數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主備用電源自動(dòng)切換探究

上海某數(shù)據(jù)中心征地250畝，一期建設(shè)規(guī)模100430㎡，包括1-3#三棟數(shù)據(jù)中心機(jī)房和1-2#兩棟油機(jī)房、1-2#兩棟維護(hù)支撐用房、一棟傳輸機(jī)房樓及一棟變電站，裝機(jī)機(jī)架數(shù)8743個(gè)。一期各建筑用房建設(shè)情況及建設(shè)規(guī)模見(jiàn)表1。

表1 上海某數(shù)據(jù)中心一期建筑物建設(shè)情況及建設(shè)規(guī)模表

1 上海某數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

(1)負(fù)載的組成和特點(diǎn)

以1#數(shù)據(jù)中心為例，IT負(fù)載為服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列、云計(jì)算、傳輸和信息安全等設(shè)備組成的重要負(fù)荷，與此同時(shí)，冷卻塔、水泵、冷水機(jī)組、末端空調(diào)以及配套的照明、動(dòng)力和消防等，為了保障數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備正常、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)荷也同樣重要。有機(jī)整合在一起，組成了整個(gè)數(shù)據(jù)中心負(fù)載系統(tǒng)，負(fù)荷匯總表詳見(jiàn)表2。

表2 1#數(shù)據(jù)中心負(fù)荷匯總表

以上負(fù)載的特點(diǎn)如下：

①容量大，地位重要

每個(gè)數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)載在20000~25000kW ，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)中斷或數(shù)據(jù)丟失在社會(huì)或經(jīng)濟(jì)上造成的損失或影響程度級(jí)別，按照GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范，將數(shù)據(jù)中心分為A 、B 、C三級(jí)。其中，上述提到的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備、空調(diào)、動(dòng)力等均為特別重要負(fù)荷，即一級(jí)負(fù)荷，占比最大，可達(dá)80%以上,供電方式需由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電,可為兩個(gè)市政電源供電或一個(gè)市政電源、一個(gè)自備電源(柴油發(fā)電機(jī)或電池組)，其余少量負(fù)載為2級(jí)和3級(jí)負(fù)荷。

② 非線性

數(shù)據(jù)中心包含了大量非線性負(fù)載，例如UPS設(shè)備、變頻冷機(jī)、水泵和熒光燈照明等。而非線性負(fù)載容易產(chǎn)生諧波，污染系統(tǒng)，降低設(shè)備效率，增加投資，影響供電設(shè)備性能，同時(shí)對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、帶載能力的要求也就更高。

③ 集中化

目前，隨著集中化程度的不斷提高，單機(jī)柜功耗作為衡量數(shù)據(jù)中心負(fù)荷水平的重要指標(biāo)之一。幾年前，數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜的用電功率通常在2kW ，而到了當(dāng)今的高密度運(yùn)算環(huán)境下，設(shè)備的功率密度指數(shù)級(jí)增大，一個(gè)機(jī)柜的用電功率可達(dá)10~15kW ，故對(duì)用電和冷卻設(shè)備的要求越來(lái)越高。

(2)供配電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

供配電系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)據(jù)中心的心臟-血液系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有的設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的動(dòng)力支持。供配電系統(tǒng)通常指變電站出線間隔引出10kV線路至數(shù)據(jù)中心內(nèi)，經(jīng)由中壓低壓變配電系統(tǒng)直至電子信息設(shè)備負(fù)責(zé)的整個(gè)鏈路，主要包括中壓低壓變配電設(shè)備、UPS 、柴油發(fā)電機(jī)組、蓄電池組、機(jī)柜配電等。為了確保IT設(shè)備的可靠和穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心必須建立起良好的供配電系統(tǒng)。上海某數(shù)據(jù)中心供配電主接線圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 上海某數(shù)據(jù)中心供配電主接線圖

本項(xiàng)目各數(shù)據(jù)中心單體建筑擬采用10kV電源接入，電源引自園區(qū)規(guī)劃的自建變電站10kV出線間隔。每座采用4路10kV電源接入，兩主兩備的運(yùn)行方式。主備電源引自不同的母線段。每路10kV電源引入容量為12500kVA ，供電等級(jí)為一級(jí)。

自建柴油發(fā)電系統(tǒng)作為市電電源的備用電源。采用自備高壓發(fā)電機(jī)組，每個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房各對(duì)應(yīng)設(shè)置1套10kV高壓油機(jī)并機(jī)供電系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)機(jī)房樓各模組及冷凍站的變壓器的運(yùn)行方式采用2N (1+1)運(yùn)行方式，變壓器采用熱備份。正常供電時(shí)，每臺(tái)變壓器運(yùn)行負(fù)載率應(yīng)不大于50%。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房每臺(tái)變壓器均對(duì)應(yīng)配置1套低壓供電系統(tǒng)，互為主備運(yùn)行及相鄰的低壓供電系統(tǒng)之間采用分段運(yùn)行，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

變配電及發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)及設(shè)備配置詳見(jiàn)表3(以1 # 數(shù)據(jù)中心為例)。

以上不考慮園區(qū)變電站建設(shè)。

變壓器之后相關(guān)的負(fù)載為IT設(shè)備所需的48V 、336HVDC 、UPS 系統(tǒng)，空調(diào)、動(dòng)力照明、消防等。

2 外市電/備用電源的切換

首先，數(shù)據(jù)中心平時(shí)兩路10kV市電電源同時(shí)運(yùn)行各承擔(dān)50%負(fù)載，互為主備。當(dāng)其中任意一路市電電源停電檢修或故障時(shí)，由另一路電源承擔(dān)100%負(fù)載。當(dāng)兩路電源同時(shí)失電時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)油機(jī)電源承擔(dān)全部負(fù)載(即僅一路市電電源失電的情況下，不啟動(dòng)油機(jī))。當(dāng)任意一路市電電源恢復(fù)后，系統(tǒng)自動(dòng)切換至市電電源，油機(jī)停機(jī)。

市電進(jìn)線斷路器、油機(jī)進(jìn)線斷路器以及母聯(lián)斷路器間采用可靠的電氣閉鎖裝置。實(shí)現(xiàn)市電與油機(jī)電源的自動(dòng)切換，防止油機(jī)電源反送電，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。

每個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房按終期用電負(fù)荷需求，各設(shè)置10臺(tái)2000kW高壓發(fā)電機(jī)組多臺(tái)并機(jī)，市電電源和油機(jī)電源的雙電源切換在10kV側(cè)進(jìn)行，采用10kV中壓ATS自動(dòng)系統(tǒng)。

根據(jù)之前介紹的，數(shù)據(jù)中心的負(fù)載非線性、大容量以及集中化的特性，市電主用電源和備用電源之間切換的穩(wěn)定性和可靠性，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行和保障。

(1)主備用電源自動(dòng)切換的簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)中心采用的為中壓電源級(jí)控制器型切換方案,詳見(jiàn)圖2。

圖2 上海某數(shù)據(jù)中心采用的中壓電源級(jí)控制器型切換方案

圖2中，MDS9MVC中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由控制系統(tǒng)、常用電源柜、應(yīng)急電源柜組成。開(kāi)關(guān)元件由兩個(gè)聯(lián)鎖的真空斷路器構(gòu)成，互鎖裝置保證了在任意時(shí)間僅有一組觸頭能夠閉合。其功能為：當(dāng)常用電源的任意線電壓低于正常電壓的85%或超過(guò)正常電壓的110%或頻率漂移和正常頻率相差1Hz (均可設(shè)定)以上，然后發(fā)電機(jī)啟動(dòng)命令接通發(fā)電機(jī)啟動(dòng)電路，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率滿足可用條件時(shí)(電壓下限值〈測(cè)量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測(cè)量頻率< 頻率上限值)，發(fā)電機(jī)電源送至轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)裝置的應(yīng)急電源側(cè)，經(jīng)穩(wěn)定延時(shí)，斷開(kāi)常用電源，保持兩側(cè)電源斷開(kāi)，再閉合應(yīng)急電源,實(shí)現(xiàn)由常用電源向應(yīng)急電源切換。當(dāng)常用電源恢復(fù)正常(電壓、頻率滿足可用條件時(shí)，電壓下限值〈測(cè)量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測(cè)量頻率 < 頻率上限值),經(jīng)0~30min可調(diào)延時(shí)常用電源保持滿足可用條件，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)裝置斷開(kāi)應(yīng)急電源，保持兩側(cè)電源斷開(kāi)，再閉合常用電源，實(shí)現(xiàn)由應(yīng)急電源向常用電源切換。

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中必須考慮到由于電源切換在中壓母線上進(jìn)行，同一段母線上有多路負(fù)載，負(fù)載總?cè)萘枯^大，切換裝置直接帶全部負(fù)載進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換時(shí)導(dǎo)致應(yīng)急電源輸出電壓電流波動(dòng)。應(yīng)在投入備用電源后，逐步合閘各負(fù)載出線開(kāi)關(guān)，使柴發(fā)系統(tǒng)的負(fù)載逐步增加。同時(shí)，在退出備用電源前，逐次分閘各路負(fù)載出線開(kāi)關(guān)，使柴發(fā)系統(tǒng)的負(fù)載逐步減少。

逐步投切是保證備用電源可靠投入，確保了數(shù)據(jù)中心的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。油機(jī)系統(tǒng)本身是以柴油機(jī)為原動(dòng)力，輸出容量有限，數(shù)據(jù)中心都是采用的油機(jī)并機(jī)方式，油機(jī)啟動(dòng)時(shí)處于空載狀態(tài)，從空載到帶負(fù)載運(yùn)行再到100%的滿功率運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率需要逐步增加。切換裝置的油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)合閘以后，若未采取逐步加載，而是所有負(fù)載同時(shí)投入，會(huì)造成油機(jī)突加負(fù)載，引起輸出電壓和頻率大幅波動(dòng)，引起后備電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定，最終無(wú)法保證數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行。另一方面，在市電電源恢復(fù)正常后，若是直接切換到市電電源，所有負(fù)載直接從后備電源中切除，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性產(chǎn)生過(guò)電壓，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)繞組絕緣層擊穿、轉(zhuǎn)速高速上升，產(chǎn)生巨大的離心力，造成設(shè)備和維護(hù)人員的傷害以及不可彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)損失。

綜上所述，配置控制器型切換裝置，電源切換過(guò)程中對(duì)母線各負(fù)載出線進(jìn)行逐步投切控制，柴發(fā)系統(tǒng)帶載時(shí)逐步增加或減少系統(tǒng)負(fù)載，能保證柴發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。在此基礎(chǔ)上,設(shè)置各個(gè)系統(tǒng)間合理的切換邏輯參數(shù)和斷路器整定時(shí)間，確保主用和備用電源之間切換的平穩(wěn)過(guò)渡,從而確保數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。詳見(jiàn)表4。

(2)主備用電源自動(dòng)切換的應(yīng)用

以1#數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)為例，介紹主備用電源自動(dòng)切換在系統(tǒng)中的應(yīng)用。

① 一路市電停電

1#數(shù)據(jù)中心高壓室10kVⅠ段市電電源失電，市電優(yōu)先原則，通過(guò)上下級(jí)延遲時(shí)間設(shè)定，10kV供電系統(tǒng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘聯(lián)絡(luò)供電，由另一路市電電源承擔(dān)所有負(fù)載。具體操作步驟為：A1高壓室10kV市電A1進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘，經(jīng)延遲2.1s自動(dòng)合閘A1/B1段母聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)供電。

② 兩路市電停電

當(dāng)供電系統(tǒng)檢測(cè)到兩路市電A1和B1電源均停電時(shí)，分閘市電B1的進(jìn)線開(kāi)關(guān)延遲2s后分閘A1/B1段的母聯(lián)開(kāi)關(guān)，解除聯(lián)絡(luò)供電方式。之后延遲2s且每間隔2s逐步分閘A和B段母線上全部配變出線開(kāi)關(guān)。此過(guò)程的總時(shí)長(zhǎng)為10s 。

B1中壓10kV市電B1電源失電、延遲10s (即市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)、所有配變出線開(kāi)關(guān)已分閘)后，中壓ATS開(kāi)關(guān)隨即發(fā)出柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)，柴發(fā)控制屏接收到該啟動(dòng)信號(hào)后，柴油發(fā)電機(jī)組延時(shí)20s啟動(dòng)，在此期間內(nèi)柴發(fā)機(jī)房的進(jìn)排風(fēng)電動(dòng)百葉窗接收到信號(hào)后立即自動(dòng)開(kāi)啟百葉，同時(shí)供油系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。待柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后,第一臺(tái)輸出機(jī)組作為主機(jī)，同時(shí)控制屏發(fā)出油機(jī)系統(tǒng)輸出開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)，其余另外4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組追蹤第一臺(tái)的電壓、相位、頻率等參數(shù)，直至5臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的并機(jī)就緒。

隨后，ATS系統(tǒng)延遲2s 同時(shí)給出1# ( A1段)油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)和2# ( B1段)油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)，1# ( A1段)油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)和2# ( B1段)油機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)合閘；延遲2s ,同時(shí)合閘A1段和B1段各第一臺(tái)配變出線開(kāi)關(guān)，間隔2s逐步合閘A1和B1段母線上的所有配變出線開(kāi)關(guān)。合閘A1和B1段母線上的所有出線開(kāi)關(guān)時(shí)間總長(zhǎng)8s ，至此，完成了后備電源的全部加載。

整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組后備電源由啟動(dòng)至完成正常輸出轉(zhuǎn)矩和功率的時(shí)間在60~90s內(nèi)完成。在此期間，重要IT負(fù)載由蓄電池組進(jìn)行供電。

③任一路市電恢復(fù)

A1高壓室10kV市電A1電源恢復(fù)正常時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力值班人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)ATS控制系統(tǒng)進(jìn)行市電A1恢復(fù)確認(rèn)，確認(rèn)之后ATS延遲4s發(fā)出信號(hào)，（在此期間存在供電局上級(jí)電業(yè)站市電恢復(fù)不穩(wěn)定、閃斷的情況，故人工確認(rèn)后再延遲4s ) 分閘A1和B1段各第一臺(tái)變壓器出線開(kāi)關(guān)，并逐步每間隔2s逐級(jí)分閘A1和B1段母線上的所有配變出線開(kāi)關(guān)，直至分閘所有的配變出線開(kāi)關(guān)，這個(gè)過(guò)程時(shí)間總長(zhǎng)10s。之后,再延遲2s發(fā)出1# (A1段）柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)分閘信號(hào)，使其分閘。

隨后，系統(tǒng)延遲2s ,合閘市電A1電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)恢復(fù)供A1母線段負(fù)荷。延遲2s，合閘A1/B1段母聯(lián)開(kāi)關(guān)聯(lián)絡(luò)供電。再延遲2s ，同時(shí)合閘A1段和B1段第一臺(tái)的配變出線開(kāi)關(guān)，并且每間隔2s逐步合閘A1和B1段母線上的全部配變出線開(kāi)關(guān)，直至恢復(fù)所有數(shù)據(jù)中心負(fù)載的市電供電狀態(tài)。

最后，市電供電正常后，系統(tǒng)延遲26s , ATS向柴油發(fā)電機(jī)組的控制屏發(fā)出撤出油機(jī)投運(yùn)的信號(hào)。油機(jī)控制系統(tǒng)延遲300s停機(jī)，同時(shí)供油系統(tǒng)關(guān)閉，由于柴發(fā)機(jī)房熱量較高，故采取適當(dāng)通風(fēng)和散熱措施后，電動(dòng)百葉窗人工關(guān)閉。至此，后備電源系統(tǒng)全部撤出。

④兩路市電均恢復(fù)

檢查10kV市電B1電源進(jìn)線柜上B1電源線路三相電壓均正常、確定10kV市電B1電源已恢復(fù)。人工手動(dòng)分閘A1/B1段母聯(lián)開(kāi)關(guān)解除聯(lián)絡(luò)供電，合閘10kV市電B1電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)恢復(fù)供B1段負(fù)荷。

3 結(jié)束語(yǔ)

上海某數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的安全、可靠的運(yùn)行極為重要，為了滿足負(fù)載的相關(guān)特性，主備用電源之間的自動(dòng)切換應(yīng)用就是隨著數(shù)據(jù)中心的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的技術(shù)，隨著日益增長(zhǎng)的供電自動(dòng)化、智能化的要求，它的應(yīng)用和推廣必將提高數(shù)據(jù)中心乃至電廠、機(jī)場(chǎng)港口、大型市政配套建筑等整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)的供電系統(tǒng)的可靠性。

審核編輯：湯梓紅