|
新聞主題 |
康明斯柴油發(fā)電機應急供電的優(yōu)化方案 |
摘要：隨著(zhù)通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，現行數據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(shí)隨著(zhù)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)電機組是數據中心配電系統的重要組成部分，對于保障系統安全可靠運行極為關(guān)鍵。數據中心配電系統一方面需要冗余配置以提高可靠性，另一方面為滿(mǎn)足日益提高的能效要求需要精簡(jiǎn)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運行可靠性和節能減排能力至關(guān)重要?？得魉构驹?/span>本文結合多站融合工程的特點(diǎn)，對康明斯柴油發(fā)電機組成的配電系統提出針對性?xún)?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
對于數據中心柴油發(fā)電機組配置往往受到數據中心的選址地點(diǎn)和空間等因素影響：以GB50174-2017《數據中心設計規范》中A級機房舉例，距離停車(chē)場(chǎng)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(chǎng)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(chē)站飛機場(chǎng)的交通道路，從而決定了數據中心不宜建設在人口密度較大的市中心位置；根據現有市場(chǎng)用戶(hù)對于大帶寬低延時(shí)的需求，數據中心往往會(huì )貼近業(yè)務(wù)用戶(hù)更近的地方，比如開(kāi)發(fā)區和商貿區等工商業(yè)區域附近；用戶(hù)維護人員輻射范圍距離有限，附近生活基礎配套設施健全；數據中心周邊的電力資源和水資源等可用于數據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，數據中心理想的建設地點(diǎn)應在市區周邊電力資源豐富的區域；而市區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據中心的建設規模不會(huì )太大；在追求高產(chǎn)出機架的情況下，數據中心在有限空間的內建設柴油發(fā)電機組和配套電源等基礎設施難度很大，機架會(huì )直接擠占柴油發(fā)電機組及電源系統的空間，并且為了提高單機架功耗，數據中心的設計建設方案會(huì )在有限空間內提升電源功率密度的同時(shí)，也要提升柴油發(fā)電機組的功率密度。
2、高低壓變配電系統配置影響
通常數據中心高低壓系統依據國家電網(wǎng)變電的建設模式，分為高壓、中壓、低壓三級變電降壓模式，又根據數據中心所在地點(diǎn)和規模采用對應的變配電模式進(jìn)行高中低壓系統配置，因此常見(jiàn)配置如下：
① 中低壓系統采用市電引入中壓10kV，通過(guò)降壓系統變?yōu)?.4kV，在0.4kV系統接入低壓柴油發(fā)電機的配置方案。
② 高低壓系統采用市電引入高壓35kV及以上電壓等級，通過(guò)降壓系統變?yōu)?.4kV，在0.4kV 系統接入低壓柴油發(fā)電機的配置方案。
③ 高低壓系統采用市電引入高壓35kV及以上電壓等級，通過(guò)降壓系統變?yōu)?.4kV，在10kV 系統接入中壓柴油發(fā)電機的配置方案。
3、不間斷電源的影響
現有數據中心配備的不間斷電源一般分為交流UPS系統和高壓直流系統兩種解決方案。
通?，F有數據中心采用UPS不間斷電源系統和柴油發(fā)電機系統進(jìn)行的匹配關(guān)系。發(fā)電機組的等級配置，根據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、電壓和波形對數據中心供電穩定性影響較大，故要求數據中心所配備的發(fā)電機組性能不能低于G3級。A級數據中心對發(fā)電機組的基本要求是要能連續和不限時(shí)運行，故配備發(fā)電機組時(shí)就要求其最大平均負荷，要按需要系數法對通信數據設備、制冷設備系統、照明系統和數據中心所必須的配套設施等容量進(jìn)行負荷計算得出的數值。在計算發(fā)電機組的輸出功率時(shí)，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范內規定，對于交流不間斷設備即UPS系統，確定其需要發(fā)電機組保證的功率時(shí)應根據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(shí)，其需要的發(fā)電機組保障功率按UPS容量的1.5~2倍計算。不間斷電源系統和通信數據設備的計算負荷公式為E≥ 1.2P，式中E—不間斷電源系統的基本容量（不包含備份不間斷電源系統設備）（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
數據中心采用的柴油發(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(guò)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(guò)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據中心配置柴油發(fā)電機組后備容量，而單體柴油發(fā)電機是無(wú)法滿(mǎn)足高功耗數據中心的后備需求，故需要發(fā)電機集群來(lái)滿(mǎn)足，但從構架上看柴油發(fā)電機集群需要柴油發(fā)電機具有并機能力，通常數據中心配置的柴油發(fā)電機并機以中壓柴油發(fā)電機為主，數據中心低壓柴油發(fā)電機并機的案例鮮見(jiàn)。
二、低壓柴發(fā)機組供電方案
數據中心的供電構架和柴油發(fā)電機的選擇該數據中心供電構架為高壓35kV直接變電0.4kV系統，并且系統無(wú)10kV中壓降壓過(guò)程，故無(wú)法配置中壓柴油發(fā)電機，只能在低壓側安裝低壓發(fā)電機作為后備保障。典型案例如圖1所示，并聯(lián)方案系統如圖2所示。
1、柴油發(fā)電機容量需求分析
該數據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滿(mǎn)足大機電和IT用電所需。而為了滿(mǎn)足IT的業(yè)務(wù)需求配置2N變配電系統，大機電則因空間不足配置N+1變配電系統。又因空間不足導致柴油發(fā)電機和變配電系統配置為1比1配置。
根據變配電系統的容量，以及滿(mǎn)足業(yè)務(wù)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(wù)對應每套低壓系統后備容量需求達3200kVA以上，而現有可采購最大容量低壓柴油發(fā)電機為2000kW。已無(wú)法滿(mǎn)足IT業(yè)務(wù)的容量需求。
2、解決方案
通過(guò)對該數據中心可用空間和變配電系統的綜合分析，為了滿(mǎn)足IT業(yè)務(wù)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(wù)的變配電系統進(jìn)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(mǎn)足IT業(yè)務(wù)的2N系統低壓柴油發(fā)電機，根據各自2N系統內所配置的2臺低壓柴油發(fā)電機，進(jìn)行系統內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(wèn)題，在并機柜內采用大電流載流量母線(xiàn)的同時(shí)加入散熱處理，從而有效地降低瞬間大電流導致的母線(xiàn)溫升問(wèn)題。同時(shí)配置電流監測系統對母線(xiàn)進(jìn)行保護。
④ 低壓系統并機的相位角問(wèn)題，則由安裝的并機系統自動(dòng)矯正比對進(jìn)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自動(dòng)控制流程內，并由數據中心ECC的監控系統可視查看，實(shí)現IT業(yè)務(wù)的低壓柴油發(fā)電機同步啟停自動(dòng)并機。
3、方案特點(diǎn)
① 該解決方案因地制宜。通常數據中心采用10kV市電引入降壓至0.4kV，或者110kV和35KV市電引入通過(guò)10kV降壓再降至0.4kV。但35kV直接降至0.4kV情況較少。
② 由于變配電系統構架內已無(wú)10kV電壓等級，所以無(wú)法采用安裝中壓柴油發(fā)電機并機的解決方案。
③ 為了提升數據中心單機柜功耗，導致IT業(yè)務(wù)用電受數據中心空間和不間斷電源配置影響，無(wú)法最大化使用變配電系統供電能力，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。
|
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)方案系統圖 |
三、中壓柴發(fā)機組供電方案
1、數據機房分級
對于適用于中壓柴油發(fā)電機組的數據中心，應按照GB 50174—2017標準的要求，在不同的場(chǎng)所、機構根據其性質(zhì)、重要性以及網(wǎng)絡(luò )中斷后造成的損失和社會(huì )影響將數據中心分成三個(gè)等級，即A、B、C 級，分別為容錯型、冗余型、基本型。具體的數據中心機房分級標準及技術(shù)要求見(jiàn)表1。
表1 數據中心機房分級標準及技術(shù)要求
|
分級
|
A級
|
B級
|
C級
|
|
系統性能
|
雙系統容錯
|
井行維護
|
基本型
|
|
系統供電電源
|
應為雙重電源
|
宜為雙重電漂
|
兩回電源
|
|
機柜供電電源
|
2路電源
|
2路電源
|
2路電源
|
|
變壓器冗余
|
2N
|
N+1
|
N
|
|
UPS冗余及后各電池時(shí)間
|
2N，15min
|
N+1，7min
|
N，按需
|
|
柴油發(fā)電機冗余及儲油量
|
N+X，12h
|
當僅有1路供電電源時(shí)配置
|
UPS供電時(shí)間滿(mǎn)足要求時(shí)可不配置
|
A級數據中心配電系統要求最高，需按雙系統容錯設計，不具備第三路電源供電條件時(shí)應配置柴油發(fā)電機作為備用電源。B級和C級數據中心配電系統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(yíng)級數據中心。
2、數據中心中壓配電方案
說(shuō)到數據中心供配電系統，就不得不談系統架構，關(guān)于數據中心供配電系統架構，GB50174 - 2017《數據中心設計規范》在附錄“電氣”中規定：A級數據中心應滿(mǎn)足容錯要求，可采用2N系統，也可采用其他避免單點(diǎn)故障的系統配置。A級數據中心供配電系統主要有3種架構：2N、DR、RR。
（1）2N系統
由兩個(gè)供配電單元組成，每個(gè)單元均能滿(mǎn)足全部負載的用電需要，兩個(gè)單元同時(shí)工作，互為備用。正常運行時(shí)，每個(gè)單元向負載提供50 % 的電能，當一個(gè)單元故障停止運行時(shí)，另一個(gè)單元向負載提供100 % 的電能。這種多電源系統冗余的供電方式，克服單電源系統存在的單點(diǎn)故障瓶頸，增加了供電系統可靠性。
A級數據中心常規配電系統如圖3所示，A級數據中心常規配電系統采用“2N”架構，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(mǎn)足GB50174-2017《數據中心設計規范》中A級機房要求；滿(mǎn)足《UPTIME》中T4等級機房要求；滿(mǎn)足《TIA942》中T4等級機房要求。
|
圖3 柴發(fā)與數據中心中壓配電系統連接圖 |
圖4 2N配電系統線(xiàn)路圖（數據中心柴油發(fā)電機組） |
其特點(diǎn)：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(jiǎn)單。優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，易于維護。
（2） DR系統
DR是Distribution Redundancy的簡(jiǎn)稱(chēng)，意思是分布冗余。由N（N≥3）個(gè)配置相同的供配電單元組成，N個(gè)單元同時(shí)工作。將負載均分為N組，每個(gè)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(gè)供配電單元的負荷率為66%。當一個(gè)供配電系統發(fā)生故障，其對應負載由相鄰供配電單元繼續供電。
DR配置應滿(mǎn)足《UPTIME》中T4等級機房要求。但國家GB50174-2017《數據中心設計規范》和《TIA942》未提及這種配置。其特點(diǎn)：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(diǎn)是運行效率高，節約投資。
（3）RR系統
RR是Reserve Redundancy的簡(jiǎn)稱(chēng)，意思是后備冗余。由多個(gè)供配電單元組成，其中一個(gè)單元作為其它運行單元的備用。當一個(gè)運行單元發(fā)生故障，通過(guò)電源切換裝置，備用柴油發(fā)電機組繼續為負載供電。
RR配置應滿(mǎn)足《UPTIME》中T4等級機房要求。但國家GB50174-2017《數據中心設計規范》和《TIA942》未提及這種配置。其特點(diǎn)：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(diǎn)是投資較少，效率較高。
|
DR分布冗余供配電系統 |
RR后備冗余供配電系統 |
3、配電系統優(yōu)化措施
數據中心常規配電系統采用UPS實(shí)現電子信息設備的供電。根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》第3.2.2條，A級數據中心同時(shí)滿(mǎn)足下列要求時(shí)，電子信息設備的供電可采用柴油發(fā)電機組系統和市電電源系統相結合的供電方式。
（1）設備或線(xiàn)路維護時(shí)，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(mǎn)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應符合當地供電部門(mén)的要求。
（4）柴油發(fā)電機系統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(guò)現行國家標準GB/T 14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規定的諧波電流允許值。
總結：
由于多站融合工程數據中心靠近變電站布置，數據中心的電源一般來(lái)自就近變電站的中壓饋線(xiàn)，其電能質(zhì)量、功率因數、諧波分量通常能夠滿(mǎn)足上述要求，因此具備采用柴油發(fā)電機組系統和市電電源系統相結合的供電條件。該解決方案作為數據中心柴油發(fā)電機組配置方案的典型案例，具備其特定環(huán)境條件下，解決數據中心后備供電的新思路、新方法。同時(shí)體現出受環(huán)境和業(yè)務(wù)發(fā)展因素影響的數據中心，因地制宜匹配大機電系統建設的靈活性和可塑性。
----------------
以上信息來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)新聞，特此聲明！
若有違反相關(guān)法律或者侵犯版權，請通知我們！
溫馨提示：未經(jīng)我方許可，請勿隨意轉載信息！
如果希望了解更多有關(guān)柴油發(fā)電機組技術(shù)數據與產(chǎn)品資料，請電話(huà)聯(lián)系銷(xiāo)售宣傳部門(mén)或訪(fǎng)問(wèn)我們官網(wǎng)：http://www.aticodonostia.com
