中低压柴油发电机配置危害条件和供电办法

摘要：随着通信行业的迅猛发展，现行数据中心以市电加备载柴油发电机的供电**模式作为主流举措，故对于备用**的柴油发电机需求与日俱增，同时随着机架密度和设备单体功耗的提高，对于后备柴油发电机的功率需求也在不断提升。配电系统的重要组成部分，对于**系统安全可靠运转极为关键。数据中心配电系统一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面为满足日益提升的能效要点需要精简配置以提升配电效率。因此，柴发机组的优化措施对于提升系统运行可靠性和节能减排能力至关重要。cummins公司在

      对于参数中心柴油发电机组配置往往受到数据中心的选址地点和空间等条件危害：以GB50174-2017《数据中心规划规范》中A级机房举例，距离停车场不应小于20米，铁路或者高速公路的距离不应小于800米，距离地铁不宜小于100米，距离飞机场不宜小于8000米，距离住宅不宜小于100米等要求，以及不宜设置在可能产生洪水和地质灾害的地方，需要不少于2条到达火车站飞机场的交通道路，从而决定了数据中心不宜建设在人口密度较大的市中心位置；根据现有市场用户对于大带宽低延时的需求，参数中心往往会贴近业务用户更近的地方，比如开发区和商贸区等工商业区域附近；用户维保人员辐射范围距离有限，附近生活基础配套设施健全；数据中心周边的电力资源和水资源等可用于数据中心的资源分布情况以及柴油发电机备用补油的提供商距离。   

      综上所述，数据中心理想的建设地点应在市区周边电力资源丰富的区域；而市区周边又因其地理位置局限性和电力资源有限等因素引起参数中心的建设规模不会太大；在追求高产出机架的情况下，参数中心在有限空间的内建设柴油发电机组和配套电源等基础设施难度很大，机架会直接挤占柴发机组及电源装置的空间，并且为了提升单机架功耗，数据中心的设计建设办法会在有限空间内提高电源功率密度的同时，也要提升柴油发电机组的容量密度。

      通常参数中心高低压装置依据国家电网变电的建设模式，分为高压、中压、低压三级变电降压模式，又根据数据中心所在地点和规模采用对应的变配电模式进行高中低压装置配置，因此易发配置如下：    

① 中低压装置选取大电引入中压10kV，通过降压装置变为0.4kV，在0.4kV系统接入低压柴油发电机的配置措施。   

② 高低压装置采用电网引入高压35kV及以上电压等级，通过降压系统变为0.4kV，在0.4kV 系统接入低压柴油发电机的配置办法。    

③ 高低压装置采用大电引入高压35kV及以上电压等级，通过降压装置变为0.4kV，在10kV 系统接入中压柴油发电机的配置举措。

      现有数据中心配备的不间断电源通常分为交流UPS装置和高压直流装置两种处理方案。   

      通常现有参数中心选用UPS不间断电源系统和柴油发电机系统进行的匹配关系。发电机组的等级配置，根据GB/T2820.1中将发电机组的性能分为G1、G2、G3、G4，因为发电机组的输出频率、电压和波形对参数中心供电稳定性危害较大，故要点数据中心所配备的发电机组性能无法低于G3级。A级参数中心对发电机组的基本要点是要能持续和不限时运转，故配备发电机组时就要点其较大平均负荷，要按需要系数法对通信数据设备、制冷装置装置、照明装置和参数中心所必须的配套设施等容量进行负荷计算得出的数值。在计算发电机组的输出功率时，还需考虑负载发生谐波对发电机组的影响。GB 51194-2016通信电源设备装配工程设计规范内规定，对于交流不间断设备即UPS装置，确定其需要发电机组保证的容量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在5%~15%时，其需要的发电机组**容量按UPS功率的1.5~2倍计算。不间断电源系统和通信参数装备的计算负载公式为E≥ 1.2P，式中E—不间断电源系统的基础功率（不包含备份不间断电源系统装备）（kW/kVA）；P—电子信息设备的计算负载（kW/kVA）。

      参数中心选用的柴油发电机分为低压柴油发电机和中压柴油发电机，低压柴油发电机指通过机组输出电压400V的发电机，一般单机功率较大在2000kW；中压柴油发电机指通过机组输出电压10KV的发电机，通常单机功率2000kW。但中压柴油发电机因其相同功耗的情况下，电压高电流小，故可以集群化并机。而低压柴油发电机存在电压低电流大，并列难度大。   

      以上的要素直接危害了数据中心配置柴油发电机组备用容量，而单体柴油发电机是无法满足高功耗数据中心的备载需求，故需要发电机集群来满足，但从构架上看柴油发电机集群需要柴油发电机具有并联能力，通常参数中心配置的柴油发电机并联以中压柴油发电机为主，参数中心低压柴油发电机并列的案例鲜见。

      数据中心的供电构架和柴油发电机的选择该参数中心供电构架为高压35kV直接变电0.4kV装置，并且装置无10kV中压降压流程，故不能配置中压柴油发电机，只能在低压侧安装低压发电机作为备用**。典型示例如图1所示，并列措施装置如图2所示。

      该参数中心受到电网功率和空间要素危害，仅可装配2500kVA的变压器及其配电系统满足大机电和IT用电所需。而为了满足IT的业务需求配置2N变配电系统，大机电则因空间不足配置N+1变配电系统。又因空间不足导致柴油发电机和变配电系统配置为1比1配置。   

      根据变配电装置的容量，以及满足业务需求的不间断电源和柴油发电机配置原则，推算出IT业务对应每套低压装置备用容量需求达3200kVA以上，而现有可采购最大功率低压柴油发电机为2000kW。已不能满足IT业务的功率需求康明斯发电机型号大全。

      通过对该数据中心可用空间和变配电系统的综合解惑，为了满足IT业务的容量需求，只可选用低压柴油发电机并机方案。   

① 关于IT业务的变配电装置进行1比1的低压柴油发电机配置。   

② 在低压柴油发电机的附近配置并机柜，将满足IT业务的2N系统低压柴油发电机，根据各自2N系统内所配置的2台低压柴油发电机，进行系统内1对1的并机。   

③ 考虑到低压柴油发电机并车的大电流问题，在并车柜内采取市电流载流量母线的同时加入散热处理，从而有效地降低瞬间电网流致使的母线温升问题。同时配置电流监测装置对母线进行保护。   

④ 低压系统并列的相位角问题，则由安装的并车装置自动矫正比对进行解除。   

⑤ 考虑低压柴油发电机的并车同步性，将低压柴油发电机的控制纳入变配电系统自动控制教程内，并由数据中心ECC的监控装置可视检查，实现IT业务的低压柴油发电机同步启停自动并列。

① 该解决措施因地制宜。通常参数中心采用10kV市电引入降压至0.4kV，或者110kV和35KV市电引入通过10kV降压再降至0.4kV。但35kV直接降至0.4kV状况较少。   

② 因为变配电系统构架内已无10kV电压等级，故而不能采用装配中压柴油发电机并车的排除措施。   

③ 为了增强数据中心单机柜功耗，引起IT业务用电受数据中心空间和不间断电源配置影响，不能较大化使用变配电系统供电能力，导致单台柴油发电机能力供给不足，而并联后能力有所冗余。

      对于适合于中压柴油发电机组的参数中心，应按照GB 50174—2017标准的要点，在不同的场所、系统根据其性质、必要性以及网络中断后造成的损失和社会影响将参数中心分成三个等级，即A、B、C 级，分别为容错型、冗余型、基本型。详细的参数中心机房分级标准及技术要求见表1。

      A级数据中心配电系统要点较高，需按双系统容错设计，不具备第三路电源供电条件时应配置柴油发电机作为备用电源。B级和C级参数中心配电装置一般不需要配置柴油发电机，且对变压器、柴发机组（uninterruptible power supply， UPS）及备用电池的配置要点也低于A级参数中心。

      说到数据中心供配电装置，就不得不谈装置架构，针对参数中心供配电装置架构，GB50174 - 2017《参数中心布置规范》在附录“电气”中规定：A级数据中心应满足容错要点，可选用2N系统，也可选取其他防范单点故障的装置配置。A级参数中心供配电装置主要有3种架构：2N、DR、RR。

      由两个供配电单元构成，每个单元均能满足全部负载的用电需要，两个单元同时工作，互为备用。正常运转时，每个单元向负荷供应50 % 的电能，当一个单元损坏停止运行时，另一个单元向负荷提供100 % 的电能。这种多电源系统冗余的供电程序，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，增加了供电系统可靠性。

      A级参数中心常规配电系统如图3所示，A级参数中心常规配电装置采取“2N”架构，中、低压配电柜、变压器、UPS和列头柜均选择双套容错配置，另配置中压柴油发电机作为备用电源。2N配置，满足GB50174-2017《数据中心设计规范》中A级机房要求；满足《UPTIME》中T4等级机房要点；满足《TIA942》中T4等级机房要求。

      其特性：2N配置，装备占用空间多，平时运转效率低，初始投资多，使用维保简单。优势是组成简单，易于维护。

      DR是Distribution Redundancy的简称发电机型号规格及功率，意思是分布冗余。由N（N≥3）个配置相同的供配电单元结构，N个单元同时作业。将负载均分为N组，每个供配电单元为本组负载和相邻负荷供电，形成“手拉手”供电程序。正常运行情形下，每个供配电单元的负荷率为66%。当一个供配电系统产生故障，其对应负载由相邻供配电单元继续供电。

      DR配置应满足《UPTIME》中T4等级机房要点。但国家GB50174-2017《参数中心布置规范》和《TIA942》未提及这种配置。其特征：DR配置，装置占用空间少，平时运转效率偏高，初始投资少，操作保养较复杂，电缆路径的物理隔离较困难。好处是运转效率高，节约投资。

      RR是Reserve Redundancy的简称，意思是备载冗余。由多个供配电单元构成，其中一个单元作为其它运行单元的后备。当一个运转单元产生损坏，通过电源转换装备，备载柴油发电机组继续为负载供电。

      RR配置应满足《UPTIME》中T4等级机房要求。但国家GB50174-2017《数据中心布置规范》和《TIA942》未提及这种配置。其特点：RR配置柴油发电机型号规格及功率，装备占用空间较多，平日运转效率过高，初始投资较多，操作维保复杂，需要大量的STS。好处是投资较少，效率较高。

      数据中心常规配电装置选择UPS实现电子信息装置的供电。根据GB 50174—2017《数据中心规划规范》第3.2.2条，A级数据中心同时满足下列要求时，电子信息设备的供电可采取柴油发电机组装置和大电电源系统相结合的供电方式。

（5）向公用电网注入的谐波电流分量不应超过现行国家标准GB/T 14549—93《电能质量公用大电谐波》规定的谐波电流允许值。

      因为多站融合工程参数中心靠近变电站布置，数据中心的电源通常来自就近变电站的中压馈线，其电能质量、容量因数、谐波分量通常能够满足上述要求，因此具备选择柴油发电机组装置和大电电源装置相结合的供电条件。该处理办法作为参数中心柴发机组配置办法的典型示例，具备其特定环境因素下，解决数据中心备载供电的新思路、新方法。同时体现出受环境和业务发展因素危害的参数中心，因地制宜匹配大机电装置建设的灵活性和可塑性。