电所的设备房间布局，供配电系统设计及柴油发电机房的设置上，均需为后期预留一定的条件，便于数据中心后期发展运营。