20kV數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源設(shè)計(jì)

侯桂兵

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 廣州 510630

隨著智慧城市、智慧園區(qū)、無人駕駛等AI技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心云計(jì)算服務(wù)器成為其成敗的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心作為AI技術(shù)關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全運(yùn)行成為AI技術(shù)安全的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的動(dòng)力來源，如何安全運(yùn)行是數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著電網(wǎng)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，20kV電壓的等級(jí)的配電網(wǎng)越來越多，20kV電壓下如何選擇數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源供電方式的選擇成為數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

一、20kV數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)接線的類型

20kV電壓配電系統(tǒng)與10kV電壓配電系統(tǒng)相比，應(yīng)急電源的電壓等級(jí)沒有20kV，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017的要求，A、B類數(shù)據(jù)中心應(yīng)設(shè)置應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)。20kV電壓等級(jí)供電系統(tǒng)相對(duì)于10kV供電系統(tǒng)，沒有對(duì)應(yīng)20kV電壓等級(jí)的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)，因此應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)類型的選擇決定整個(gè)供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在與應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)匹配的供配電架構(gòu)主要有以下幾種：

1.1 0.4kV低壓發(fā)電機(jī)市電直降0.4kV方案

圖1 0.4kV低壓發(fā)電機(jī)市電直降方案

0.4kV低壓發(fā)電機(jī)市電直降方案，此方案在低壓聯(lián)絡(luò)，靈活性差，適合規(guī)模小，供電距離短的小型數(shù)據(jù)中心。

1.2 10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)，20kV市電中間降壓到10kV接線方式

圖2 10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)市電直降方案

10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)市電中間降壓方案，20kV市電通過降壓變壓器降壓到10kV，發(fā)電機(jī)采用10kV發(fā)電機(jī)集系統(tǒng)，本方案可靠性高，兩臺(tái)降壓變壓器長期運(yùn)行，后期運(yùn)行費(fèi)用高。

1.3 10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)后升壓到20kV，市電直降0.4kV接線方式

圖3 10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)升壓市電直降方案

10kV發(fā)電機(jī)并機(jī)升壓壓方案，發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源并機(jī)后通過升壓變壓器升壓到20kV，市電從20kV直降到0.4kV，本方案升壓變壓器平時(shí)處于冷備狀態(tài)運(yùn)行費(fèi)用低，但是存在單點(diǎn)故障當(dāng)升壓變壓器出現(xiàn)故障的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)沒有應(yīng)急電源。

1.4 0.4kV發(fā)電機(jī)中間升壓20kV后并機(jī)，市電直降0.4kV接線方式

本方案，每臺(tái)低壓發(fā)電機(jī)經(jīng)升壓變壓器升壓到20kV后并機(jī)與市電聯(lián)絡(luò)后經(jīng)變壓器直降到0.4kV供電。本方案，市電無需經(jīng)過中間變壓器，每臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)變壓器升壓后并機(jī)，解決了方案3，當(dāng)升壓變壓器出現(xiàn)故障整個(gè)應(yīng)急電源失效的情況，同時(shí)也解決了大容量變壓器勵(lì)磁涌流的問題，可靠性增強(qiáng)，適用于發(fā)電機(jī)布置在室內(nèi)，供電路由短的數(shù)據(jù)中心。

1.5 10kV發(fā)電機(jī)升壓后并機(jī)，市電直降接線方式

本方案與圖4類似，只是把低壓發(fā)電機(jī)換成了10kV發(fā)電機(jī)，10kV發(fā)電機(jī)相較于0.4kV發(fā)電機(jī)供電方式更靈活，供電距離更長，適用于室外布置發(fā)電機(jī)的供電方案。

圖4 0.4kV發(fā)電機(jī)升壓并機(jī)市電直降方案

二、工程案例分析

2.1 工程概況

以深圳某數(shù)據(jù)中心為例，本工程總建筑面積為19762.04m2，地上四層，地下一層，建筑高度為23.4m，防火設(shè)計(jì)建筑類別為丙類多層廠房。本工程首層布置機(jī)柜數(shù)為350機(jī)柜，二至四層為標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)據(jù)機(jī)房層，每層機(jī)柜數(shù)910個(gè)，共計(jì)3080個(gè)5kW機(jī)柜，總的IT負(fù)荷用電為15400kW，設(shè)計(jì)要求PUE為1.25以下，應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)采用室外集裝箱布置，按A類機(jī)房設(shè)計(jì)。

2.2 方案比選

1、本工程屬于大型數(shù)據(jù)中心且PUE要求1.25以下，圖1和圖2方案不可??；

2、本工程要求采用室外集裝箱發(fā)電機(jī)組，圖4方案需要大量大容量低壓母線，費(fèi)用高，布線靈活性差，不可取；

3、本工程機(jī)房等級(jí)為A類機(jī)房，圖3方案存在單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，也不可取；

綜上分析及業(yè)主的意見，本工程采用圖5的供電方案。

圖5 10kV發(fā)電機(jī)升壓并機(jī)市電直降方案

2.3 電氣設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程的方案比選，本工程供電主接線圖如圖6所示，本工程20kV市電采用單母線分段方式，兩路市電和母聯(lián)直接設(shè)置電氣連鎖，發(fā)電機(jī)并機(jī)后通過應(yīng)急母線分別給兩路市電供電，市電與油機(jī)進(jìn)線設(shè)置電氣機(jī)械連鎖，杜絕并列運(yùn)行，低壓設(shè)置8組低壓配電系統(tǒng)，每組低壓有兩臺(tái)2500kVA變壓器及其配套低壓配電柜組成，每套系統(tǒng)互為熱備，每臺(tái)變壓器的負(fù)載率在47%左。具體的電力配置情況如下：

圖6 供電系統(tǒng)主接線圖

1、市電：20kV市電建設(shè)1套高壓配電系統(tǒng)每套高壓系統(tǒng)引入2路約20000kVA市電，總的市電容量為20000kVA主用和20000kVA備用，高壓系統(tǒng)采用單母線分段接線方式。

2、變壓器及低壓系統(tǒng)：建設(shè)16臺(tái)2500kVA的 20/0.4kV干式變壓器及其對(duì)應(yīng)的低壓配電系統(tǒng)。其中首層布置4臺(tái)2500kVA干式變壓器，二～四層標(biāo)準(zhǔn)層每層布置4臺(tái)2500kVA干式變壓器，每臺(tái)變壓器負(fù)載率不超50%，兩臺(tái)變壓器一組互為備用。

3、UPS電源系統(tǒng)：首層配置一套2400kVA（4臺(tái)600kVA UPS并機(jī)）N配置動(dòng)力用UPS和一套2000kVA（4臺(tái)500kVA UPS并機(jī)）2N配置IT用UPS系統(tǒng)；2～4層標(biāo)準(zhǔn)層每層配置2套2500kVA（5臺(tái)500kVA UPS并機(jī)）2N配置IT用UPS系統(tǒng)，配套電池按后備15min配置。

4、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：在室外設(shè)置12臺(tái)10kV PRP功率2000kW的室外集裝箱發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用一套并機(jī)系統(tǒng)采用11主用1臺(tái)備用。

結(jié)束語：本文著重探討20kV電壓等級(jí)數(shù)據(jù)中心的各種供電架構(gòu)，并結(jié)合工程實(shí)例闡述了20kV數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)及應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)供電方案的選擇及設(shè)計(jì)。