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康明斯柴油發(fā)電機應急供電的優(yōu)化方案 |
摘要：隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心以市電加后備柴油發(fā)電機的供電保障模式作為主流方案，故對于后備保障的柴油發(fā)電機需求與日俱增，同時隨著機架密度和設備單體功耗的提升，對于后備柴油發(fā)電機的容量需求也在不斷提升。柴油發(fā)電機組是數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的重要組成部分，對于保障系統(tǒng)安全可靠運行極為關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面為滿足日益提高的能效要求需要精簡配置以提升配電效率。因此，柴油發(fā)電機組的優(yōu)化方案對于提高系統(tǒng)運行可靠性和節(jié)能減排能力至關(guān)重要。康明斯公司在本文結(jié)合多站融合工程的特點，對康明斯柴油發(fā)電機組成的配電系統(tǒng)提出針對性優(yōu)化建議。
一、影響配置柴油發(fā)電機的因素
1、地理位置的影響
對于數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組配置往往受到數(shù)據(jù)中心的選址地點和空間等因素影響：以GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》中A級機房舉例，距離停車場不應小于20米，鐵路或者高速公路的距離不應小于800米，距離地鐵不宜小于100米，距離飛機場不宜小于8000米，距離住宅不宜小于100米等要求，以及不宜設置在可能發(fā)生洪水和地質(zhì)災害的地方，需要不少于2條到達火車站飛機場的交通道路，從而決定了數(shù)據(jù)中心不宜建設在人口密度較大的市中心位置；根據(jù)現(xiàn)有市場用戶對于大帶寬低延時的需求，數(shù)據(jù)中心往往會貼近業(yè)務用戶更近的地方，比如開發(fā)區(qū)和商貿(mào)區(qū)等工商業(yè)區(qū)域附近；用戶維護人員輻射范圍距離有限，附近生活基礎配套設施健全；數(shù)據(jù)中心周邊的電力資源和水資源等可用于數(shù)據(jù)中心的資源分布情況以及柴油發(fā)電機后備補油的供應商距離。
綜上所述，數(shù)據(jù)中心理想的建設地點應在市區(qū)周邊電力資源豐富的區(qū)域；而市區(qū)周邊又因其地理位置局限性和電力資源有限等因素導致數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模不會太大；在追求高產(chǎn)出機架的情況下，數(shù)據(jù)中心在有限空間的內(nèi)建設柴油發(fā)電機組和配套電源等基礎設施難度很大，機架會直接擠占柴油發(fā)電機組及電源系統(tǒng)的空間，并且為了提高單機架功耗，數(shù)據(jù)中心的設計建設方案會在有限空間內(nèi)提升電源功率密度的同時，也要提升柴油發(fā)電機組的功率密度。
2、高低壓變配電系統(tǒng)配置影響
通常數(shù)據(jù)中心高低壓系統(tǒng)依據(jù)國家電網(wǎng)變電的建設模式，分為高壓、中壓、低壓三級變電降壓模式，又根據(jù)數(shù)據(jù)中心所在地點和規(guī)模采用對應的變配電模式進行高中低壓系統(tǒng)配置，因此常見配置如下：
① 中低壓系統(tǒng)采用市電引入中壓10kV，通過降壓系統(tǒng)變?yōu)?.4kV，在0.4kV系統(tǒng)接入低壓柴油發(fā)電機的配置方案。
② 高低壓系統(tǒng)采用市電引入高壓35kV及以上電壓等級，通過降壓系統(tǒng)變?yōu)?.4kV，在0.4kV 系統(tǒng)接入低壓柴油發(fā)電機的配置方案。
③ 高低壓系統(tǒng)采用市電引入高壓35kV及以上電壓等級，通過降壓系統(tǒng)變?yōu)?.4kV，在10kV 系統(tǒng)接入中壓柴油發(fā)電機的配置方案。
3、不間斷電源的影響
現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心配備的不間斷電源一般分為交流UPS系統(tǒng)和高壓直流系統(tǒng)兩種解決方案。
通常現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心采用UPS不間斷電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機系統(tǒng)進行的匹配關(guān)系。發(fā)電機組的等級配置，根據(jù)GB/T2820.1中將發(fā)電機組的性能分為G1、G2、G3、G4，由于發(fā)電機組的輸出頻率、電壓和波形對數(shù)據(jù)中心供電穩(wěn)定性影響較大，故要求數(shù)據(jù)中心所配備的發(fā)電機組性能不能低于G3級。A級數(shù)據(jù)中心對發(fā)電機組的基本要求是要能連續(xù)和不限時運行，故配備發(fā)電機組時就要求其最大平均負荷，要按需要系數(shù)法對通信數(shù)據(jù)設備、制冷設備系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心所必須的配套設施等容量進行負荷計算得出的數(shù)值。在計算發(fā)電機組的輸出功率時，還需考慮負載產(chǎn)生諧波對發(fā)電機組的影響。GB 51194-2016通信電源設備安裝工程設計規(guī)范內(nèi)規(guī)定，對于交流不間斷設備即UPS系統(tǒng)，確定其需要發(fā)電機組保證的功率時應根據(jù)其輸入電流諧波含量的大小確定，當輸入電流諧波含量在5%~15%時，其需要的發(fā)電機組保障功率按UPS容量的1.5~2倍計算。不間斷電源系統(tǒng)和通信數(shù)據(jù)設備的計算負荷公式為E≥ 1.2P，式中E—不間斷電源系統(tǒng)的基本容量（不包含備份不間斷電源系統(tǒng)設備）（kW/kVA）；P—電子信息設備的計算負荷（kW/kVA）。
4、柴油發(fā)電機容量的限制
數(shù)據(jù)中心采用的柴油發(fā)電機分為低壓柴油發(fā)電機和中壓柴油發(fā)電機，低壓柴油發(fā)電機指通過機組輸出電壓400V的發(fā)電機，通常單機容量最大在2000kW；中壓柴油發(fā)電機指通過機組輸出電壓10KV的發(fā)電機，通常單機容量2000kW。但中壓柴油發(fā)電機因其相同功耗的情況下，電壓高電流小，故可以集群化并機。而低壓柴油發(fā)電機存在電壓低電流大，并機難度大。
以上的因素直接影響了數(shù)據(jù)中心配置柴油發(fā)電機組后備容量，而單體柴油發(fā)電機是無法滿足高功耗數(shù)據(jù)中心的后備需求，故需要發(fā)電機集群來滿足，但從構(gòu)架上看柴油發(fā)電機集群需要柴油發(fā)電機具有并機能力，通常數(shù)據(jù)中心配置的柴油發(fā)電機并機以中壓柴油發(fā)電機為主，數(shù)據(jù)中心低壓柴油發(fā)電機并機的案例鮮見。
二、低壓柴發(fā)機組供電方案
數(shù)據(jù)中心的供電構(gòu)架和柴油發(fā)電機的選擇該數(shù)據(jù)中心供電構(gòu)架為高壓35kV直接變電0.4kV系統(tǒng)，并且系統(tǒng)無10kV中壓降壓過程，故無法配置中壓柴油發(fā)電機，只能在低壓側(cè)安裝低壓發(fā)電機作為后備保障。典型案例如圖1所示，并聯(lián)方案系統(tǒng)如圖2所示。
1、柴油發(fā)電機容量需求分析
該數(shù)據(jù)中心受到市電容量和空間因素影響，僅可安裝2500kVA的變壓器及其配電系統(tǒng)滿足大機電和IT用電所需。而為了滿足IT的業(yè)務需求配置2N變配電系統(tǒng)，大機電則因空間不足配置N+1變配電系統(tǒng)。又因空間不足導致柴油發(fā)電機和變配電系統(tǒng)配置為1比1配置。
根據(jù)變配電系統(tǒng)的容量，以及滿足業(yè)務需求的不間斷電源和柴油發(fā)電機配置原則，推算出IT業(yè)務對應每套低壓系統(tǒng)后備容量需求達3200kVA以上，而現(xiàn)有可采購最大容量低壓柴油發(fā)電機為2000kW。已無法滿足IT業(yè)務的容量需求。
2、解決方案
通過對該數(shù)據(jù)中心可用空間和變配電系統(tǒng)的綜合分析，為了滿足IT業(yè)務的容量需求，只可采用低壓柴油發(fā)電機并機方案。
① 針對IT業(yè)務的變配電系統(tǒng)進行1比1的低壓柴油發(fā)電機配置。
② 在低壓柴油發(fā)電機的附近配置并機柜，將滿足IT業(yè)務的2N系統(tǒng)低壓柴油發(fā)電機，根據(jù)各自2N系統(tǒng)內(nèi)所配置的2臺低壓柴油發(fā)電機，進行系統(tǒng)內(nèi)1對1的并機。
③ 考慮到低壓柴油發(fā)電機并機的大電流問題，在并機柜內(nèi)采用大電流載流量母線的同時加入散熱處理，從而有效地降低瞬間大電流導致的母線溫升問題。同時配置電流監(jiān)測系統(tǒng)對母線進行保護。
④ 低壓系統(tǒng)并機的相位角問題，則由安裝的并機系統(tǒng)自動矯正比對進行處理。
⑤ 考慮低壓柴油發(fā)電機的并機同步性，將低壓柴油發(fā)電機的控制納入變配電系統(tǒng)自動控制流程內(nèi)，并由數(shù)據(jù)中心ECC的監(jiān)控系統(tǒng)可視查看，實現(xiàn)IT業(yè)務的低壓柴油發(fā)電機同步啟停自動并機。
3、方案特點
① 該解決方案因地制宜。通常數(shù)據(jù)中心采用10kV市電引入降壓至0.4kV，或者110kV和35KV市電引入通過10kV降壓再降至0.4kV。但35kV直接降至0.4kV情況較少。
② 由于變配電系統(tǒng)構(gòu)架內(nèi)已無10kV電壓等級，所以無法采用安裝中壓柴油發(fā)電機并機的解決方案。
③ 為了提升數(shù)據(jù)中心單機柜功耗，導致IT業(yè)務用電受數(shù)據(jù)中心空間和不間斷電源配置影響，無法最大化使用變配電系統(tǒng)供電能力，致使單臺柴油發(fā)電機能力供給不足，而并機后能力有所冗余。
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圖1 室外型低壓柴油發(fā)電機組典型案例 |
圖2 低壓柴油發(fā)電機組并聯(lián)方案系統(tǒng)圖 |
三、中壓柴發(fā)機組供電方案
1、數(shù)據(jù)機房分級
對于適用于中壓柴油發(fā)電機組的數(shù)據(jù)中心，應按照GB 50174—2017標準的要求，在不同的場所、機構(gòu)根據(jù)其性質(zhì)、重要性以及網(wǎng)絡中斷后造成的損失和社會影響將數(shù)據(jù)中心分成三個等級，即A、B、C 級，分別為容錯型、冗余型、基本型。具體的數(shù)據(jù)中心機房分級標準及技術(shù)要求見表1。
表1 數(shù)據(jù)中心機房分級標準及技術(shù)要求
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分級
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A級
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B級
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C級
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系統(tǒng)性能
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雙系統(tǒng)容錯
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井行維護
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基本型
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系統(tǒng)供電電源
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應為雙重電源
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宜為雙重電漂
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兩回電源
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機柜供電電源
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2路電源
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2路電源
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2路電源
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變壓器冗余
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2N
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N+1
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N
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UPS冗余及后各電池時間
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2N，15min
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N+1，7min
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N，按需
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柴油發(fā)電機冗余及儲油量
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N+X，12h
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當僅有1路供電電源時配置
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UPS供電時間滿足要求時可不配置
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A級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)要求最高，需按雙系統(tǒng)容錯設計，不具備第三路電源供電條件時應配置柴油發(fā)電機作為備用電源。B級和C級數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一般不需要配置柴油發(fā)電機，且對變壓器、柴油發(fā)電機組（uninterruptible power supply, UPS）及后備電池的配置要求也低于A級數(shù)據(jù)中心。
2、數(shù)據(jù)中心中壓配電方案
說到數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)，就不得不談系統(tǒng)架構(gòu)，關(guān)于數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)，GB50174 - 2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》在附錄“電氣”中規(guī)定：A級數(shù)據(jù)中心應滿足容錯要求，可采用2N系統(tǒng)，也可采用其他避免單點故障的系統(tǒng)配置。A級數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要有3種架構(gòu)：2N、DR、RR。
（1）2N系統(tǒng)
由兩個供配電單元組成，每個單元均能滿足全部負載的用電需要，兩個單元同時工作，互為備用。正常運行時，每個單元向負載提供50 % 的電能，當一個單元故障停止運行時，另一個單元向負載提供100 % 的電能。這種多電源系統(tǒng)冗余的供電方式，克服單電源系統(tǒng)存在的單點故障瓶頸，增加了供電系統(tǒng)可靠性。
A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)如圖3所示，A級數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用“2N”架構(gòu)，中、低壓配電柜、變壓器、UPS和列頭柜均采用雙套容錯配置，另配置中壓柴油發(fā)電機作為后備電源。2N配置，滿足GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》中A級機房要求；滿足《UPTIME》中T4等級機房要求；滿足《TIA942》中T4等級機房要求。
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圖3 柴發(fā)與數(shù)據(jù)中心中壓配電系統(tǒng)連接圖 |
圖4 2N配電系統(tǒng)線路圖（數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組） |
其特點：2N配置，設備占用空間多，日常運行效率低，初始投資多，操作維護簡單。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。
（2） DR系統(tǒng)
DR是Distribution Redundancy的簡稱，意思是分布冗余。由N（N≥3）個配置相同的供配電單元組成，N個單元同時工作。將負載均分為N組，每個供配電單元為本組負載和相鄰負載供電，形成“手拉手”供電方式。正常運行情況下，每個供配電單元的負荷率為66%。當一個供配電系統(tǒng)發(fā)生故障，其對應負載由相鄰供配電單元繼續(xù)供電。
DR配置應滿足《UPTIME》中T4等級機房要求。但國家GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》和《TIA942》未提及這種配置。其特點：DR配置，設備占用空間少，日常運行效率較高，初始投資少，操作維護較復雜，電纜路徑的物理隔離較困難。優(yōu)點是運行效率高，節(jié)約投資。
（3）RR系統(tǒng)
RR是Reserve Redundancy的簡稱，意思是后備冗余。由多個供配電單元組成，其中一個單元作為其它運行單元的備用。當一個運行單元發(fā)生故障，通過電源切換裝置，備用柴油發(fā)電機組繼續(xù)為負載供電。
RR配置應滿足《UPTIME》中T4等級機房要求。但國家GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》和《TIA942》未提及這種配置。其特點：RR配置，設備占用空間較多，日常運行效率較高，初始投資較多，操作維護復雜，需要大量的STS。優(yōu)點是投資較少，效率較高。
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DR分布冗余供配電系統(tǒng) |
RR后備冗余供配電系統(tǒng) |
3、配電系統(tǒng)優(yōu)化措施
數(shù)據(jù)中心常規(guī)配電系統(tǒng)采用UPS實現(xiàn)電子信息設備的供電。根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》第3.2.2條，A級數(shù)據(jù)中心同時滿足下列要求時，電子信息設備的供電可采用柴油發(fā)電機組系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電方式。
（1）設備或線路維護時，應保證電子信息設備正常運行。
（2）市電直接供電的電源質(zhì)量應滿足電子信息設備正常運行的要求。
（3）市電接入處的功率因數(shù)應符合當?shù)毓╇姴块T的要求。
（4）柴油發(fā)電機系統(tǒng)應能夠承受容性負載的影響。
（5）向公用電網(wǎng)注入的諧波電流分量不應超過現(xiàn)行國家標準GB/T 14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的諧波電流允許值。
總結(jié)：
由于多站融合工程數(shù)據(jù)中心靠近變電站布置，數(shù)據(jù)中心的電源一般來自就近變電站的中壓饋線，其電能質(zhì)量、功率因數(shù)、諧波分量通常能夠滿足上述要求，因此具備采用柴油發(fā)電機組系統(tǒng)和市電電源系統(tǒng)相結(jié)合的供電條件。該解決方案作為數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組配置方案的典型案例，具備其特定環(huán)境條件下，解決數(shù)據(jù)中心后備供電的新思路、新方法。同時體現(xiàn)出受環(huán)境和業(yè)務發(fā)展因素影響的數(shù)據(jù)中心，因地制宜匹配大機電系統(tǒng)建設的靈活性和可塑性。
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