油機(jī)復(fù)用在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

徐 堅(jiān)

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 項(xiàng)目概況

北京某數(shù)據(jù)中心是一個(gè)具有多套高壓供電系統(tǒng)的大型數(shù)據(jù)中心，其外市電為一類市電，且三路高壓供電系統(tǒng)市電電源分別引自不同方向的110 kV（220 kV）變電站，因此外電同時(shí)停電的概率極低。備用發(fā)電機(jī)組選用10 kV備用發(fā)電機(jī)組，可采用油機(jī)復(fù)用方式組建后備電源系統(tǒng)，使其能夠?yàn)閮蓚€(gè)高壓供電系統(tǒng)做公共備用電源。通過(guò)復(fù)用的方式，可以節(jié)約一半的油機(jī)設(shè)備投資和1/3的土建投資，從而達(dá)到降本增效的目的。

2 油機(jī)復(fù)用方案介紹

采用油機(jī)復(fù)用方案在某數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)房新建8臺(tái)3 000 kVA（2 400 kW）10 kV柴油發(fā)電機(jī)組組成1套油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)，總的油機(jī)系統(tǒng)容量為24 000 kVA。考慮帶載率和負(fù)載諧波問(wèn)題后，可以為單方向最大供電容量20 000 kVA的高壓市電提供后備電源保障。

2.1 市電現(xiàn)狀

北京某數(shù)據(jù)中心市電采用10 kV電纜5路引入，其中1#變電站1路，2#變電站2路，3#變電站2路，并設(shè)分界室2座，每路供電容量為10 000 kVA，每套高壓系統(tǒng)2用1備，總主用容量可達(dá)到40 000 kVA。1#變電站1路電源作為1#分界室和2#分界室的熱備用電源。目前，市電供電架構(gòu)為采用油機(jī)復(fù)用方案提供了良好的前提條件。

2.2 油機(jī)供電方案比較

2.2.1 常規(guī)方案

常規(guī)方案為2套高壓系統(tǒng)分別配置和1套10 kV油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包含7臺(tái)2 400 kW 10kV柴油發(fā)電機(jī)組，共需要配置14臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組[1]。

2.2.2 油機(jī)復(fù)用方案

油機(jī)復(fù)用方案為2套高壓系統(tǒng)配置和1套共用的10 kV油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)包含8臺(tái)2 400 kW 10 kV柴油發(fā)電機(jī)組，總油機(jī)系統(tǒng)容量為24 000 kVA。考慮帶載率、負(fù)載諧波的問(wèn)題后，可以為單方向最大供電容量20 000 kVA的高壓市電提供后備電源保障[1]。

2.2.3 方案比較

常規(guī)方案和油機(jī)復(fù)用方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比，如表1所示。

北京市電可靠性高。某數(shù)據(jù)中心為出租型IDC定位，從降本增效的方面考慮這種復(fù)用方式，既可保證一定的安全可靠性，又可以大大節(jié)約建設(shè)投資和運(yùn)維成本。因此，最終選用油機(jī)復(fù)用的方案。

2.3 油機(jī)復(fù)用方案

2.3.1 高壓油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)

高壓發(fā)電機(jī)組額定輸出電壓為10.5 kV，頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/m，出線為三相Y形接法，中心點(diǎn)經(jīng)電阻接地，系統(tǒng)最高工作電壓為12 kV。

當(dāng)市電供電正常時(shí)，基地內(nèi)所有設(shè)備由市電供電，發(fā)電機(jī)組的并機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)市電狀態(tài)。機(jī)組在接到啟動(dòng)指令后，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)所有自動(dòng)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)后，自動(dòng)將電壓和頻率調(diào)整至設(shè)定值。系統(tǒng)中最先到達(dá)設(shè)定值的發(fā)電機(jī)組，最先投入到并聯(lián)母線，余下的機(jī)組檢測(cè)各自的并機(jī)電壓、頻率和相位，追蹤自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的頻率和電壓，達(dá)到一定的設(shè)定值和同步時(shí)間后，開(kāi)關(guān)閉合，自動(dòng)同步過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)將自動(dòng)分配功率給所有在線機(jī)組。此時(shí)，機(jī)組只供基地內(nèi)重要用電負(fù)荷。

當(dāng)并機(jī)控制系統(tǒng)接收到市電來(lái)電信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)可調(diào)整的時(shí)間延遲，負(fù)載將由發(fā)電機(jī)組供電轉(zhuǎn)換為市電供電。機(jī)組控制系統(tǒng)確認(rèn)機(jī)組帶載率低于設(shè)定值時(shí)，供電系統(tǒng)斷路器將斷開(kāi)，機(jī)組解列。機(jī)組控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行冷卻停機(jī)程序，停機(jī)后進(jìn)行下一循環(huán)程序。

10 kV市電和油機(jī)能夠保證電源采用主、備用運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)換方式為備用電源手動(dòng)合閘，主用電源手動(dòng)恢復(fù)[3]。

表1 油機(jī)方案對(duì)比表

2.3.2 設(shè)備配置

在油機(jī)房?jī)?nèi)新建8臺(tái)2 400 kW 10 kV柴油發(fā)電機(jī)組和并機(jī)柜，能夠?yàn)橛蜋C(jī)系統(tǒng)配套設(shè)置1套高壓供電系統(tǒng)供電，共配置14臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)柜，包括8臺(tái)進(jìn)線柜、6臺(tái)出線柜、1臺(tái)PT柜、2臺(tái)接地開(kāi)關(guān)柜以及1臺(tái)接地電阻柜。高壓斷路器操作電源采用直流220 V電源，直流操作電源由蓄電池柜和直流電源柜組成。

2.3.3 油機(jī)并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行

（1）油機(jī)運(yùn)行方式

本工程配置的8臺(tái)2 400 kW高壓柴油發(fā)電機(jī)組和油機(jī)供電系統(tǒng)，采用并機(jī)運(yùn)行工作方式。控制系統(tǒng)由1臺(tái)油機(jī)主控屏（落地安裝）和7臺(tái)機(jī)組控制箱（壁掛安裝）組成，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和并機(jī)控制。機(jī)組能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)切換、自動(dòng)投入、自動(dòng)撤出、自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)保護(hù)以及自動(dòng)補(bǔ)給等各種控制功能[2]。機(jī)組控制方式具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，手動(dòng)控制能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組并機(jī)運(yùn)行或單機(jī)運(yùn)行[2]。

（2）油機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)功能

機(jī)組接收到啟動(dòng)指令后，在10 s內(nèi)應(yīng)一次啟動(dòng)成功，在60 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自啟動(dòng)循環(huán)（即三次啟動(dòng)），兩次啟動(dòng)的間隔時(shí)間應(yīng)為10～30 s。若自啟動(dòng)連續(xù)3次失敗，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并閉鎖自啟動(dòng)回路。機(jī)組一次啟動(dòng)成功率不低于99%[2]。

（3）油機(jī)并機(jī)控制功能

每組并聯(lián)8臺(tái)機(jī)組，并聯(lián)系統(tǒng)采用分布式控制方式。發(fā)電機(jī)組控制器獨(dú)立，可安裝于發(fā)電機(jī)控制屏旁或集中布置，并機(jī)控制系統(tǒng)裝置可互換。各臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集線器連接，即插即用，互不影響。當(dāng)系統(tǒng)中的一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)組會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)警輸出，其他機(jī)組正常運(yùn)行。第一臺(tái)自動(dòng)作為主控，其余依次作為主控的熱備份。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)到第二臺(tái)作為主控，不需要停機(jī)設(shè)定，且過(guò)渡過(guò)程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)任何擾動(dòng)，然后依次類推。

單臺(tái)的機(jī)組10 s內(nèi)啟動(dòng)，可達(dá)到額定電壓、頻率，具備一次性100投加負(fù)載。多臺(tái)并聯(lián)的機(jī)組，系統(tǒng)母排在10 s內(nèi)第一臺(tái)投入，所有機(jī)組正常情況下30 s內(nèi)完全投入，并可保證100%的輸出額定功率。

（4）油機(jī)負(fù)載管理功能

市電斷電，全部機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行2～10 min（可調(diào)）后，系統(tǒng)判斷負(fù)載率，減少機(jī)組運(yùn)行的數(shù)量。當(dāng)負(fù)載小于機(jī)組總額定功率的80%時(shí)，自動(dòng)解除一臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行。然后，根據(jù)上述原則判斷是否需要再減一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行。依次類推，直到剩余機(jī)組無(wú)法再減。運(yùn)行過(guò)程中，如果負(fù)載增加，則加機(jī)原則如下：當(dāng)負(fù)載超過(guò)當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組總額定功率的85%時(shí)，自動(dòng)再啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組，投入并聯(lián)供電。可以根據(jù)用戶運(yùn)維要求，對(duì)80%、85%兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.4 市電油機(jī)系統(tǒng)切換方案

當(dāng)市電正常時(shí)，由市電電源為基地內(nèi)所有重要負(fù)荷和一般負(fù)荷供電；當(dāng)市電電源停電或發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)倒閘操作，由油機(jī)電源為最重要的負(fù)荷供電。高壓油機(jī)配電系統(tǒng)可為高壓配電室一的4段母線供電或?yàn)楦邏号潆娛叶?段母線供電。但是，應(yīng)避免同時(shí)為所有母線段供電，以免超過(guò)油機(jī)系統(tǒng)的最大供電能力。具體操作如表2所示。

3 結(jié) 論

目前，我國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，柴油發(fā)電機(jī)組在數(shù)據(jù)中心的使用范圍也越來(lái)越廣泛。在規(guī)模較大的數(shù)據(jù)中心機(jī)房，數(shù)臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況越來(lái)越多。在數(shù)據(jù)中心建設(shè)成本中，油機(jī)部分投資占很大比例。油機(jī)復(fù)用方式既可滿足出租型數(shù)據(jù)中心可靠性的要求，又可以節(jié)約大量設(shè)備和土建投資，為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商提供了能夠降本增效的有效途徑。

表2 市電油機(jī)投切