浅谈10kV发电机组在大型数据中心的应用

【摘要】主要阐述了大型数据中心10kv发电机组在发电机组复用、用电容量与机房密度匹配性、适合远距离供电、大容量并机系统、机房等级多样化、负载挂接灵活等方面的优势，以及根据这些优势建立模型进行针对性的应用分析。

【关键词】10kV发电机组;复用;并机系统;负荷测算;供电方案

一、前言

随着我国经济的飞速发展，许多行业在数据存储和处理等方面都呈现出高速增长态势，所以使得近年来大型数据中心建设“风生水起”的局面。大型数据中心的定义已经从以前的几千平方米以上规模，发展到了目前的几万平方米，甚至几十万平方米的规模。然而大型数据中心的耗电量惊人，甚至超过一个城市的用电规模。2013年1月工业和信息化部联合国家发展改革委、国土资源部、电监会、能源局了《关于数据中心建设布局的指导意见》，绿色、环保、节能越来越成为大型数据中心的主题，为保障数据中心的供电可靠性，同时兼顾绿色、环保、节能的主题，鉴于10kV高压发电机组的优势，使得其在大型数据中心园区的应用变得越来越迫切。

二、10kV发电机组的应用优势

（一）发电机组复用

传统方式每幢数据机楼配置相应400V低压发电机组，平时市电正常时发电机组都闲置着，使用率极低，不使用时犹如一堆堆“废铜烂铁”，对机楼空间占用、投资都是浪费。而大型数据中心园区内一般单体数据机楼较多，总体用电量大，采用10kV高压发电机组后可以统一设置动力中心（内含10kV高压发电机组、发电机组并机系统、10kV高压发电机组与10kV市电切换及输出配电系统）。采用1：N（N≥2）的比例（即只需配置1/N的发电机组数量）进行复用，将1个后备供电单元（10kV高压发电机组群）作为N个用电单元的后备电源。通过复用，实现供电保障范围最大化，当任意1个用电单元市电发生中断时，后备供电单元（10kV高压发电机组群）对此用电单元进行保障供电。以此提高发电机组利用率，实现资源的动态调配和共享，提高效益的同时大大降低土建及设备的建设成本，也符合绿色、环保及节能的主题。

（二）用电容量与机房密度匹配性

受限于传统400V低压发电机组一定的装机容量（发电机组机房在机楼建设初期的规划容量一定，加上安装场地、机房进排风等因素的制约），由于数据中心IT设备负载的不确定性，负载密度跨度大（单机架功耗从低密设备4.5kW/架以内、中密设备4.5-7.5kW/架、高密设备7.5kW/架以上），数据中心供电设备安装区域与IT机房区域很难匹配，对于低密设备很容易出现IT机房区域已装满而供电机房空间及供电容量有剩余，对于高密设备很容易出现供电机房空间及供电容量已满而IT机房空间空余较多的情况。随着10kV高压发电机组在大型数据中心的应用，发电机组容量将不再受限（集中设置动力中心），可以在机楼内划定一块区域设置成机动区域，根据IT设备功耗来决定是否为配电区域或者IT设备区域，从而提高灵活性及机房利用率。

（三）适合远距离供电

传统400V低压发电机组由于电压低，相同发电机组容量情况下供电线路上的电流就比较大，所以一般不可能把发电机组设置到离供电负荷较远的距离，这样损耗就比较大，使得发电机组布局必须分散，增加土建和降噪成本，发电机组也难以实现共用共享。采用10kV高压发电机组后，由于供电电压提高25倍，相同发电机组容量情况下供电线路上的电流就是400V发电机组的1/25，就是说相同供电距离时损耗就减少到1/25。同时由于供电电流大大减小，可以采用较小发电机组输出电缆给负载供电，此部分投资也大大减小。因此建议把10kV发电机组集中设置，形成一个动力中心，统一向各个数据机楼应急保障供电。

（四）大容量并机系统

传统400V低压发电机组受公共母排和断路器容量的限制（一般最大电流只能达到6000A左右），发电机组并机数量不会很多，比如2000kW油机并机数量不能超过3台。采用10kV发电机组后，2000kW油机并机数量可以大大增加，十几台甚至二十多台都不成问题。

（五）机房等级多样化

紧跟市场前端需求量身定制“低成本、差异化”机房，电源保障等级及保障比例可与客户灵活协商。对于低端用户，不用发电机组进行后备保障供电，而只需市电保障;对于高端用户在市电断电后采用后备发电机组进行保障供电，这样也间接为10kV高压发电机组复用创造了条件。

（六）负载挂接灵活

传统400V低压发电机组并机容量小，抗负载冲击能力弱，采用10kV高压发电机组集中设置动力中心后并机容量大大提高，发电机组与市电的切换在10kV端就完成，对400V负载影响较小，负载挂接更具灵活性。这样也有利于大型数据中心10kV设备的选用，比如10kV空调冷水机组的应用，其相对于400V低压机组启动电流小，对电网冲击小，可以降低电缆规格，减少线路压降和损耗，减少线缆投资，又节能及环保。

三、10kV发电机组的应用

首先建立一个数据中心模型，如在某大型数据中心，一、二期各建设4个IDC机楼，每个IDC机楼建筑面积8000m2，终期可以安装1400个IT机架（单机架功耗5kW/架），即单个机楼的IT设备功耗为7000kW。

（一）单机楼负荷测算

根据上述模型，通过如下计算可以得出该数据机楼10kV侧功耗需求为10880kW。

表1 机楼负荷测算表

（二）发电机组并机容量测算

根据上表单数据机楼功耗为10880kW，一期4个机楼合计为43520kW，所以建议动力中心一期配置24台2000kW的10kV高压发电机组，提供48000kW（备用）/43200kW（主用）应急保障供电，满足4个机楼所有负荷，等二期4个机楼启用后，按照1：2复用原则给8个数据机楼供电，当然后期再建设4个一样的数据机楼后也可以利用该动力中心按照1：3的复用原则给12个数据机楼应急保障供电。或者也可以再新建1个动力中心，再给后续启用的8个数据机楼应急保障供电，如此类推。

（三）10kV发电机组并机方案

首先，动力中心发电机主要为机房IT负荷、空调、建筑电气等提供应急电源保障容量。发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：

1.发电机组的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率;

2.发电机组的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率;

3.在最大的电动机起动时，发电机组的瞬时电压降不大于15%～20%。

其次，数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。对于高阻抗的发电机组，谐波对发电机组影响更大。由于发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。

因此针对上述模型，建议对10kV高压发电机组以12台作为1个并机组合。当市电中断/故障后，自动启动发电机组并机输出供电，发电机组供电与市电不并网。动力中心建设2个并机模块，分别由2套并机控制系统控制。

为保证响应速度，并机系统同步控制采用准同期方式，系统采用随机并联方式，即系统中任一台首先达到额定输出的机组，都可以先合闸到母线供电，其他机组与该机组同步后再依次合闸供电。

（四）10kV发电机组负载管理

当数据机楼市电中断/故障时，全部10kV发电机组自动并联运行，系统自动分配负载，按下述逻辑实现负载管理。

系统负载管理按N+1模式来控制，全部12台机组（一个并机组合）并联运行1～10分钟（可调）后，如系统全部负载小于单台发电机组额定容量的900%（可调）且持续时间超过1 分钟，则系统自动切除第12台机组，此时全部负载可以只用11台机组带，通过N+1的冗余负载管理设计，来保证供电可靠性;

如负载继续下降至小于单机容量的810%且持续时间超过1分钟，则系统自动切除第11台机组;如负载继续下降至小于单机容量的720%且持续时间超过1分钟，则系统自动切除第10 台机组;如此类推，知道负载继续下降至小于单机容量的90%且持续时间超过1分钟，则系统自动切除第3台机组。系统最小保证两台机组在线运行。

反之，如系统负载增加，至大于单台发电机组额定容量的120%，则系统自动启动第3台机组，并自动同步后合闸，向负载供电;如系统全部负载增加，至大于单机额定容量的240%，则系统自动启动第4台机组，并自动同步后合闸，向负载供电。其他机组的运行以此类推。

系统带载运行中，任一台机组故障，则系统自动报警，同时启动一台冗余机组投入使用。

市电恢复，则全部在线发电机组通过主控柜断开发电机组进线断路器，发电机组自动冷却延时后停机。

上述逻辑控制功能可在现场设定，无需硬件改动，即可灵活扩容。

（五）10kV发电机组供电方案

1.市电与发电机组切换运行模式

市电正常时，各数据机楼10kV配电系统采用单母线分段方式运行，中间设母联开关，两段母线互为备用。10kV市电电源和10kV发电机组电源间设自动切换装置，市电电源失电后，切换装置自动切换，10kV母线由动力中心10kV发电机组并机系统供电。10kV配电系统二段母线的两路10kV市电进线、两路10kV发电机组进线、母联开关之间设电气联锁，不容许任何两路电源并网运行。

图1 10kV发电机组供电方式图

（1）当一路市电中断/故障时，通过自动/手动操作母联开关，由另一路电源负担全部负荷，二个进线与母联开关之间设电气联锁，任何情况下只能有两个开关处在闭合状态。

（2）当两路市电中断/故障时，发电机组快速自启动，并机成功后，向各机楼10kV配电系统两段母线供电。

2.动力中心供电预案

事先应对机楼及机房进行发电机组应急保障供电分级，做好动力中心的应急保障供电预案，一旦一个数据机楼或者多个数据机楼市电中断或故障时，对动力中心的10kV发电机组进行复用供电，或者在复用基础上对部分机楼或部分机房进行限制供电。

（1）当机楼市电中断/故障容量<动力中心发电机组配置容量时，通过动力中心复用，实现所有用电单元全保障供电;

（2）当机楼市电中断/故障容量>动力中心配置发电机组容量时，在复用基础上，需对机楼或机房进行分级，限制部分机楼或部分机房用电，实现重要机楼或重要机房的供电保障。

四、结束语

通过以上对10kV发电机组的粗浅探讨，希望对大家更好地认识10kV发电机组及其在大型数据中心的应用方面有所帮助。

参考文献

[1]工业和信息化部《关于数据中心建设布局的指导意见》2013年1月.

[2]中国电信企业标准《数据中心供电系统配置标准优化导则（征求意见稿）》2014年3月.

[3]中华人民共和国通信行业标准YD/T 502-2007《通信用柴油发电机组》2007年7月.

作者简介：吕洪（1980―），男，2002年毕业于浙江工业大学通信工程本科专业，现供职于华信咨询设计研究院有限公司。