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康明斯柴油发电机应急供电的优化方案 |
摘要：随着通信行业的迅猛发展，现行数据中心以市电加后备柴油发电机的供电保障模式作为主流方案，故对于后备保障的柴油发电机需求与日俱增，同时随着机架密度和设备单体功耗的提升，对于后备柴油发电机的容量需求也在不断提升。柴油发电机组是数据中心配电系统的重要组成部分，对于保障系统安全可靠运行极为关键。数据中心配电系统一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面为满足日益提高的能效要求需要精简配置以提升配电效率。因此，柴油发电机组的优化方案对于提高系统运行可靠性和节能减排能力至关重要。康明斯公司在本文结合多站融合工程的特点，对康明斯柴油发电机组成的配电系统提出针对性优化建议。
一、影响配置柴油发电机的因素
1、地理位置的影响
对于数据中心柴油发电机组配置往往受到数据中心的选址地点和空间等因素影响：以GB50174-2017《数据中心设计规范》中A级机房举例，距离停车场不应小于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，从而决定了数据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，数据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；用户维护人员辐射范围距离有限，附近生活基础配套设施健全；数据中心周边的电力资源和水资源等可用于数据中心的资源分布情况以及柴油发电机后备补油的供应商距离。
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导致数据中心的建设规模不会太大；在追求高产出机架的情况下，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础设施难度很大，机架会直接挤占柴油发电机组及电源系统的空间，并且为了提高单机架功耗，数据中心的设计建设方案会在有限空间内提升电源功率密度的同时，也要提升柴油发电机组的功率密度。
2、高低压变配电系统配置影响
通常数据中心高低压系统依据国家电网变电的建设模式，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用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 中低压系统采用市电引入中压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方案。
② 高低压系统采用市电引入高压35kV及以上电压等级，通过降压系统变为0.4kV，在0.4kV 系统接入低压柴油发电机的配置方案。
③ 高低压系统采用市电引入高压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方案。
3、不间断电源的影响
现有数据中心配备的不间断电源一般分为交流UPS系统和高压直流系统两种解决方案。
通常现有数据中心采用UPS不间断电源系统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，由于发电机组的输出频率、电压和波形对数据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本要求是要能连续和不限时运行，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设备、制冷设备系统、照明系统和数据中心所必须的配套设施等容量进行负荷计算得出的数值。在计算发电机组的输出功率时，还需考虑负载产生谐波对发电机组的影响。GB 51194-2016通信电源设备安装工程设计规范内规定，对于交流不间断设备即UPS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UPS容量的1.5~2倍计算。不间断电源系统和通信数据设备的计算负荷公式为E≥ 1.2P，式中E—不间断电源系统的基本容量（不包含备份不间断电源系统设备）（kW/kVA）；P—电子信息设备的计算负荷（kW/kVA）。
4、柴油发电机容量的限制
数据中心采用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，通常单机容量2000kW。但中压柴油发电机因其相同功耗的情况下，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，并机难度大。
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无法满足高功耗数据中心的后备需求，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机能力，通常数据中心配置的柴油发电机并机以中压柴油发电机为主，数据中心低压柴油发电机并机的案例鲜见。
二、低压柴发机组供电方案
数据中心的供电构架和柴油发电机的选择该数据中心供电构架为高压35kV直接变电0.4kV系统，并且系统无10kV中压降压过程，故无法配置中压柴油发电机，只能在低压侧安装低压发电机作为后备保障。典型案例如图1所示，并联方案系统如图2所示。
1、柴油发电机容量需求分析
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变配电系统，大机电则因空间不足配置N+1变配电系统。又因空间不足导致柴油发电机和变配电系统配置为1比1配置。
根据变配电系统的容量，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业务对应每套低压系统后备容量需求达3200kVA以上，而现有可采购最大容量低压柴油发电机为2000kW。已无法满足IT业务的容量需求。
2、解决方案
通过对该数据中心可用空间和变配电系统的综合分析，为了满足IT业务的容量需求，只可采用低压柴油发电机并机方案。
① 针对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系统低压柴油发电机，根据各自2N系统内所配置的2台低压柴油发电机，进行系统内1对1的并机。
③ 考虑到低压柴油发电机并机的大电流问题，在并机柜内采用大电流载流量母线的同时加入散热处理，从而有效地降低瞬间大电流导致的母线温升问题。同时配置电流监测系统对母线进行保护。
④ 低压系统并机的相位角问题，则由安装的并机系统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流程内，并由数据中心ECC的监控系统可视查看，实现IT业务的低压柴油发电机同步启停自动并机。
3、方案特点
① 该解决方案因地制宜。通常数据中心采用10kV市电引入降压至0.4kV，或者110kV和35KV市电引入通过10kV降压再降至0.4kV。但35kV直接降至0.4kV情况较少。
② 由于变配电系统构架内已无10kV电压等级，所以无法采用安装中压柴油发电机并机的解决方案。
③ 为了提升数据中心单机柜功耗，导致IT业务用电受数据中心空间和不间断电源配置影响，无法最大化使用变配电系统供电能力，致使单台柴油发电机能力供给不足，而并机后能力有所冗余。
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图1 室外型低压柴油发电机组典型案例 |
图2 低压柴油发电机组并联方案系统图 |
三、中压柴发机组供电方案
1、数据机房分级
对于适用于中压柴油发电机组的数据中心，应按照GB 50174—2017标准的要求，在不同的场所、机构根据其性质、重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。具体的数据中心机房分级标准及技术要求见表1。
表1 数据中心机房分级标准及技术要求
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分级
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A级
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B级
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C级
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系统性能
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双系统容错
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井行维护
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基本型
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系统供电电源
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应为双重电源
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宜为双重电漂
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两回电源
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机柜供电电源
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2路电源
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2路电源
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2路电源
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变压器冗余
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2N
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N+1
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N
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UPS冗余及后各电池时间
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2N，15min
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N+1，7min
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N，按需
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柴油发电机冗余及储油量
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N+X，12h
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当仅有1路供电电源时配置
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UPS供电时间满足要求时可不配置
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A级数据中心配电系统要求最高，需按双系统容错设计，不具备第三路电源供电条件时应配置柴油发电机作为备用电源。B级和C级数据中心配电系统一般不需要配置柴油发电机，且对变压器、柴油发电机组（uninterruptible power supply, UPS）及后备电池的配置要求也低于A级数据中心。
2、数据中心中压配电方案
说到数据中心供配电系统，就不得不谈系统架构，关于数据中心供配电系统架构，GB50174 - 2017《数据中心设计规范》在附录“电气”中规定：A级数据中心应满足容错要求，可采用2N系统，也可采用其他避免单点故障的系统配置。A级数据中心供配电系统主要有3种架构：2N、DR、RR。
（1）2N系统
由两个供配电单元组成，每个单元均能满足全部负载的用电需要，两个单元同时工作，互为备用。正常运行时，每个单元向负载提供50 % 的电能，当一个单元故障停止运行时，另一个单元向负载提供100 % 的电能。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，增加了供电系统可靠性。
A级数据中心常规配电系统如图3所示，A级数据中心常规配电系统采用“2N”架构，中、低压配电柜、变压器、UPS和列头柜均采用双套容错配置，另配置中压柴油发电机作为后备电源。2N配置，满足GB50174-2017《数据中心设计规范》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。
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图3 柴发与数据中心中压配电系统连接图 |
图4 2N配电系统线路图（数据中心柴油发电机组） |
其特点：2N配置，设备占用空间多，日常运行效率低，初始投资多，操作维护简单。优点是结构简单，易于维护。
（2） DR系统
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组成，N个单元同时工作。将负载均分为N组，每个供配电单元为本组负载和相邻负载供电，形成“手拉手”供电方式。正常运行情况下，每个供配电单元的负荷率为66%。当一个供配电系统发生故障，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等级机房要求。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：DR配置，设备占用空间少，日常运行效率较高，初始投资少，操作维护较复杂，电缆路径的物理隔离较困难。优点是运行效率高，节约投资。
（3）RR系统
RR是Reserve Redundancy的简称，意思是后备冗余。由多个供配电单元组成，其中一个单元作为其它运行单元的备用。当一个运行单元发生故障，通过电源切换装置，备用柴油发电机组继续为负载供电。
RR配置应满足《UPTIME》中T4等级机房要求。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，设备占用空间较多，日常运行效率较高，初始投资较多，操作维护复杂，需要大量的STS。优点是投资较少，效率较高。
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DR分布冗余供配电系统 |
RR后备冗余供配电系统 |
3、配电系统优化措施
数据中心常规配电系统采用UPS实现电子信息设备的供电。根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》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采用柴油发电机组系统和市电电源系统相结合的供电方式。
（1）设备或线路维护时，应保证电子信息设备正常运行。
（2）市电直接供电的电源质量应满足电子信息设备正常运行的要求。
（3）市电接入处的功率因数应符合当地供电部门的要求。
（4）柴油发电机系统应能够承受容性负载的影响。
（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《电能质量公用电网谐波》规定的谐波电流允许值。
总结：
由于多站融合工程数据中心靠近变电站布置，数据中心的电源一般来自就近变电站的中压馈线，其电能质量、功率因数、谐波分量通常能够满足上述要求，因此具备采用柴油发电机组系统和市电电源系统相结合的供电条件。该解决方案作为数据中心柴油发电机组配置方案的典型案例，具备其特定环境条件下，解决数据中心后备供电的新思路、新方法。同时体现出受环境和业务发展因素影响的数据中心，因地制宜匹配大机电系统建设的灵活性和可塑性。
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