數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主備用電源自動切換探究

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)中心機房和1-2#兩棟油機房、1-2#兩棟維護支撐用房、一棟傳輸機房樓及一棟變電站，裝機機架數(shù)8743個。一期各建筑用房建設(shè)情況及建設(shè)規(guī)模見表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)簡介

(1)負載的組成和特點

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

表2 1#數(shù)據(jù)中心負荷匯總表

以上負載的特點如下：

①容量大，地位重要

每個數(shù)據(jù)中心的用電負載在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)丟失在社會或經(jīng)濟上造成的損失或影響程度級別，按照GB 50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范，將數(shù)據(jù)中心分為A 、B 、C三級。其中，上述提到的數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備、空調(diào)、動力等均為特別重要負荷，即一級負荷，占比最大，可達80%以上,供電方式需由兩個獨立的電源供電,可為兩個市政電源供電或一個市政電源、一個自備電源(柴油發(fā)電機或電池組)，其余少量負載為2級和3級負荷。

② 非線性

數(shù)據(jù)中心包含了大量非線性負載，例如UPS設(shè)備、變頻冷機、水泵和熒光燈照明等。而非線性負載容易產(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，同時對啟動轉(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，單機柜功耗作為衡量數(shù)據(jù)中心負荷水平的重要指標之一。幾年前，數(shù)據(jù)中心單機柜的用電功率通常在2kW ，而到了當今的高密度運算環(huán)境下，設(shè)備的功率密度指數(shù)級增大，一個機柜的用電功率可達10~15kW ，故對用電和冷卻設(shè)備的要求越來越高。

(2)供配電系統(tǒng)簡介

供配電系統(tǒng)是整個數(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)備負責的整個鏈路，主要包括中壓低壓變配電設(shè)備、UPS 、柴油發(fā)電機組、蓄電池組、機柜配電等。為了確保IT設(shè)備的可靠和穩(wěn)定持續(xù)運行，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圖1。

圖1 上海某數(shù)據(jù)中心供配電主接線圖

本項目各數(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 ，供電等級為一級。

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)電機組，每個數(shù)據(jù)中心機房各對應(yīng)設(shè)置1套10kV高壓油機并機供電系統(tǒng)。

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

數(shù)據(jù)中心機房每臺變壓器均對應(yīng)配置1套低壓供電系統(tǒng)，互為主備運行及相鄰的低壓供電系統(tǒng)之間采用分段運行，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

變配電及發(fā)電機組供電系統(tǒng)及設(shè)備配置詳見表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)的負載為IT設(shè)備所需的48V 、336HVDC 、UPS 系統(tǒng)，空調(diào)、動力照明、消防等。

2 外市電/備用電源的切換

首先，數(shù)據(jù)中心平時兩路10kV市電電源同時運行各承擔50%負載，互為主備。當其中任意一路市電電源停電檢修或故障時，由另一路電源承擔100%負載。當兩路電源同時失電時系統(tǒng)自動啟動油機電源承擔全部負載(即僅一路市電電源失電的情況下，不啟動油機)。當任意一路市電電源恢復(fù)后，系統(tǒng)自動切換至市電電源，油機停機。

市電進線斷路器、油機進線斷路器以及母聯(lián)斷路器間采用可靠的電氣閉鎖裝置。實現(xiàn)市電與油機電源的自動切換，防止油機電源反送電，對電網(wǎng)造成沖擊。

每個數(shù)據(jù)中心機房按終期用電負荷需求，各設(shè)置10臺2000kW高壓發(fā)電機組多臺并機，市電電源和油機電源的雙電源切換在10kV側(cè)進行，采用10kV中壓ATS自動系統(tǒng)。

根據(jù)之前介紹的，數(shù)據(jù)中心的負載非線性、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)中心的安全運行和保障。

(1)主備用電源自動切換的簡介

數(shù)據(jù)中心采用的為中壓電源級控制器型切換方案,詳見圖2。

圖2 上海某數(shù)據(jù)中心采用的中壓電源級控制器型切換方案

圖2中，MDS9MVC中壓自動轉(zhuǎn)換開關(guān)由控制系統(tǒng)、常用電源柜、應(yīng)急電源柜組成。開關(guān)元件由兩個聯(lián)鎖的真空斷路器構(gòu)成，互鎖裝置保證了在任意時間僅有一組觸頭能夠閉合。其功能為：當常用電源的任意線電壓低于正常電壓的85%或超過正常電壓的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)電機啟動命令接通發(fā)電機啟動電路，當發(fā)電機的電壓、頻率滿足可用條件時(電壓下限值〈測量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測量頻率< 頻率上限值)，發(fā)電機電源送至轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置的應(yīng)急電源側(cè)，經(jīng)穩(wěn)定延時，斷開常用電源，保持兩側(cè)電源斷開，再閉合應(yīng)急電源,實現(xiàn)由常用電源向應(yīng)急電源切換。當常用電源恢復(fù)正常(電壓、頻率滿足可用條件時，電壓下限值〈測量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測量頻率 < 頻率上限值),經(jīng)0~30min可調(diào)延時常用電源保持滿足可用條件，轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置斷開應(yīng)急電源，保持兩側(cè)電源斷開，再閉合常用電源，實現(xiàn)由應(yīng)急電源向常用電源切換。

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

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)定運行。油機系統(tǒng)本身是以柴油機為原動力，輸出容量有限，數(shù)據(jù)中心都是采用的油機并機方式，油機啟動時處于空載狀態(tài)，從空載到帶負載運行再到100%的滿功率運行，發(fā)動機輸出功率需要逐步增加。切換裝置的油機進線開關(guān)合閘以后，若未采取逐步加載，而是所有負載同時投入，會造成油機突加負載，引起輸出電壓和頻率大幅波動，引起后備電源系統(tǒng)的不穩(wěn)定，最終無法保證數(shù)據(jù)中心的安全運行。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)生過電壓，會導(dǎo)致發(fā)電機繞組絕緣層擊穿、轉(zhuǎn)速高速上升，產(chǎn)生巨大的離心力，造成設(shè)備和維護人員的傷害以及不可彌補的經(jīng)濟損失。

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

(2)主備用電源自動切換的應(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，通過上下級延遲時間設(shè)定，10kV供電系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)自動合閘聯(lián)絡(luò)供電，由另一路市電電源承擔所有負載。具體操作步驟為：A1高壓室10kV市電A1進線開關(guān)跳閘，經(jīng)延遲2.1s自動合閘A1/B1段母聯(lián)開關(guān)進行聯(lián)絡(luò)供電。

② 兩路市電停電

當供電系統(tǒng)檢測到兩路市電A1和B1電源均停電時，分閘市電B1的進線開關(guān)延遲2s后分閘A1/B1段的母聯(lián)開關(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關(guān)。此過程的總時長為10s 。

B1中壓10kV市電B1電源失電、延遲10s (即市電進線開關(guān)、母聯(lián)開關(guān)、所有配變出線開關(guān)已分閘)后，中壓ATS開關(guān)隨即發(fā)出柴油發(fā)電機組啟動信號，柴發(fā)控制屏接收到該啟動信號后，柴油發(fā)電機組延時20s啟動，在此期間內(nèi)柴發(fā)機房的進排風(fēng)電動百葉窗接收到信號后立即自動開啟百葉，同時供油系統(tǒng)自動啟動。待柴油發(fā)電機啟動后,第一臺輸出機組作為主機，同時控制屏發(fā)出油機系統(tǒng)輸出開關(guān)合閘信號，其余另外4臺柴油發(fā)電機組追蹤第一臺的電壓、相位、頻率等參數(shù)，直至5臺柴油發(fā)電機組的并機就緒。

隨后，ATS系統(tǒng)延遲2s 同時給出1# ( A1段)油機進線開關(guān)合閘信號和2# ( B1段)油機進線開關(guān)合閘信號，1# ( A1段)油機進線開關(guān)合閘信號和2# ( B1段)油機進線開關(guān)合閘；延遲2s ,同時合閘A1段和B1段各第一臺配變出線開關(guān)，間隔2s逐步合閘A1和B1段母線上的所有配變出線開關(guān)。合閘A1和B1段母線上的所有出線開關(guān)時間總長8s ，至此，完成了后備電源的全部加載。

整個柴油發(fā)電機組后備電源由啟動至完成正常輸出轉(zhuǎn)矩和功率的時間在60~90s內(nèi)完成。在此期間，重要IT負載由蓄電池組進行供電。

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，由現(xiàn)場動力值班人員現(xiàn)場對ATS控制系統(tǒng)進行市電A1恢復(fù)確認，確認之后ATS延遲4s發(fā)出信號，（在此期間存在供電局上級電業(yè)站市電恢復(fù)不穩(wěn)定、閃斷的情況，故人工確認后再延遲4s ) 分閘A1和B1段各第一臺變壓器出線開關(guān)，并逐步每間隔2s逐級分閘A1和B1段母線上的所有配變出線開關(guān)，直至分閘所有的配變出線開關(guān)，這個過程時間總長10s。之后,再延遲2s發(fā)出1# (A1段）柴油發(fā)電機進線開關(guān)分閘信號，使其分閘。

隨后，系統(tǒng)延遲2s ,合閘市電A1電源進線開關(guān)恢復(fù)供A1母線段負荷。延遲2s，合閘A1/B1段母聯(lián)開關(guān)聯(lián)絡(luò)供電。再延遲2s ，同時合閘A1段和B1段第一臺的配變出線開關(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關(guān)，直至恢復(fù)所有數(shù)據(jù)中心負載的市電供電狀態(tài)。

最后，市電供電正常后，系統(tǒng)延遲26s , ATS向柴油發(fā)電機組的控制屏發(fā)出撤出油機投運的信號。油機控制系統(tǒng)延遲300s停機，同時供油系統(tǒng)關(guān)閉，由于柴發(fā)機房熱量較高，故采取適當通風(fēng)和散熱措施后，電動百葉窗人工關(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)。人工手動分閘A1/B1段母聯(lián)開關(guān)解除聯(lián)絡(luò)供電，合閘10kV市電B1電源進線開關(guān)恢復(fù)供B1段負荷。

3 結(jié)束語

上海某數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的安全、可靠的運行極為重要，為了滿足負載的相關(guān)特性，主備用電源之間的自動切換應(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)，隨著日益增長的供電自動化、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、機場港口、大型市政配套建筑等整個國民經(jīng)濟重要行業(yè)的供電系統(tǒng)的可靠性。

審核編輯：湯梓紅