智慧能源站數(shù)據(jù)中心高可靠性供電方案研究

牛博彥　王楠　王兆峰　劉樹勇　朱識天　蘭春虎　范偉

摘? 要：本文結(jié)合智慧能源站數(shù)據(jù)中心用電特點及服務(wù)器模塊化建設(shè)方案，提出一種“多點備用的網(wǎng)際UPS”供電方案。由站內(nèi)交直流微網(wǎng)直接為數(shù)據(jù)中心供電，站內(nèi)光伏、儲能多點備用，形成電網(wǎng)級“超級UPS”，各微模塊采用分散供電結(jié)構(gòu)，大幅提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性，同時取消UPS電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)省投資近700萬左右。

關(guān)鍵詞：智慧能源站? 數(shù)據(jù)中心? 供電方案

中圖分類號：TM76 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0012-02

1? 智慧能源站現(xiàn)狀

目前，電網(wǎng)企業(yè)正在探索綜合利用變電站資源進(jìn)行三站合一建設(shè)，即智能變電站、充換電（儲能）站和數(shù)據(jù)中心統(tǒng)籌建設(shè)的智慧能源站新模式。該模式以智能變電站為中心，集能源管控，能源服務(wù)為核心的能源樞紐站，集電力傳輸、充電服務(wù)、數(shù)據(jù)中心為一體的城市電力綜合體。依托城市樞紐智能變電站這一重要能源物理節(jié)點，構(gòu)建與智能變電站一體化建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)中心站內(nèi)充足的軟硬件資源為公眾及企事業(yè)單位提供數(shù)據(jù)信息云服務(wù)。

智慧能源站內(nèi)建設(shè)有交直流微網(wǎng)系統(tǒng)，滿足站內(nèi)設(shè)備符合需求及電動汽車充電需求。站內(nèi)交直流微網(wǎng)和變電站低壓側(cè)母線相連，儲能模塊和分布式發(fā)電模塊亦通過站內(nèi)交直流微網(wǎng)系統(tǒng)完成削峰填谷功能。

智慧能源站的數(shù)據(jù)中心一般采用模塊化建設(shè)方案，即以18臺服務(wù)器機(jī)柜、兩臺電源列頭柜及相應(yīng)的列間精密空調(diào)組成一個模塊。服務(wù)器模塊按需建設(shè)，可以實現(xiàn)邊使用邊建設(shè)。

數(shù)據(jù)中心具有負(fù)荷等級高，負(fù)荷需求大、應(yīng)具備備用電源切換功能等特點，本文將結(jié)合數(shù)據(jù)中心用電特點及智慧能源站技術(shù)特點，提出一種“多點備用的網(wǎng)際UPS”供電方案，達(dá)到節(jié)約投資提高供電可靠性的目的。

2? 常規(guī)數(shù)據(jù)中心供電方式分析

數(shù)據(jù)中心是電子信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺，數(shù)據(jù)中心提供電源質(zhì)量的好壞，將直接影響到服務(wù)器正常、可靠的運(yùn)行，也影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)其它相關(guān)設(shè)備的正常工作。因此，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)必須要建立一個可靠的綜合性強(qiáng)的供配電系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中不僅要解決服務(wù)器設(shè)備的用電問題，還要解決保障數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的其它附屬設(shè)備的供配電問題，如空調(diào)用電、照明系統(tǒng)用電、消防系統(tǒng)用電等。

機(jī)房負(fù)荷屬于一級負(fù)荷，應(yīng)由兩路電源供電，即末端用電設(shè)備應(yīng)來自兩個不同供電設(shè)備。服務(wù)器設(shè)備供電采用“雙路市電+雙總線UPS不間斷電源”供電方式。精密空調(diào)等動力電源采用“雙路市電”供電方式。

市電01后做A路配電輸出，市電02分配后做B路輸出，兩路電源分別輸出一路至各用電設(shè)備及動力柜輸入端做切換后提供給數(shù)據(jù)中心設(shè)備電源，保證每臺設(shè)備均為市電供電，一路市電故障，另一路市電切入能承擔(dān)機(jī)房全部負(fù)載，兩路市電距故障時，UPS電源提供機(jī)房設(shè)備電源。

2.1 UPS配電系統(tǒng)分析

UPS配電系統(tǒng)包括UPS電源設(shè)備、后備電池組、UPS輸入、輸出配電柜、機(jī)房列頭柜、機(jī)柜PDU、防水耦合插座及阻燃屏蔽電纜。

2組UPS系統(tǒng)均采用AB雙路饋線引入，互投后提供給二組UPS系統(tǒng)。AB兩組UPS設(shè)備分別輸出一路至機(jī)房列頭柜形成各機(jī)柜A/B雙路電源，形成2N冗余雙總線運(yùn)行方式，在各機(jī)柜上設(shè)置2個PDU。

每個微模塊設(shè)置兩臺列頭柜，每個列頭柜主路開關(guān)及分路開關(guān)均采用智能電量儀，能監(jiān)控主路支路參數(shù)。UPS輸入配電柜設(shè)計為雙路自投自復(fù)，二路電源進(jìn)線為一主一備。當(dāng)主電源發(fā)生故障，而不能供電時，可通過柜內(nèi)的ATS開關(guān)自動切換至備用電源，繼續(xù)保持對設(shè)備的供電。

UPS供配電系統(tǒng)設(shè)計為三級：UPS輸入配電柜輸出到UPS，UPS輸出到UPS主輸出配電柜，主輸出配電柜輸出到機(jī)房內(nèi)列頭柜（PDU）由列頭柜輸出到終端設(shè)備。

UPS設(shè)備及電池、UPS輸入輸出配電柜均放置于UPS配電室，由大樓提供的電源進(jìn)線分配后引至UPS輸入配電柜所在位置。

依據(jù)設(shè)備數(shù)量、后期可擴(kuò)展性，各分區(qū)內(nèi)放置數(shù)量不等的強(qiáng)電列頭柜，每個列頭配電柜內(nèi)預(yù)留有三相電源開關(guān)、單相電源開關(guān)，用于后期設(shè)備擴(kuò)容之用。列頭柜外型、尺寸均與數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備機(jī)柜保持相同。UPS配電采用地板下走線方式配電。

2.2 動力配電系統(tǒng)分析

數(shù)據(jù)中心的動力配電系統(tǒng)包括動力配電柜、配電箱、阻燃交聯(lián)電纜，動力配電系統(tǒng)主要提供機(jī)房內(nèi)精密空調(diào)、新風(fēng)排氣機(jī)等動力設(shè)備用電。

AB雙路電源在大樓配電室切換后輸出一路饋線至數(shù)據(jù)中心市電輸入配電柜，兩路電源切換后輸出至各用電設(shè)備，當(dāng)主電源發(fā)生故障，而不能供電時，可通過大樓內(nèi)的ATS開關(guān)自動切換至備用電源，繼續(xù)保持對設(shè)備的供電。配電柜至各空調(diào)的電纜沿地板下安裝的金屬線槽敷設(shè)。機(jī)房精密空調(diào)等大功率三相設(shè)備采用高分?jǐn)嗄芰Φ乃軞な娇諝忾_關(guān)，新風(fēng)機(jī)、排氣風(fēng)機(jī)小功率設(shè)備采用微型斷路器。

3? 多點備用的網(wǎng)際UPS供電方案

本文所述方案采用智慧能源站站內(nèi)交直流微網(wǎng)直接為數(shù)據(jù)中心供電，站內(nèi)儲能多點備用，復(fù)用10kV母線及分裂變壓器， 形成電網(wǎng)級“超級UPS”，取消備用柴油發(fā)電系統(tǒng)， 節(jié)省設(shè)備投資，大幅提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性;柔性規(guī)劃，按需擴(kuò)容。

3.1 供電方案

數(shù)據(jù)中心A、B兩路設(shè)備電源，分別取自智慧能源站內(nèi)設(shè)有的380V交流I段母線和II段母線上。

正常工況下，由#1儲能單元和#2儲能單元為數(shù)據(jù)中心供電，兩者互為備用;極端狀況下，當(dāng)#1、#2儲能單元都發(fā)生故障，還可由其他儲能模塊繼續(xù)為其供電，或者由電網(wǎng)系統(tǒng)通過站內(nèi)10kV母線繼續(xù)為其供電。本方案極大提高了數(shù)據(jù)中心的供電可靠性。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

本文以數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)期共上九組微模塊為例，每組微模塊18臺機(jī)柜，共216臺服務(wù)器;每臺機(jī)柜負(fù)荷按10kW計算，合計負(fù)荷共1620kW。

按照常規(guī)數(shù)據(jù)中心配置UPS考慮總負(fù)荷的36%，UPS容量為500kW;按照冗余配置A、B兩套，每套UPS造價380萬。

采用本方案后，節(jié)約投資及后期運(yùn)維成本可達(dá)近700萬元，具有極大的造價優(yōu)勢。

3.3 精密列頭柜選擇

數(shù)據(jù)中心微模塊選用精密配電列頭柜，使用雙回路供電配置，最大程度的提高供電的安全可靠性，提高機(jī)房的等級。

具體配置如下：

采用2N供電方式，TN-S接地系統(tǒng)。

進(jìn)線回路采用塑殼斷路器，額定電流250A，分?jǐn)嗄芰?6kA，可滿足最大200kW的供電需求。

分支回路采用微型斷路器，額定電流50A，確保每臺服務(wù)器機(jī)柜10kW的供電需求，同時每路預(yù)留3個以上50A備用回路。

配電列頭柜配置電流監(jiān)測與告警裝置，提供Modbus RS485智能接口通訊方式，并可實現(xiàn)邏輯運(yùn)算。所有信息通過一個接口上傳。配電列頭柜告警系統(tǒng)可向上級監(jiān)控中心發(fā)送告警數(shù)據(jù)，同時發(fā)出聲光告警。接口的具體監(jiān)控內(nèi)容包括總輸入電流、總輸入電壓、總輸入功率、總輸入電度計量、各分路電流、輸入電源故障、分路開關(guān)狀態(tài)、各分路電量計量以及電力質(zhì)量情況。

4? 結(jié)語

本文在分析智慧能源站數(shù)據(jù)中心用電特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧能源站內(nèi)交直流微網(wǎng)提出一種“多點備用的網(wǎng)際UPS供電方案”。

該方案采用站內(nèi)交直流微網(wǎng)直接為數(shù)據(jù)中心供電，站內(nèi)儲能多點備用，復(fù)用變電站低壓側(cè)母線， 形成電網(wǎng)級“超級UPS”，取消UPS電源系統(tǒng)， 節(jié)省設(shè)備投資近700萬左右。該方案可靠性經(jīng)濟(jì)性效益明顯。

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