面向5G 的數據中心供配電系統設計與實現

文/胡鵬濤 高雅

1 面向5G的數據中心供配電系統定義

考慮到5G 數據中心供配電系統內容的復雜性和多樣性以及敘述的方便，本文所闡述的“面向5G 的數據中心供配電系統”是從電源線路進用戶起經過高/低壓供配電設備到負載止的整個電路系統，將主要包括：高壓變配電系統、柴油發電機系統、自動轉換開關系統（ATSE，AutomaticTransferSwitchingEquipm ent）、輸入低壓配電系統、不間斷電源系統（UPS，UninterruptiblePowerSystem）系統、UPS列頭配電系統和機架配電系統、電氣照明、防雷及接地系統，如圖1所示。本文重點介紹高壓變配電系統、低壓配電系統及柴油發電系統的設計與實現。

1.1 高壓變配電系統

主要是將市電（6kV/10kV/35kV，3 相）市電通過該變壓器轉換成（380V/400V，3 相），供后級低壓設備用電。

1.2 柴油發電機系統

主要是作為后備電源，一旦市電失電，迅速啟動為后級低壓設備提供備用電源。

1.3 輸入低壓配電系統

主要作用是電能分配，將前級的電能按照要求、標準與規范分配給各種類型的用電設備，如UPS、空調、照明設備等。

1.4 UPS輸出列頭配電系統

主要作用是UPS 輸出電能分配，將電能按照要求與標準分配給各種類型的IT 設備。

1.5 機架配電系統

主要作用是機架內的電能分配。

2 總體設計原則

面向5G 的數據中心供配電系統設計應滿足以下原則：

圖1：面向5G 的數據中心供配電系統示意方框圖

圖2：一路供電電源、一臺變壓器的10kV 主接線典型方案

圖3：一路供電電源、兩臺或以上變壓器的10kV 主接線典型方案

圖4：兩路供電電源的10kV 主接線典型方案

（1）根據國家、行業相關技術規范要求，建設安全、可靠、高速、可擴展、可管控、綠色節能的數據中心；

（2）規范性：符合國家部委相關標準和規范、符合行業慣例；滿足消防驗收及使用要求；不得改變建筑結構和承重件；

（3）先進性：選用先進的方案和技術，充分考慮將來的各種要求，選用市場壽命長的產品。

（4）可靠性：應具有抵御自然災害如地震、火災、水害、鼠蟲害等的能力。

表1

圖5：柴油發電機組組件示意圖

圖6：基本型柴油發電機組

（5）環保：所選用材料應環保、阻燃，無有害氣體，耐用,并考慮將來的環保要求。

（6）合理性：空間布局合理、美觀。

（7）經濟性：設備及材料的選型遵守性價比原則及市場上容易采購的原則并綜合考慮維護和運行成本。

（8）安全性：在安全設計上應滿足相關機房安全規定要求，機房對設備、管理和網絡要具備很高的安全性。

總之，面向5G 的數據中心供配電系統設計與建設中應充分考慮和利用現有各種資源，既要考慮系統的先進性和有效性，又要考慮其實現的可行性和經濟性。

3 高壓變配電系統

面向5G 的數據中心高壓變配電系統是數據中心供配電系統聯系市電供電網絡和用戶的中間環節，它起著變換和分配電能的作用。從電壓等級而言，該系統主要會涉及到35kV/10kV/6kV/3kV 等電壓等級。主要的主接線方案如下：

3.1 一路供電電源、一臺變壓器的10kV主接線典型方案

方案說明：變壓器一次側設計采用線路-變壓器組單元接線，二次側設計采用單母線接線。

（1）設計專用電能計量柜，柜中設計專用的、精度等級為0.2 級的互感器（CT）。（注：該互感器不得與保護、測量回路共用）。

（2）高壓側設計電壓測量柜以測量、監視電壓，并提供交流操作電源。

（3）變壓器的控制及保護采用負荷開關與熔斷器組合電器，而未采用高壓斷路器，以降低投資和簡化二次接線。

（4）低壓進線總開關和低壓出線開關均采用低壓斷路器，可帶負荷操作且恢復供電快。

（5）變電所的負荷無功補償采用低壓母線集中補償方式，選用低壓成套無功自動補償裝置，與其他低壓開關柜并排安裝。

3.2 一路供電電源、兩臺或以上變壓器的10kV主接線典型方案

方案說明：變壓器一次側設計采用單母線接線，二次側設計采用單母線分段接線。

（1）10kV 側設計采用單母線接線。

（2）高壓開關柜采用戶內金屬鎧裝移開式開關柜，柜內配置真空斷路器。

（3）高壓側設有專用電能計量柜和電壓測量柜。

（4）低壓側采用單母線分段接線。

（5）低壓開關柜采用GCK低壓抽出式柜。

（6）兩臺變壓器為互為備用運行方式，正常運行時，低壓母聯斷路器斷開。

3.3 兩路供電電源的10kV主接線典型方案

方案說明：變電所有兩路外供電源供電。

（1）變壓器一次側設計采用單母線分段接線，二次側也設計采用單母線分段接線。

（2）兩路電源均設置電能計量柜。

（3）備用電源的投人方式可采取手動投入，也可采取自動投入。

（4）低壓進線柜放置在中間，而低壓出線柜則放置在兩側，以便于擴建時添加出線柜。

4 低壓配電系統

4.1 低壓設備配置原則

（1）中心的變壓器及低壓配電設備集中部署，靠近負荷中心，縮短電力路由，減少有色金屬用量，降低能量損耗；

（2）變壓器容量應選用≥2000kVA 大容量變壓器，便于調配容量；

（3）采用2N(1+1)運行方式的變壓器，每套高壓系統的兩段高壓母線段可不設置母聯柜。

4.2 UPS系統配置原則

（1）根據后端負載的需求，通信電源可采用UPS 系統。UPS 系統推薦采用3N 雙總線運行方式 ，提高設備利用率，節省設備配置數量。

（2）自用機房根據業務需求等級，可采用3N 或“N+1” 并聯冗余UPS 電源系統。

（3）采用高頻機UPS，單機額定容量采用400kVA（綜合經濟性高）。

4.3 蓄電池組配置原則

（1）蓄電池按六層雙列臥式擺放，減少占地面積，鐵架高度不宜>1.7 米

（2）當市電與市電、市電與發電機組采用自動轉換方式時，蓄電池組后備時間按15min 配置；采用手動切換方式的，后備時間可按15 ～30min 配置。

5 數據中心柴油發電機組系統

機組選型建議：

為確保面向5G 的數據中心內的通信設備能得到不間斷的電源供電，供電系統通常采用“市電供電+柴油發電機組備用”所組成的電源供電系統。具體選型建議如圖5、圖6所示。

數據中心備用油機選擇用低壓油機還是高壓油機需結合高低壓配電系統綜合考慮，兩者間造價區別主要在于機組差價與電纜差價。高壓油機特別適合大容量、遠距離供電，適合整個系統分散化。

綜合低壓油機和高壓油機的特點（表1），總結如下：

（1）油機容量在1200KW 以下不建議用高壓油機；

（2）數據中心若有大量的高壓負載和高壓冷水機組，建議選用高壓油機；

（3）需油機保證的負載分布在不同樓層或不同機樓，且變壓器臨近負荷中心，供配電距離較長，同時油機機組需集中設置時，建議采用高壓機組；

（4）油機系統需采用多臺大容量機組并行方式，考慮到公共母排載流量的限制，建議采用高壓機組。

6 面向5G的數據中心供配電系統設計需注意的幾個問題

6.1 供配電系統設計、安裝合理

（1）數據中心應配置保證電源，確保市電中斷以后能確保設備正常運行。

（2）供配電系統進行專門的規劃。要根據機房進行全面的規劃，然后根據業務發展的需要分步實施。

6.2 注重數據中心的整體成本，達到最大效用比

面向5G 的數據中心更應該注重節能和可持續發展，因為隨著業務的發展，機房隨時可能進行改建和擴建。數據中心的建設不僅僅是服務器、存儲等設備的性價比問題，數據中心供配電系統的建設也要遵循環保規范。

7 結束語

在新的發展時期，隨著5G 技術的高速發展，通信運營商把工作重心從網絡規模擴展轉移到多功能業務擴展和質量提升并重的道路上來，提高5G 上下游業務的含金量，使其真正成為電信業的業務支柱和利潤支柱。這就要求運營商不斷加強基礎性資源建設，數據中心是提高市場占有率的有力手段，而數據中心的基礎及有力保障就是供配電系統系統，這就要求前期供配電系統設計階段要做好各方面的調查及數據分析工作，只有供配電系統的嚴格設計，才能保障整個數據的用電安全、穩定及節能，從而有力推進5G 技術進一步發展。