中低压柴油发电机配置影响条件和供电举措

　　摘要：随着通信行业的迅猛发展，现行参数中心以电网加备载柴油发电机的供电保障模式作为主流措施，故对于备用保障的柴油发电机需求与日俱增，同时随着机架密度和装置单体功耗的提升，对于备载柴油发电机的功率需求也在不断提高。配电装置的重要组成部分，对于保障机构安全可靠运行极为关键。参数中心配电装置一方面需要冗余配置以增强可靠性，另一方面为满足日益提高的能效要求需要精简配置以增强配电效率。因此，柴油发电机组的优化措施对于增强机构运转可靠性和节能减排能力至关重要。cummins公司在

　　      对于参数中心康明斯发电机组配置往往受到参数中心的选址地点和空间等要素危害：以GB50174-2017《数据中心规划规范》中A级机房举例，距离停机场不应小于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发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，从而决定了参数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，附近生活基本配套设施健全；数据中心周边的电力资源和水资源等可用于参数中心的资源分布情形以及柴油发电机备载补油的供应商距离。   

　　      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致使数据中心的建设规模不会太大；在追求高产出机架的情形下，数据中心在有限空间的内建设柴油发电机组和配套电源等基本设施难度很大，机架会直接挤占柴油发电机组及电源装置的空间，并且为了增强单机架功耗，数据中心的规划建设方案会在有限空间内提高电源功率密度的同时，也要提高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大电变电的建设模式，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取对应的变配电模式进行高中低压系统配置，因此常见配置如下：    

　　① 中低压系统选取电网引入中压10kV，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举措。   

　　② 高低压装置采取大电引入高压35kV及以上电压等级，通过降压机构变为0.4kV，在0.4kV 机构接入低压柴油发电机的配置方案。    

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

　　      现有参数中心配备的不间断电源通常分为交流备用电源装置和高压直流机构两种处理措施。   

　　      一般现有参数中心选取备用电源不间断电源机构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影响较大，故要求数据中心所配备的发电机组性能不能低于G3级。A级数据中心对发电机组的基础要求是要能持续和不限时运行，故配备发电机组时就要求其最大平均负荷，要按需要系数法对通信数据装备、制冷设备机构、照明机构和参数中心所必须的配套设施等功率进行负荷计算得出的数值。在计算发电机组的输出容量时，还需考虑负荷发生谐波对发电机组的影响。GB 51194-2016通信电源装备装配工程布置规范内规定，对于交流不间断装置即备用电源系统，确定其需要发电机组保证的功率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，其需要的发电机组保障功率按备用电源容量的1.5~2倍计算。不间断电源装置和通信数据装置的计算负载公式为E≥ 1.2P，式中E—不间断电源系统的基本功率（不包含备份不间断电源装置装置）（kW/kVA）；P—电子信息装置的计算负荷（kW/kVA）。

　　      参数中心采取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，通常单机容量最大在2000kW；中压柴油发电机指通过机组输出电压10KV的发电机，一般单机容量2000kW。但中压柴油发电机因其相同功耗的情形下，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，并联难度大。   

　　      以上的因素直接影响了数据中心配置柴油发电机组后备容量，而单体柴油发电机是不能满足高功耗参数中心的备用需求，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列能力，一般参数中心配置的柴油发电机并列以中压柴油发电机为主，参数中心低压柴油发电机并联的案例鲜见。

　　      数据中心的供电构架和柴油发电机的购买该数据中心供电构架为高压35kV直接变电0.4kV装置，并且系统无10kV中压降压步骤，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保障。典型示例如图1所示，并机措施机构如图2所示。

　　      该数据中心受到市电容量和空间因素影响，仅可安装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变配电机构，大机电则因空间不足配置N+1变配电机构。又因空间不足致使柴油发电机和变配电系统配置为1比1配置。   

　　      根据变配电机构的功率，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后备容量需求达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。

　　      通过对该参数中心可用空间和变配电机构的综合阐述，为了满足IT业务的功率需求，只可采用低压柴油发电机并机措施。   

　　① 关于IT业务的变配电系统进行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装置低压柴油发电机，根据各自2N装置内所配置的2台低压柴油发电机，进行机构内1对1的并联。   

　　③ 考虑到低压柴油发电机并机的大电流问题，在并列柜内选用大电流载流量母线的同时加入散热解决，从而高效地减少瞬态电网流引起的母线温升问题。同时配置电流监测系统对母线进行保护。   

　　④ 低压装置并列的相位角问题，则由安装的并车机构自动矫正比对进行处理。   

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

　　① 该处理措施因地制宜。通常参数中心选取10kV电网引入降压至0.4kV，或者110kV和35KV大电引入通过10kV降压再降至0.4kV。但35kV直接降至0.4kV状况较少。   

　　② 由于变配电装置构架内已无10kV电压等级，于是无法选用装配中压柴油发电机并联的处置措施。   

　　③ 为了提高参数中心单机柜功耗，引起IT业务用电受参数中心空间和不间断电源配置危害，不能最大化使用变配电装置供电能力，引起单台柴油发电机能力供给不足，而并机后能力有所冗余。

　　      对于适合于中压柴油发电机组的数据中心，应按照GB 50174—2017标准的要点，在不一样的场所、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数据中心分成三个等级，即A、B、C 级，分别为容错型、冗余型、基本型。具体的参数中心机房分级标准及技术要点见表1。

　　      A级数据中心配电装置要点最高，需按双系统容错布置，不具备第三路电源供电因素时应配置柴油发电机作为备载电源。B级和C级数据中心配电装置通常不需要配置柴油发电机移动发电站，且对变压器、柴油发电机组（uninterruptible power supply， 备用电源）及备用电池的配置要求也低于A级参数中心。

　　      说到参数中心供配电系统，就不得不谈装置架构，针对数据中心供配电机构架构，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，可选择2N系统，也可采取其他预防单点损坏的系统配置。A级数据中心供配电系统详细有3种架构：2N、DR、RR。

　　      由两个供配电单元构造，每个单元均能满足全部负荷的用电需要，两个单元同时作业，互为备载。正常运行时，每个单元向负荷供应50 % 的电能，当一个单元故障停止运行时，另一个单元向负荷供应100 % 的电能。这种多电源装置冗余的供电程序，克服单电源装置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机构如图3所示，A级参数中心常规配电系统采用“2N”架构，中、低压配电柜、变压器、备用电源和列头柜均采取双套容错配置，另配置中压柴油发电机作为备用电源。2N配置发电机组价格，满足GB50174-2017《参数中心规划规范》中A级机房要求；满足《UPTIME》中T4等级机房要求；满足《TIA942》中T4等级机房要求。

　　      其特征：2N配置，装备占用空间多，日常运行效率低，初始投资多，操作维护简单。优点是构造简易，易于维护。

　　      DR是Distribution Redundancy的简称，意思是分布冗余。由N（N≥3）个配置相同的供配电单元构造，N个单元同时作业。将负荷均分为N组，每个供配电单元为本组负荷和相邻负荷供电，形成“手拉手”供电方法。正常运转情况下，每个供配电单元的负载率为66%。当一个供配电机构出现故障，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《数据中心设计规范》和《TIA942》未提及这种配置。其优势：DR配置，装备占用空间少，平常运转效率较高，初始投资少，操作维护较复杂厦门康明斯发电机，电缆路径的物理隔离较困难。亮点是运转效率高，节约投资。

　　      RR是Reserve Redundancy的简称，意思是后备冗余。由多个供配电单元结构，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故障，通过电源转换机构，备载康明斯发电机组继续为负荷供电。

　　      RR配置应满足《UPTIME》中T4等级机房要点。但国家GB50174-2017《数据中心设计规范》和《TIA942》未提及这种配置。其特点：RR配置，装备占用空间较多，平日运转效率较高，初始投资较多，使用维护复杂，需要大量的STS。优势是投资较少，效率较高。

　　      参数中心常规配电机构选择备用电源实现电子信息装置的供电。根据GB 50174—2017《参数中心布置规范》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选用康明斯发电机组装置和大电电源系统相结合的供电程序。

　　（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规划，参数中心的电源一般来自就近变电站的中压馈线，其电能品质、功率因数、谐波分量一般能够满足上述要点，因此具备选取柴油发电机组系统和市电电源装置相结合的供电条件。该解决措施作为数据中心柴油发电机组配置措施的典型实例，具备其特定环境条件下，排除数据中心备载供电的新思路、新步骤。同时体现出受环境和业务发展要素影响的数据中心，因地制宜匹配大机电系统建设的灵活性和可塑性。