大型數據中心園區10 kV供電系統改造方案探討

朱發熙，張 森，張仁玉

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，數據中心園區規模越建越大，動輒幾十棟機樓，上百萬臺服務器,但實際上數據中心的上架率卻連年下滑，特別是超大型數據中心，平均上架率僅為29.01%[1]。根據目前的調研結果看，大部分已經建成的數據中心上架率即便不錯，其實際機柜的運行功耗離設計規劃仍然有較大的差距，存在比較嚴重的大馬拉小車的情況[2-4]。這些長期占用市電等公共資源而沒有產出或低產出的數據中心，是對資源的一種巨大的浪費，有必要對其進行適當改造。

1 項目概況

內蒙古某大型數據中心園區總投資約173億元，總建筑面積100.6萬m2，總規劃42棟數據中心機樓，超過10萬架機架的裝機能力，預計能部署100萬臺服務器。截止2022年，該園區的A區已經完成建設，包括8棟數據中心、1棟綜合樓、2棟動力中心、1棟后勤保障中心、1棟倉儲中心以及1棟110 kV變電站。目前正在開展B區的建設工作，其中B6～B10這5個單體已經完成可研評審，并開始土建施工。

1.1 現狀分析

園區內共規劃了4座110 kV變電站，目前已建成一座110 kV/10 kV變電站，其內部配置4臺110 kV/10 kV 63 MVA主變，每臺主變各帶1段10 kV母線，變電站內總共設有39個10 kV出線間隔，其中容量為10 000 kVA的33個，容量不超5 000 kVA的6個。具體間隔使用情況詳見表1。

表1 110 kV變電站間隔使用情況表

根據表1可知，目前已經使用了34個出線間隔，其中32個間隔的容量約10 000 kVA、2個間隔的容量約4 000 kVA，變電站還剩余4個容量均不超5 000 kVA出線間隔和1個間隔的容量約10 000 kVA未使用。

當前變電站保障的范圍主要包括后勤保障中心和8棟數據中心，除了A8和A10這2個單體已接電但未上負荷外，變電站的總負載率只有約34%，距離變電站設計容量還有很大的空間。

1.2 存在問題

現有變電站產權歸供電部門所有，有效的出線間隔已基本被使用且無間隔擴容的條件。實際負載率較低，變電站的各出線間隔所帶的實際負荷均遠低于設計容量，這樣一方面導致已建變電站基礎設施閑置，投資浪費，另一方面也影響園區第二變電站的開建進度，因為根據園區與供電部門簽署的供電協議，在已建變電站的負載率未達到70%之前，園區內不能開建第2個110 kV變電站?，F階段園區的B區建設工作已經展開，如果不對園區供電系統進行改造，立馬會面臨無處可接電的窘境。

2 改造方案

為完成改造目標，需要對當前供電系統架構進行調整，方法是在變電站和各機樓之間增加開閉所，通過開閉所對各機樓的各套高壓系統進線重新分配，將實際使用容量較低的回路適當歸并，最終合并到變電站的單個10 kV出線間隔或者數個間隔，這樣可以減少變電站出線間隔需求，騰出的出線間隔可以供新建機樓使用。

圖1為改造前的供電系統示意圖，其中A3～A6機樓都直接從110 kV變電站引接電源，每棟機樓需要4個出線間隔。圖2為改造后的供電系統示意圖，A3～A6機樓的電源進線在新增的開閉所內適當歸并，然后再接到110 kV變電站。

圖1 改造前的供電系統示意

圖2 改造后的供電系統示意

2.1 1進多出方案

開閉所內每套高壓配電系統分別從110 kV變電站的出線間隔引入2路獨立的10 kV電源，然后再分配給多套高壓系統，開閉所每套系統后端帶的總負荷不能超過每套系統進線容量。

根據1進多出方案（圖3），本項目的開閉所可以設置4套約10 000 kVA系統，每套系統后端帶2套高壓系統，具體負荷分配詳見圖4所示，由圖4可見，A3～A6這4棟機樓共需變電站提供8個約10 000 kVA的出線間隔，而改造前則需16個出線間隔，因此按該方案改造，變電站10 kV側可以騰出8個間隔。

圖3 1進多出方案供電系統架構

圖4 1進多出方案負荷分配示意

由于該方案每段母線只引入單路電源，每套系統的容量較小，只有約10 000 kVA，按照目前的規劃，每套系統所帶負荷已經很多，應對后端機樓增加負荷的能力較弱。為了保障供電系統的安全性，需要嚴格管控負荷變化情況，限制變電站到開閉所的每回線路的實際負荷。

2.2 多路并聯方案

開閉所內每套高壓配電系統的每一段母線有多路電源從變電站引入，多路電源并在一段母線上，通過母線分配給機樓，如圖5所示。

圖5 多路并聯方案供電系統架構

根據本項目的實際情況，開閉所可以設置2套30 000 kVA的系統，每套系統從110 kV變電站引入6路10 000 kVA的10 kV電源，每3路并聯在1段母線上，為了確保安全并方便運維，并聯的3路需要來源于同一臺主變，如圖6所示。

圖6 多路并聯方案負荷分配示意圖

由圖6可見，A3～A6這4棟機樓總共需要110 kV變電站提供12個約10 000 kVA的出線間隔，改造后變電站10 kV側可以空出4個出線間隔，另外在開閉所第2套30 000 kVA的系統中還剩余約200 000 kVA的容量，還可以空出8個出線間隔，因此該方案總共可以空出12個有效間隔。

由于開閉所每套系統的容量能做到約30 000 kVA，形成一個更大的資源池，每一段母線都相當于變電站10 kV母線的擴展，后端負荷變化時電力負荷調整的空間更大，因此受機樓負荷變動的影響較小。

2.3 方案比選

根據前面1進多出和多路并聯方案的論述，兩者對比匯總詳見表2。

表2 開閉所2種方案對比

考慮到本項目是過渡性方案（如果后期相應機房的負荷依然上不來，則為永久方案），改造方案需要堅持到第2個110 kV變電站建成，根據目前機樓建設時序推測過渡性方案需使用數年之久，因此必須重點考慮各機樓負荷增大可能性，結合建設投資和需求等因素，本工程采用多路并聯的方案。

3 運行控制策略

開閉所每套系統單段母線示意見圖7，每一段母線都包含3個進線開關和若干個出線開關，每路進線的額定容量均為10 000 kVA。

圖7 開閉所單段母線示意圖

如果3路進線中的1路進線因故障退出運行，剩余的2路進線還能提供20 000 kVA的供電能力，因為機樓負荷是2N運行的，正常情況下掛在該段母線下的負荷約15 000 kVA，因此在3路進線中1路出線故障時，另外2路可以正常運行，但應動作于報警，提醒運維人員及時檢修。

如果3路中的2路因故障而退出運行，應及時聯動跳開第3路進線開關，因為這個工況下剩下的1路已經不可能安全帶載，通過電氣聯鎖快速切除第3路進線開關，避免進線斷路器過負荷動作不及時故障傳導到變電站。開閉所各種運行工況下進線斷路器運行真值詳見表3。

表3 進線斷路器運行真值

開閉所任意一段母線檢修時，應將3個進線開關全部斷開，并將變電站內與之對應的3個出線間隔全部斷開，檢修完畢后應先合進線開關，在確保3個進線開關全部正常合閘后再逐個合閘出線開關。

4 結 論

10 kV電源多路并聯方案雖然行業內并不多見，但技術上是切實可行的。這種應用于本質上和低壓配電系統內的電纜多拼是一致的，只不過高壓電纜比較粗，多拼時接線困難。通過多路并聯，可以把被細瑣分割的電源進行匯總，形成一個更大的資源池，有利于電力資源的再利用，因此這種方案比較適用在改造項目中。