鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計

趙麗娜

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

近年來，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)單位等對信息的集中管理和存儲的要求越來越高，建設省級、區(qū)域級甚至國家級的大型數(shù)據(jù)中心成為勢在必行的基建項目。

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數(shù)據(jù)中心所有設備正常運行的基礎條件。建立一個完善的供配電系統(tǒng)，可以有效避免其供電中斷造成數(shù)據(jù)中心運轉出現(xiàn)故障或造成巨大的經(jīng)濟損失。

1 工程概況

鐵路作為國家大型服務行業(yè)，其運營和發(fā)展對數(shù)據(jù)存儲與交換的要求越來越高。建設大型數(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)鐵路電力設計有很大不同。建立典型的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)對鐵路行業(yè)意義重大。

本文根據(jù)多年設計經(jīng)驗，提出一種鐵路行業(yè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的典型設計方案。通過設置10kV配電所、10／0．4kV變電所、UPS供電系統(tǒng)及柴油發(fā)電機組，為數(shù)據(jù)中心提供可靠穩(wěn)定的電源。

2 數(shù)據(jù)中心的分級及性能要求

數(shù)據(jù)中心分級是整個數(shù)據(jù)中心設計的首要條件。不同的分級對應著數(shù)據(jù)中心不同的專業(yè)設計原則和設計方案?！稊?shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174－2017）中將數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C三級。電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失或公共場所秩序嚴重混亂的數(shù)據(jù)中心屬于A級；電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成較大的經(jīng)濟損失或公共場所秩序混亂的數(shù)據(jù)中心屬于B級；不屬于A級或B級的數(shù)據(jù)中心為C級。

鐵路數(shù)據(jù)中心一般用于鐵路行業(yè)相關核心數(shù)據(jù)的存儲、鐵路網(wǎng)站數(shù)據(jù)的存儲及交換，承載各地方鐵路局集中應用系統(tǒng)的部署及數(shù)據(jù)資源的存儲等，對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，其電氣技術要求詳見表1。

表1 A級數(shù)據(jù)中心的電氣技術要求

3 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設計

鐵路數(shù)據(jù)中心中電子信息設備多，單位用電功率密度大，用電負荷類型多，負荷性質(zhì)多樣化，主要用電負荷較為集中，供電可靠性要求高。經(jīng)統(tǒng)計，本案例用電負荷約為15500kW。根據(jù)其特點，通過對數(shù)據(jù)中心中不同的用電負荷進行用電等級劃分，對不同用電等級的負荷，提供不同的供電方案。

3．1 供電負荷類型、負荷等級劃分及供電原則

本數(shù)據(jù)中心用電負荷主要包括信息通信機房設備、消防設備、變電所自用電、機房空調(diào)、冷卻塔、給排水設備、風機、電梯、動力負荷、應急照明及一般照明等。

上述用電負荷中，信息、通信機房設備為特別重要的一級負荷，同時為這些設備機房提供穩(wěn)定運行環(huán)境的空調(diào)和冷風機組設備，會影響到信息通信設備的正常運行，應劃分為特別重要的一級負荷；消防設備、應急疏散照明等消防負荷按照一級負荷提供電源。給排水設備、風機、電梯、一般照明等為二級負荷；其他為三級負荷。

一級負荷由雙重電源供電，當一電源發(fā)生故障時，另一電源不應同時受到損壞。采用從變電所兩段低壓母線上各接引一路電源供電，設備末端自動切換。一級負荷中的特別重要負荷除應由雙重電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急供電系統(tǒng)。二級負荷一般采用從設有母聯(lián)的變電所任一段低壓母線上接引一路電源供電。三級負荷采用從變電所三級負荷母線段上接引一路電源供電，當變電所只有一路電源時，切除三級負荷。

3．2 供配電系統(tǒng)布置

數(shù)據(jù)中心的組成宜由主機房、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)電機房作為支持區(qū)，應盡量靠近負荷中心（主機房），以提供動力支持和安全保障。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)設計方案

如圖1所示，鐵路數(shù)據(jù)中心的用電負荷集中分布在二層和三層。一層為變配電所，二層為IT設備及UPS設備房間，三層為預留，每層面積約為10000m2。本方案共設置了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)設置了備用電源——柴油發(fā)電機組的接入條件。

3．3．1 10kV 配電所的設計

在主建筑一層設置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2路10kV電源，構成雙重電源條件，共計引入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，不設母聯(lián)。正常運行時，兩路電源分別運行。當一路電源失電時，為本所提供備用電源的柴油發(fā)電機啟動，保持熱備，但不投入；當兩路電源失電時，電源進線開關打開，柴油發(fā)電機組并機開關閉合，柴油發(fā)電機投入。當一路電源恢復后，柴油發(fā)電機退出投入，保持熱備；當兩路電源都恢復供電時，柴油發(fā)電機停機。每座配電所的市電進線斷路器與柴油發(fā)電機組進線斷路器設置電氣聯(lián)鎖，不能同時閉合。

3．3．2 10／0．4kV 變電所的設計

根據(jù)用電負荷的等級、性質(zhì)、容量，結合信息、通信機房的設置情況，采取分區(qū)域，分負荷供電的方式。根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》（GB50174－2017）中8．1．7條規(guī)定，電子信息設備宜由不間斷電源系統(tǒng)供電，故本數(shù)據(jù)中心信息、通信機房設備設置專用變壓器經(jīng)由兩路UPS供電；設備機房的空調(diào)、冷凍水泵等考慮經(jīng)濟性和可靠性等因素，由一路市電和一路UPS供電，正常運行時，由一路UPS供電，檢修情況下由一路市電供電；其余一級負荷由兩路市電供電。共計設置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表2。

表2 變電所設置表

10／0．4kV 變電所 0．4kV 側采用單母線分段，中間設母聯(lián)開關的運行方式，當一臺變壓器檢修或故障時，切除三級負荷，母聯(lián)開關自投，由另一臺變壓器負責本供電區(qū)域內(nèi)的一、二級負荷用電。

在主建筑一層設置電力控制中心，以實現(xiàn)對10kV配電所以及10／0．4kV變電所各遠動終端的遙控、遙信、遙測。

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急電源，故在主建筑設置2套單總線輸入／輸出型UPS電源系統(tǒng)，為機房專用空調(diào)和冷凍水二次循環(huán)泵提供一路不間斷電源。設置7套雙總線輸入／輸出型UPS電源系統(tǒng)，為信息機房模塊和通信機房模塊等提供不間斷電源，其設置標準為2N。UPS電源機房均與其供電的設備機房相鄰布置。

本典型設計方案中主要有兩種設備機房、5個低密機房和2個高密機房。低密機房內(nèi)，設有約190臺機柜，每臺機柜用電量為5kW。高密機房內(nèi)，設有約118臺機柜，每臺機柜用電量為10kW。不間斷電源系統(tǒng)的基本容量可按（1）式計算：

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)設備）（kW／kVA）；P為電子信息設備的計算負荷（kW／kVA）。

同時考慮UPS的效率為0．95，計算可得為低密機房供電的UPS基本容量為1200kVA，故選取3臺容量為400kVA的UPS并機使用，對應的變壓器容量為1250kVA。同理可得為高密機房供電的UPS基本容量為1490kVA，故選取3臺容量為500kVA的UPS并機使用，對應的變壓器容量為1600kVA。UPS電源機房容錯布置在兩個房間，形成2N條件。每組UPS電源備用時間為15分鐘。UPS系統(tǒng)容量及供電范圍詳見表3。

表3 UPS系統(tǒng)容量及供電范圍表

3．4 柴油發(fā)電機組的設計

根據(jù)規(guī)范要求，本設計方案配置了10kV柴油發(fā)電機組。為減少柴油發(fā)電機的震動和噪音對主建筑的影響，在主建筑附近單獨設置一座柴油發(fā)電機樓，并設置了10kV并機配電所。

本數(shù)據(jù)中心備用用電負荷包括：通信信息機房設備、消防設備、變電所自用電、機房空調(diào)、冷卻塔、應急照明等，共計約為14500kW。根據(jù)備用用電負荷容量，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并機配電所與其能保持一定的對應關系，采用分組柴油發(fā)電機并機模式。根據(jù)表1中規(guī)定，柴油發(fā)電機組按照N＋1標準進行配置，N值設定為7，采用（7＋1）10kV柴油發(fā)電機并機模式系統(tǒng)。每臺柴油發(fā)電機主功率為2200kW。如此，備用電源可承擔數(shù)據(jù)中心正常運行所需要的負荷用電量。

3．5 供電系統(tǒng)的可靠性

本設計方案中為信息、通信機房供電的配電設備均按容錯型配置。10kV電源采用了雙重電源，同時采用10kV柴油發(fā)電機作為備用電源。10／0．4kV變電所設置專用變壓器經(jīng)由在線式UPS不間斷電源系統(tǒng)為其供電。正常運行情況下，由市電通過不間斷電源向機房設備供電。當一路市電故障時，柴油發(fā)電機組啟動，但不投入；變電所內(nèi)低壓母聯(lián)閉合，由一臺變壓器為其供電區(qū)域內(nèi)設備供電。當兩路市電故障時，由UPS蓄電池經(jīng)逆變電路向負載提供不間斷電源，同時柴油發(fā)電機組啟動，并在15分鐘內(nèi)并機投入運行，從而保證了鐵路數(shù)據(jù)中心機房設備供電不中斷。各系統(tǒng)的對應關系如圖2所示。

圖2 供配電系統(tǒng)組網(wǎng)關系圖

4 結論

綜上所述，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心最重要的基礎設施，應穩(wěn)定、可靠、便于維護。本文所述鐵路數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)典型設計方案充分考慮了用電負荷性質(zhì)及等級，對應提供不同的供電方案。通過設置了 10kV 配電所，10／0．4kV 變電所，UPS不間斷電源，柴油發(fā)電機組等多重供電電源，充分保障了數(shù)據(jù)中心的正常運行，為后續(xù)鐵路數(shù)據(jù)中心的建設提供了設計示例及思路。設計同時遵循數(shù)據(jù)中心近期建設規(guī)模與遠期發(fā)展規(guī)劃協(xié)調(diào)一致的原則，充分考慮后期發(fā)展，在變配電所的設備房間布局，供配電系統(tǒng)設計及柴油發(fā)電機房的設置上，均需為后期預留一定的條件，便于數(shù)據(jù)中心后期發(fā)展運營。