大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)10 kV供電系統(tǒng)改造方案探討

朱發(fā)熙，張 森，張仁玉

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近年來，數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)模越建越大，動輒幾十棟機(jī)樓，上百萬臺服務(wù)器,但實際上數(shù)據(jù)中心的上架率卻連年下滑，特別是超大型數(shù)據(jù)中心，平均上架率僅為29.01%[1]。根據(jù)目前的調(diào)研結(jié)果看，大部分已經(jīng)建成的數(shù)據(jù)中心上架率即便不錯，其實際機(jī)柜的運行功耗離設(shè)計規(guī)劃仍然有較大的差距，存在比較嚴(yán)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(chǎn)出或低產(chǎn)出的數(shù)據(jù)中心，是對資源的一種巨大的浪費，有必要對其進(jìn)行適當(dāng)改造。

1 項目概況

內(nèi)蒙古某大型數(shù)據(jù)中心園區(qū)總投資約173億元，總建筑面積100.6萬m2，總規(guī)劃42棟數(shù)據(jù)中心機(jī)樓，超過10萬架機(jī)架的裝機(jī)能力，預(yù)計能部署100萬臺服務(wù)器。截止2022年，該園區(qū)的A區(qū)已經(jīng)完成建設(shè)，包括8棟數(shù)據(jù)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(qū)的建設(shè)工作，其中B6～B10這5個單體已經(jīng)完成可研評審，并開始土建施工。

1.1 現(xiàn)狀分析

園區(qū)內(nèi)共規(guī)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(nèi)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(nèi)總共設(shè)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(jù)表1可知，目前已經(jīng)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(dāng)前變電站保障的范圍主要包括后勤保障中心和8棟數(shù)據(jù)中心，除了A8和A10這2個單體已接電但未上負(fù)荷外，變電站的總負(fù)載率只有約34%，距離變電站設(shè)計容量還有很大的空間。

1.2 存在問題

現(xiàn)有變電站產(chǎn)權(quán)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(kuò)容的條件。實際負(fù)載率較低，變電站的各出線間隔所帶的實際負(fù)荷均遠(yuǎn)低于設(shè)計容量，這樣一方面導(dǎo)致已建變電站基礎(chǔ)設(shè)施閑置，投資浪費，另一方面也影響園區(qū)第二變電站的開建進(jìn)度，因為根據(jù)園區(qū)與供電部門簽署的供電協(xié)議，在已建變電站的負(fù)載率未達(dá)到70%之前，園區(qū)內(nèi)不能開建第2個110 kV變電站?，F(xiàn)階段園區(qū)的B區(qū)建設(shè)工作已經(jīng)展開，如果不對園區(qū)供電系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)，需要對當(dāng)前供電系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，方法是在變電站和各機(jī)樓之間增加開閉所，通過開閉所對各機(jī)樓的各套高壓系統(tǒng)進(jìn)線重新分配，將實際使用容量較低的回路適當(dāng)歸并，最終合并到變電站的單個10 kV出線間隔或者數(shù)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(jī)樓使用。

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

圖1 改造前的供電系統(tǒng)示意

圖2 改造后的供電系統(tǒng)示意

2.1 1進(jìn)多出方案

開閉所內(nèi)每套高壓配電系統(tǒng)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(tǒng)，開閉所每套系統(tǒng)后端帶的總負(fù)荷不能超過每套系統(tǒng)進(jìn)線容量。

根據(jù)1進(jìn)多出方案（圖3），本項目的開閉所可以設(shè)置4套約10 000 kVA系統(tǒng)，每套系統(tǒng)后端帶2套高壓系統(tǒng)，具體負(fù)荷分配詳見圖4所示，由圖4可見，A3～A6這4棟機(jī)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(cè)可以騰出8個間隔。

圖3 1進(jìn)多出方案供電系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 1進(jìn)多出方案負(fù)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(tǒng)的容量較小，只有約10 000 kVA，按照目前的規(guī)劃，每套系統(tǒng)所帶負(fù)荷已經(jīng)很多，應(yīng)對后端機(jī)樓增加負(fù)荷的能力較弱。為了保障供電系統(tǒng)的安全性，需要嚴(yán)格管控負(fù)荷變化情況，限制變電站到開閉所的每回線路的實際負(fù)荷。

2.2 多路并聯(lián)方案

開閉所內(nèi)每套高壓配電系統(tǒng)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(jī)樓，如圖5所示。

圖5 多路并聯(lián)方案供電系統(tǒng)架構(gòu)

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

圖6 多路并聯(lián)方案負(fù)荷分配示意圖

由圖6可見，A3～A6這4棟機(jī)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(cè)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(tǒng)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(tǒng)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(dāng)于變電站10 kV母線的擴(kuò)展，后端負(fù)荷變化時電力負(fù)荷調(diào)整的空間更大，因此受機(jī)樓負(fù)荷變動的影響較小。

2.3 方案比選

根據(jù)前面1進(jìn)多出和多路并聯(lián)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(yīng)機(jī)房的負(fù)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(jù)目前機(jī)樓建設(shè)時序推測過渡性方案需使用數(shù)年之久，因此必須重點考慮各機(jī)樓負(fù)荷增大可能性，結(jié)合建設(shè)投資和需求等因素，本工程采用多路并聯(lián)的方案。

3 運行控制策略

開閉所每套系統(tǒng)單段母線示意見圖7，每一段母線都包含3個進(jìn)線開關(guān)和若干個出線開關(guān)，每路進(jìn)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(jìn)線中的1路進(jìn)線因故障退出運行，剩余的2路進(jìn)線還能提供20 000 kVA的供電能力，因為機(jī)樓負(fù)荷是2N運行的，正常情況下掛在該段母線下的負(fù)荷約15 000 kVA，因此在3路進(jìn)線中1路出線故障時，另外2路可以正常運行，但應(yīng)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(yīng)及時聯(lián)動跳開第3路進(jìn)線開關(guān)，因為這個工況下剩下的1路已經(jīng)不可能安全帶載，通過電氣聯(lián)鎖快速切除第3路進(jìn)線開關(guān)，避免進(jìn)線斷路器過負(fù)荷動作不及時故障傳導(dǎo)到變電站。開閉所各種運行工況下進(jìn)線斷路器運行真值詳見表3。

表3 進(jìn)線斷路器運行真值

開閉所任意一段母線檢修時，應(yīng)將3個進(jìn)線開關(guān)全部斷開，并將變電站內(nèi)與之對應(yīng)的3個出線間隔全部斷開，檢修完畢后應(yīng)先合進(jìn)線開關(guān)，在確保3個進(jìn)線開關(guān)全部正常合閘后再逐個合閘出線開關(guān)。

4 結(jié) 論

10 kV電源多路并聯(lián)方案雖然行業(yè)內(nèi)并不多見，但技術(shù)上是切實可行的。這種應(yīng)用于本質(zhì)上和低壓配電系統(tǒng)內(nèi)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(lián)，可以把被細(xì)瑣分割的電源進(jìn)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。