数据中心供配电系统主备用电源自动切换探究
上海某数据中心征地250亩，一期建设规模100430㎡，包括1-3#三栋数据中心机房和1-2#两栋油机房、1-2#两栋维护支撑用房、一栋传输机房楼及一栋变电站，装机机架数8743个。一期各建筑用房建设情况及建设规模见表1。
表1 上海某数据中心一期建筑物建设情况及建设规模表
1 上海某数据中心供电系统简介
(1)负载的组成和特点
以1#数据中心为例，IT负载为服务器、存储阵列、云计算、传输和信息安全等设备组成的重要负荷，与此同时，冷却塔、水泵、冷水机组、末端空调以及配套的照明、动力和消防等，为了保障数据中心IT设备正常、稳定、持续运行的相关基础设施负荷也同样重要。有机整合在一起，组成了整个数据中心负载系统，负荷汇总表详见表2。
表2 1#数据中心负荷汇总表
以上负载的特点如下：
①容量大，地位重要
每个数据中心的用电负载在20000~25000kW ，根据数据中心的使用性质、网络中断或数据丢失在社会或经济上造成的损失或影响程度级别，按照GB 50174-2017数据中心设计规范，将数据中心分为A 、B 、C三级。其中，上述提到的数据中心IT设备、空调、动力等均为特别重要负荷，即一级负荷，占比最大，可达80%以上,供电方式需由两个独立的电源供电,可为两个市政电源供电或一个市政电源、一个自备电源(柴油发电机或电池组)，其余少量负载为2级和3级负荷。
② 非线性
数据中心包含了大量非线性负载，例如UPS设备、变频冷机、水泵和荧光灯照明等。而非线性负载容易产生谐波，污染系统，降低设备效率，增加投资，影响供电设备性能，同时对启动转矩、带载能力的要求也就更高。
③ 集中化
目前，随着集中化程度的不断提高，单机柜功耗作为衡量数据中心负荷水平的重要指标之一。几年前，数据中心单机柜的用电功率通常在2kW ，而到了当今的高密度运算环境下，设备的功率密度指数级增大，一个机柜的用电功率可达10~15kW ，故对用电和冷却设备的要求越来越高。
(2)供配电系统简介
供配电系统是整个数据中心的心脏-血液系统，为数据中心内所有的设备提供稳定、可靠的动力支持。供配电系统通常指变电站出线间隔引出10kV线路至数据中心内，经由中压低压变配电系统直至电子信息设备负责的整个链路，主要包括中压低压变配电设备、UPS 、柴油发电机组、蓄电池组、机柜配电等。为了确保IT设备的可靠和稳定持续运行，数据中心必须建立起良好的供配电系统。上海某数据中心供配电主接线图详见图1。
图1 上海某数据中心供配电主接线图
本项目各数据中心单体建筑拟采用10kV电源接入，电源引自园区规划的自建变电站10kV出线间隔。每座采用4路10kV电源接入，两主两备的运行方式。主备电源引自不同的母线段。每路10kV电源引入容量为12500kVA ，供电等级为一级。
自建柴油发电系统作为市电电源的备用电源。采用自备高压发电机组，每个数据中心机房各对应设置1套10kV高压油机并机供电系统。
数据机房楼各模组及冷冻站的变压器的运行方式采用2N (1+1)运行方式，变压器采用热备份。正常供电时，每台变压器运行负载率应不大于50%。
数据中心机房每台变压器均对应配置1套低压供电系统，互为主备运行及相邻的低压供电系统之间采用分段运行，并设置联络开关。
变配电及发电机组供电系统及设备配置详见表3(以1 # 数据中心为例)。
以上不考虑园区变电站建设。
变压器之后相关的负载为IT设备所需的48V 、336HVDC 、UPS 系统，空调、动力照明、消防等。
2 外市电/备用电源的切换
首先，数据中心平时两路10kV市电电源同时运行各承担50%负载，互为主备。当其中任意一路市电电源停电检修或故障时，由另一路电源承担100%负载。当两路电源同时失电时系统自动启动油机电源承担全部负载(即仅一路市电电源失电的情况下，不启动油机)。当任意一路市电电源恢复后，系统自动切换至市电电源，油机停机。
市电进线断路器、油机进线断路器以及母联断路器间采用可靠的电气闭锁装置。实现市电与油机电源的自动切换，防止油机电源反送电，对电网造成冲击。
每个数据中心机房按终期用电负荷需求，各设置10台2000kW高压发电机组多台并机，市电电源和油机电源的双电源切换在10kV侧进行，采用10kV中压ATS自动系统。
根据之前介绍的，数据中心的负载非线性、大容量以及集中化的特性，市电主用电源和备用电源之间切换的稳定性和可靠性，直接关系到数据中心的安全运行和保障。
(1)主备用电源自动切换的简介
数据中心采用的为中压电源级控制器型切换方案,详见图2。
图2 上海某数据中心采用的中压电源级控制器型切换方案
图2中，MDS9MVC中压自动转换开关由控制系统、常用电源柜、应急电源柜组成。开关元件由两个联锁的真空断路器构成，互锁装置保证了在任意时间仅有一组触头能够闭合。其功能为：当常用电源的任意线电压低于正常电压的85%或超过正常电压的110%或频率漂移和正常频率相差1Hz (均可设定)以上，然后发电机启动命令接通发电机启动电路，当发电机的电压、频率满足可用条件时(电压下限值〈测量电压〈电压上限值，频率下限值<测量频率< 频率上限值)，发电机电源送至转换开关装置的应急电源侧，经稳定延时，断开常用电源，保持两侧电源断开，再闭合应急电源,实现由常用电源向应急电源切换。当常用电源恢复正常(电压、频率满足可用条件时，电压下限值〈测量电压〈电压上限值，频率下限值<测量频率 < 频率上限值),经0~30min可调延时常用电源保持满足可用条件，转换开关装置断开应急电源，保持两侧电源断开，再闭合常用电源，实现由应急电源向常用电源切换。
该系统在设计和使用过程中必须考虑到由于电源切换在中压母线上进行，同一段母线上有多路负载，负载总容量较大，切换装置直接带全部负载进行电源转换时导致应急电源输出电压电流波动。应在投入备用电源后，逐步合闸各负载出线开关，使柴发系统的负载逐步增加。同时，在退出备用电源前，逐次分闸各路负载出线开关，使柴发系统的负载逐步减少。
逐步投切是保证备用电源可靠投入，确保了数据中心的安全和稳定运行。油机系统本身是以柴油机为原动力，输出容量有限，数据中心都是采用的油机并机方式，油机启动时处于空载状态，从空载到带负载运行再到100%的满功率运行，发动机输出功率需要逐步增加。切换装置的油机进线开关合闸以后，若未采取逐步加载，而是所有负载同时投入，会造成油机突加负载，引起输出电压和频率大幅波动，引起后备电源系统的不稳定，最终无法保证数据中心的安全运行。另一方面，在市电电源恢复正常后，若是直接切换到市电电源，所有负载直接从后备电源中切除，由于调速系统惯性产生过电压，会导致发电机绕组绝缘层击穿、转速高速上升，产生巨大的离心力，造成设备和维护人员的伤害以及不可弥补的经济损失。
综上所述，配置控制器型切换装置，电源切换过程中对母线各负载出线进行逐步投切控制，柴发系统带载时逐步增加或减少系统负载，能保证柴发系统稳定工作。在此基础上,设置各个系统间合理的切换逻辑参数和断路器整定时间，确保主用和备用电源之间切换的平稳过渡,从而确保数据中心的正常运行。详见表4。
(2)主备用电源自动切换的应用
以1#数据中心系统为例，介绍主备用电源自动切换在系统中的应用。
① 一路市电停电
1#数据中心高压室10kVⅠ段市电电源失电，市电优先原则，通过上下级延迟时间设定，10kV供电系统母联开关自动合闸联络供电，由另一路市电电源承担所有负载。具体操作步骤为：A1高压室10kV市电A1进线开关跳闸，经延迟2.1s自动合闸A1/B1段母联开关进行联络供电。
② 两路市电停电
当供电系统检测到两路市电A1和B1电源均停电时，分闸市电B1的进线开关延迟2s后分闸A1/B1段的母联开关，解除联络供电方式。之后延迟2s且每间隔2s逐步分闸A和B段母线上全部配变出线开关。此过程的总时长为10s 。
B1中压10kV市电B1电源失电、延迟10s (即市电进线开关、母联开关、所有配变出线开关已分闸)后，中压ATS开关随即发出柴油发电机组启动信号，柴发控制屏接收到该启动信号后，柴油发电机组延时20s启动，在此期间内柴发机房的进排风电动百叶窗接收到信号后立即自动开启百叶，同时供油系统自动启动。待柴油发电机启动后,第一台输出机组作为主机，同时控制屏发出油机系统输出开关合闸信号，其余另外4台柴油发电机组追踪第一台的电压、相位、频率等参数，直至5台柴油发电机组的并机就绪。
随后，ATS系统延迟2s 同时给出1# ( A1段)油机进线开关合闸信号和2# ( B1段)油机进线开关合闸信号，1# ( A1段)油机进线开关合闸信号和2# ( B1段)油机进线开关合闸；延迟2s ,同时合闸A1段和B1段各第一台配变出线开关，间隔2s逐步合闸A1和B1段母线上的所有配变出线开关。合闸A1和B1段母线上的所有出线开关时间总长8s ，至此，完成了后备电源的全部加载。
整个柴油发电机组后备电源由启动至完成正常输出转矩和功率的时间在60~90s内完成。在此期间，重要IT负载由蓄电池组进行供电。
③任一路市电恢复
A1高压室10kV市电A1电源恢复正常时，由现场动力值班人员现场对ATS控制系统进行市电A1恢复确认，确认之后ATS延迟4s发出信号，（在此期间存在供电局上级电业站市电恢复不稳定、闪断的情况，故人工确认后再延迟4s ) 分闸A1和B1段各第一台变压器出线开关，并逐步每间隔2s逐级分闸A1和B1段母线上的所有配变出线开关，直至分闸所有的配变出线开关，这个过程时间总长10s。之后,再延迟2s发出1# (A1段）柴油发电机进线开关分闸信号，使其分闸。
随后，系统延迟2s ,合闸市电A1电源进线开关恢复供A1母线段负荷。延迟2s，合闸A1/B1段母联开关联络供电。再延迟2s ，同时合闸A1段和B1段第一台的配变出线开关，并且每间隔2s逐步合闸A1和B1段母线上的全部配变出线开关，直至恢复所有数据中心负载的市电供电状态。
最后，市电供电正常后，系统延迟26s , ATS向柴油发电机组的控制屏发出撤出油机投运的信号。油机控制系统延迟300s停机，同时供油系统关闭，由于柴发机房热量较高，故采取适当通风和散热措施后，电动百叶窗人工关闭。至此，后备电源系统全部撤出。
④两路市电均恢复
检查10kV市电B1电源进线柜上B1电源线路三相电压均正常、确定10kV市电B1电源已恢复。人工手动分闸A1/B1段母联开关解除联络供电，合闸10kV市电B1电源进线开关恢复供B1段负荷。
3 结束语
上海某数据中心供配电系统的安全、可靠的运行极为重要，为了满足负载的相关特性，主备用电源之间的自动切换应用就是随着数据中心的不断发展而产生的技术，随着日益增长的供电自动化、智能化的要求，它的应用和推广必将提高数据中心乃至电厂、机场港口、大型市政配套建筑等整个国民经济重要行业的供电系统的可靠性。
审核编辑：汤梓红
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