鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙麗娜

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

近年來(lái)，隨著電子信息科技的不斷發(fā)展，金融業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)、政府、企事業(yè)單位等對(duì)信息的集中管理和存儲(chǔ)的要求越來(lái)越高，建設(shè)省級(jí)、區(qū)域級(jí)甚至國(guó)家級(jí)的大型數(shù)據(jù)中心成為勢(shì)在必行的基建項(xiàng)目。

而數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)屬于其配套工程的重中之重。安全、穩(wěn)定、可靠地為數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)提供不間斷電源是整個(gè)數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。建立一個(gè)完善的供配電系統(tǒng)，可以有效避免其供電中斷造成數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障或造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 工程概況

鐵路作為國(guó)家大型服務(wù)行業(yè)，其運(yùn)營(yíng)和發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換的要求越來(lái)越高。建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心是鐵路大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需要。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)鐵路電力設(shè)計(jì)有很大不同。建立典型的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)對(duì)鐵路行業(yè)意義重大。

本文根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出一種鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案。通過(guò)設(shè)置10kV配電所、10／0．4kV變電所、UPS供電系統(tǒng)及柴油發(fā)電機(jī)組，為數(shù)據(jù)中心提供可靠穩(wěn)定的電源。

2 數(shù)據(jù)中心的分級(jí)及性能要求

數(shù)據(jù)中心分級(jí)是整個(gè)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的首要條件。不同的分級(jí)對(duì)應(yīng)著數(shù)據(jù)中心不同的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方案。《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174－2017）中將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三級(jí)。電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序嚴(yán)重混亂的數(shù)據(jù)中心屬于A級(jí)；電子信息系統(tǒng)運(yùn)行中斷將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失或公共場(chǎng)所秩序混亂的數(shù)據(jù)中心屬于B級(jí)；不屬于A級(jí)或B級(jí)的數(shù)據(jù)中心為C級(jí)。

鐵路數(shù)據(jù)中心一般用于鐵路行業(yè)相關(guān)核心數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、鐵路網(wǎng)站數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及交換，承載各地方鐵路局集中應(yīng)用系統(tǒng)的部署及數(shù)據(jù)資源的存儲(chǔ)等，對(duì)供電的可靠性要求極高。本文所研究的數(shù)據(jù)中心為A級(jí)，其電氣技術(shù)要求詳見(jiàn)表1。

表1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心的電氣技術(shù)要求

3 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路數(shù)據(jù)中心中電子信息設(shè)備多，單位用電功率密度大，用電負(fù)荷類(lèi)型多，負(fù)荷性質(zhì)多樣化，主要用電負(fù)荷較為集中，供電可靠性要求高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本案例用電負(fù)荷約為15500kW。根據(jù)其特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)中心中不同的用電負(fù)荷進(jìn)行用電等級(jí)劃分，對(duì)不同用電等級(jí)的負(fù)荷，提供不同的供電方案。

3．1 供電負(fù)荷類(lèi)型、負(fù)荷等級(jí)劃分及供電原則

本數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷主要包括信息通信機(jī)房設(shè)備、消防設(shè)備、變電所自用電、機(jī)房空調(diào)、冷卻塔、給排水設(shè)備、風(fēng)機(jī)、電梯、動(dòng)力負(fù)荷、應(yīng)急照明及一般照明等。

上述用電負(fù)荷中，信息、通信機(jī)房設(shè)備為特別重要的一級(jí)負(fù)荷，同時(shí)為這些設(shè)備機(jī)房提供穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境的空調(diào)和冷風(fēng)機(jī)組設(shè)備，會(huì)影響到信息通信設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)劃分為特別重要的一級(jí)負(fù)荷；消防設(shè)備、應(yīng)急疏散照明等消防負(fù)荷按照一級(jí)負(fù)荷提供電源。給排水設(shè)備、風(fēng)機(jī)、電梯、一般照明等為二級(jí)負(fù)荷；其他為三級(jí)負(fù)荷。

一級(jí)負(fù)荷由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。采用從變電所兩段低壓母線上各接引一路電源供電，設(shè)備末端自動(dòng)切換。一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷除應(yīng)由雙重電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。二級(jí)負(fù)荷一般采用從設(shè)有母聯(lián)的變電所任一段低壓母線上接引一路電源供電。三級(jí)負(fù)荷采用從變電所三級(jí)負(fù)荷母線段上接引一路電源供電，當(dāng)變電所只有一路電源時(shí)，切除三級(jí)負(fù)荷。

3．2 供配電系統(tǒng)布置

數(shù)據(jù)中心的組成宜由主機(jī)房、輔助區(qū)、支持區(qū)、行政管理區(qū)等功能區(qū)組成。變配電所、柴油發(fā)電機(jī)房作為支持區(qū)，應(yīng)盡量靠近負(fù)荷中心（主機(jī)房），以提供動(dòng)力支持和安全保障。鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

圖1 鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)布置示意圖

3．3 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，鐵路數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷集中分布在二層和三層。一層為變配電所，二層為IT設(shè)備及UPS設(shè)備房間，三層為預(yù)留，每層面積約為10000m2。本方案共設(shè)置了3層供電系統(tǒng)，分別為10kV配電所、10／0．4kV變電所、UPS供電系統(tǒng)，并在10kV 配電所內(nèi)設(shè)置了備用電源——柴油發(fā)電機(jī)組的接入條件。

3．3．1 10kV 配電所的設(shè)計(jì)

在主建筑一層設(shè)置3座10kV配電所。每座配電所由地方變電站不同饋出母線段上引來(lái)2路10kV電源，構(gòu)成雙重電源條件，共計(jì)引入6路10kV電源。每座配電所的安裝容量在5500kVA至7000kVA之間。

10kV主接線采用單母線斷路器分段，不設(shè)母聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，兩路電源分別運(yùn)行。當(dāng)一路電源失電時(shí)，為本所提供備用電源的柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，保持熱備，但不投入；當(dāng)兩路電源失電時(shí)，電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)打開(kāi)，柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)開(kāi)關(guān)閉合，柴油發(fā)電機(jī)投入。當(dāng)一路電源恢復(fù)后，柴油發(fā)電機(jī)退出投入，保持熱備；當(dāng)兩路電源都恢復(fù)供電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)。每座配電所的市電進(jìn)線斷路器與柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)線斷路器設(shè)置電氣聯(lián)鎖，不能同時(shí)閉合。

3．3．2 10／0．4kV 變電所的設(shè)計(jì)

根據(jù)用電負(fù)荷的等級(jí)、性質(zhì)、容量，結(jié)合信息、通信機(jī)房的設(shè)置情況，采取分區(qū)域，分負(fù)荷供電的方式。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174－2017）中8．1．7條規(guī)定，電子信息設(shè)備宜由不間斷電源系統(tǒng)供電，故本數(shù)據(jù)中心信息、通信機(jī)房設(shè)備設(shè)置專(zhuān)用變壓器經(jīng)由兩路UPS供電；設(shè)備機(jī)房的空調(diào)、冷凍水泵等考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素，由一路市電和一路UPS供電，正常運(yùn)行時(shí)，由一路UPS供電，檢修情況下由一路市電供電；其余一級(jí)負(fù)荷由兩路市電供電。共計(jì)設(shè)置10座10／0．4kV變電所，均在主建筑一層。各變電所內(nèi)2路10kV電源均引自10kV配電所，變電所容量及供電范圍詳見(jiàn)表2。

表2 變電所設(shè)置表

10／0．4kV 變電所 0．4kV 側(cè)采用單母線分段，中間設(shè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行方式，當(dāng)一臺(tái)變壓器檢修或故障時(shí)，切除三級(jí)負(fù)荷，母聯(lián)開(kāi)關(guān)自投，由另一臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)本供電區(qū)域內(nèi)的一、二級(jí)負(fù)荷用電。

在主建筑一層設(shè)置電力控制中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)10kV配電所以及10／0．4kV變電所各遠(yuǎn)動(dòng)終端的遙控、遙信、遙測(cè)。

3．3．3 UPS 不間斷電源系統(tǒng)

考慮UPS電源供電可靠性和安全性，采用分區(qū)集中式UPS電源系統(tǒng)。根據(jù)表1中規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)的雙路電源中至少一路為應(yīng)急電源，故在主建筑設(shè)置2套單總線輸入／輸出型UPS電源系統(tǒng)，為機(jī)房專(zhuān)用空調(diào)和冷凍水二次循環(huán)泵提供一路不間斷電源。設(shè)置7套雙總線輸入／輸出型UPS電源系統(tǒng)，為信息機(jī)房模塊和通信機(jī)房模塊等提供不間斷電源，其設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為2N。UPS電源機(jī)房均與其供電的設(shè)備機(jī)房相鄰布置。

本典型設(shè)計(jì)方案中主要有兩種設(shè)備機(jī)房、5個(gè)低密機(jī)房和2個(gè)高密機(jī)房。低密機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)有約190臺(tái)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜用電量為5kW。高密機(jī)房?jī)?nèi)，設(shè)有約118臺(tái)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜用電量為10kW。不間斷電源系統(tǒng)的基本容量可按（1）式計(jì)算：

式中，E為不間斷電源系統(tǒng)的基本容量（不包含備份不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備）（kW／kVA）；P為電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷（kW／kVA）。

同時(shí)考慮UPS的效率為0．95，計(jì)算可得為低密機(jī)房供電的UPS基本容量為1200kVA，故選取3臺(tái)容量為400kVA的UPS并機(jī)使用，對(duì)應(yīng)的變壓器容量為1250kVA。同理可得為高密機(jī)房供電的UPS基本容量為1490kVA，故選取3臺(tái)容量為500kVA的UPS并機(jī)使用，對(duì)應(yīng)的變壓器容量為1600kVA。UPS電源機(jī)房容錯(cuò)布置在兩個(gè)房間，形成2N條件。每組UPS電源備用時(shí)間為15分鐘。UPS系統(tǒng)容量及供電范圍詳見(jiàn)表3。

表3 UPS系統(tǒng)容量及供電范圍表

3．4 柴油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，本設(shè)計(jì)方案配置了10kV柴油發(fā)電機(jī)組。為減少柴油發(fā)電機(jī)的震動(dòng)和噪音對(duì)主建筑的影響，在主建筑附近單獨(dú)設(shè)置一座柴油發(fā)電機(jī)樓，并設(shè)置了10kV并機(jī)配電所。

本數(shù)據(jù)中心備用用電負(fù)荷包括：通信信息機(jī)房設(shè)備、消防設(shè)備、變電所自用電、機(jī)房空調(diào)、冷卻塔、應(yīng)急照明等，共計(jì)約為14500kW。根據(jù)備用用電負(fù)荷容量，主建筑10kV配電所的供電容量和供電范圍，并考慮柴發(fā)樓10kV并機(jī)配電所與其能保持一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用分組柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)模式。根據(jù)表1中規(guī)定，柴油發(fā)電機(jī)組按照N＋1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，N值設(shè)定為7，采用（7＋1）10kV柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)模式系統(tǒng)。每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)主功率為2200kW。如此，備用電源可承擔(dān)數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所需要的負(fù)荷用電量。

3．5 供電系統(tǒng)的可靠性

本設(shè)計(jì)方案中為信息、通信機(jī)房供電的配電設(shè)備均按容錯(cuò)型配置。10kV電源采用了雙重電源，同時(shí)采用10kV柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。10／0．4kV變電所設(shè)置專(zhuān)用變壓器經(jīng)由在線式UPS不間斷電源系統(tǒng)為其供電。正常運(yùn)行情況下，由市電通過(guò)不間斷電源向機(jī)房設(shè)備供電。當(dāng)一路市電故障時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，但不投入；變電所內(nèi)低壓母聯(lián)閉合，由一臺(tái)變壓器為其供電區(qū)域內(nèi)設(shè)備供電。當(dāng)兩路市電故障時(shí)，由UPS蓄電池經(jīng)逆變電路向負(fù)載提供不間斷電源，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，并在15分鐘內(nèi)并機(jī)投入運(yùn)行，從而保證了鐵路數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備供電不中斷。各系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 供配電系統(tǒng)組網(wǎng)關(guān)系圖

4 結(jié)論

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)穩(wěn)定、可靠、便于維護(hù)。本文所述鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)方案充分考慮了用電負(fù)荷性質(zhì)及等級(jí)，對(duì)應(yīng)提供不同的供電方案。通過(guò)設(shè)置了 10kV 配電所，10／0．4kV 變電所，UPS不間斷電源，柴油發(fā)電機(jī)組等多重供電電源，充分保障了數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，為后續(xù)鐵路數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供了設(shè)計(jì)示例及思路。設(shè)計(jì)同時(shí)遵循數(shù)據(jù)中心近期建設(shè)規(guī)模與遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃協(xié)調(diào)一致的原則，充分考慮后期發(fā)展，在變配電所的設(shè)備房間布局，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及柴油發(fā)電機(jī)房的設(shè)置上，均需為后期預(yù)留一定的條件，便于數(shù)據(jù)中心后期發(fā)展運(yùn)營(yíng)。