大型数据中心园区10 kV供电系统改造方案探讨

朱发熙，张 森，张仁玉

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

近年来，数据中心园区规模越建越大，动辄几十栋机楼，上百万台服务器,但实际上数据中心的上架率却连年下滑，特别是超大型数据中心，平均上架率仅为29.01%[1]。根据目前的调研结果看，大部分已经建成的数据中心上架率即便不错，其实际机柜的运行功耗离设计规划仍然有较大的差距，存在比较严重的大马拉小车的情况[2-4]。这些长期占用市电等公共资源而没有产出或低产出的数据中心，是对资源的一种巨大的浪费，有必要对其进行适当改造。

1 项目概况

内蒙古某大型数据中心园区总投资约173亿元，总建筑面积100.6万m2，总规划42栋数据中心机楼，超过10万架机架的装机能力，预计能部署100万台服务器。截止2022年，该园区的A区已经完成建设，包括8栋数据中心、1栋综合楼、2栋动力中心、1栋后勤保障中心、1栋仓储中心以及1栋110 kV变电站。目前正在开展B区的建设工作，其中B6～B10这5个单体已经完成可研评审，并开始土建施工。

1.1 现状分析

园区内共规划了4座110 kV变电站，目前已建成一座110 kV/10 kV变电站，其内部配置4台110 kV/10 kV 63 MVA主变，每台主变各带1段10 kV母线，变电站内总共设有39个10 kV出线间隔，其中容量为10 000 kVA的33个，容量不超5 000 kVA的6个。具体间隔使用情况详见表1。

表1 110 kV变电站间隔使用情况表

根据表1可知，目前已经使用了34个出线间隔，其中32个间隔的容量约10 000 kVA、2个间隔的容量约4 000 kVA，变电站还剩余4个容量均不超5 000 kVA出线间隔和1个间隔的容量约10 000 kVA未使用。

当前变电站保障的范围主要包括后勤保障中心和8栋数据中心，除了A8和A10这2个单体已接电但未上负荷外，变电站的总负载率只有约34%，距离变电站设计容量还有很大的空间。

1.2 存在问题

现有变电站产权归供电部门所有，有效的出线间隔已基本被使用且无间隔扩容的条件。实际负载率较低，变电站的各出线间隔所带的实际负荷均远低于设计容量，这样一方面导致已建变电站基础设施闲置，投资浪费，另一方面也影响园区第二变电站的开建进度，因为根据园区与供电部门签署的供电协议，在已建变电站的负载率未达到70%之前，园区内不能开建第2个110 kV变电站。现阶段园区的B区建设工作已经展开，如果不对园区供电系统进行改造，立马会面临无处可接电的窘境。

2 改造方案

为完成改造目标，需要对当前供电系统架构进行调整，方法是在变电站和各机楼之间增加开闭所，通过开闭所对各机楼的各套高压系统进线重新分配，将实际使用容量较低的回路适当归并，最终合并到变电站的单个10 kV出线间隔或者数个间隔，这样可以减少变电站出线间隔需求，腾出的出线间隔可以供新建机楼使用。

图1为改造前的供电系统示意图，其中A3～A6机楼都直接从110 kV变电站引接电源，每栋机楼需要4个出线间隔。图2为改造后的供电系统示意图，A3～A6机楼的电源进线在新增的开闭所内适当归并，然后再接到110 kV变电站。

图1 改造前的供电系统示意

图2 改造后的供电系统示意

2.1 1进多出方案

开闭所内每套高压配电系统分别从110 kV变电站的出线间隔引入2路独立的10 kV电源，然后再分配给多套高压系统，开闭所每套系统后端带的总负荷不能超过每套系统进线容量。

根据1进多出方案（图3），本项目的开闭所可以设置4套约10 000 kVA系统，每套系统后端带2套高压系统，具体负荷分配详见图4所示，由图4可见，A3～A6这4栋机楼共需变电站提供8个约10 000 kVA的出线间隔，而改造前则需16个出线间隔，因此按该方案改造，变电站10 kV侧可以腾出8个间隔。

图3 1进多出方案供电系统架构

图4 1进多出方案负荷分配示意

由于该方案每段母线只引入单路电源，每套系统的容量较小，只有约10 000 kVA，按照目前的规划，每套系统所带负荷已经很多，应对后端机楼增加负荷的能力较弱。为了保障供电系统的安全性，需要严格管控负荷变化情况，限制变电站到开闭所的每回线路的实际负荷。

2.2 多路并联方案

开闭所内每套高压配电系统的每一段母线有多路电源从变电站引入，多路电源并在一段母线上，通过母线分配给机楼，如图5所示。

图5 多路并联方案供电系统架构

根据本项目的实际情况，开闭所可以设置2套30 000 kVA的系统，每套系统从110 kV变电站引入6路10 000 kVA的10 kV电源，每3路并联在1段母线上，为了确保安全并方便运维，并联的3路需要来源于同一台主变，如图6所示。

图6 多路并联方案负荷分配示意图

由图6可见，A3～A6这4栋机楼总共需要110 kV变电站提供12个约10 000 kVA的出线间隔，改造后变电站10 kV侧可以空出4个出线间隔，另外在开闭所第2套30 000 kVA的系统中还剩余约200 000 kVA的容量，还可以空出8个出线间隔，因此该方案总共可以空出12个有效间隔。

由于开闭所每套系统的容量能做到约30 000 kVA，形成一个更大的资源池，每一段母线都相当于变电站10 kV母线的扩展，后端负荷变化时电力负荷调整的空间更大，因此受机楼负荷变动的影响较小。

2.3 方案比选

根据前面1进多出和多路并联方案的论述，两者对比汇总详见表2。

表2 开闭所2种方案对比

考虑到本项目是过渡性方案（如果后期相应机房的负荷依然上不来，则为永久方案），改造方案需要坚持到第2个110 kV变电站建成，根据目前机楼建设时序推测过渡性方案需使用数年之久，因此必须重点考虑各机楼负荷增大可能性，结合建设投资和需求等因素，本工程采用多路并联的方案。

3 运行控制策略

开闭所每套系统单段母线示意见图7，每一段母线都包含3个进线开关和若干个出线开关，每路进线的额定容量均为10 000 kVA。

图7 开闭所单段母线示意图

如果3路进线中的1路进线因故障退出运行，剩余的2路进线还能提供20 000 kVA的供电能力，因为机楼负荷是2N运行的，正常情况下挂在该段母线下的负荷约15 000 kVA，因此在3路进线中1路出线故障时，另外2路可以正常运行，但应动作于报警，提醒运维人员及时检修。

如果3路中的2路因故障而退出运行，应及时联动跳开第3路进线开关，因为这个工况下剩下的1路已经不可能安全带载，通过电气联锁快速切除第3路进线开关，避免进线断路器过负荷动作不及时故障传导到变电站。开闭所各种运行工况下进线断路器运行真值详见表3。

表3 进线断路器运行真值

开闭所任意一段母线检修时，应将3个进线开关全部断开，并将变电站内与之对应的3个出线间隔全部断开，检修完毕后应先合进线开关，在确保3个进线开关全部正常合闸后再逐个合闸出线开关。

4 结 论

10 kV电源多路并联方案虽然行业内并不多见，但技术上是切实可行的。这种应用于本质上和低压配电系统内的电缆多拼是一致的，只不过高压电缆比较粗，多拼时接线困难。通过多路并联，可以把被细琐分割的电源进行汇总，形成一个更大的资源池，有利于电力资源的再利用，因此这种方案比较适用在改造项目中。