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数据中心电力系统与发电匹配技术研究

2016-08-28 22:44:27作者:中国工商银行数据中心(上海) 赵军编辑:金融咨询网
柴油发电机组系统作为自备应急电源的一种形式被广泛地应用于数据中心。根据近年来在国内金融行业数据中心建设和维护的实际经验,笔者对数据中心l0kV等级柴油发电机组与供配电系统的匹配技术进行了规纳和总结,以期为以后大型数据中心的规划、建设和运维提供借鉴。

近年来,金融、通信、互联网等行业数据量迅猛增加。虚拟化和云计算技术的兴起,促进了国内大型数据中心建设的加速发展。数据中心供配电系统必须为数据中心用电设备提供稳定、可靠和安全的电源,因供电中断而导致数据中心瘫痪,将造成巨大的经济损失。

        柴油发电机组系统作为自备应急电源的一种形式被广泛地应用于数据中心。根据近年来在国内金融行业数据中心建设和维护的实际经验,笔者对数据中心l0kV等级柴油发电机组与供配电系统的匹配技术进行了规纳和总结,以期为以后大型数据中心的规划、建设和运维提供借鉴。

一、柴油发电机组系统的建设

        1.柴油发电机系统容量选择及功率种类确定

        功率选型是机组选型的核心内容,其原则是在最少投资的前提下满足使用要求。

        柴油发电机组功率的定义比较复杂,因此首先应该明确各种功率的定义,分析机组的工况性质,确定功率条件,然后根据机组的现场条件和负载的特性,计算并修正所需要的机组输出功率。

        IS08528—1:2005中对功率定额种类的规定如下。

        (1)持续功率(COP):在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,发电机组以恒定负荷持续运行,且每年运行时数不受限制的最大功率。

        (2)基本功率(PRP):在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,发电机组以可变负荷持续运行,且每年运行时数不受限制的最大功率。24小时运行周期内运行的平均功率输出(Ppp)应不超过PRP的70%,除非与往复式内燃机(RIC)发动机制造商另有商定。在要求允许的平均功率输出PRP较规定值高的应用场合,应使用持续功率。

        (3)限时运行功率(LTP):在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,发电机组每年运行时间可达500小时的最大功率。按100%限时运行功率每年运行的最长时间为500小时。

        (4)应急备用功率(ESP):在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养,在市电一旦中断或在实验条件下,发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200小时的最大功率。24小时运行周期内允许的平均功率输出应该不超过70%ESP(额定功率),除非与制造商另有商定。

        该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出规定:现场条件由用户确定,在现场条件未知且未另作规定的情况下,应采取下列额定现场条件。

        绝对大气压力:89.9kPa(或海拔高度1000m);

        环境温度:40℃;

        相对湿度:60%。

        标准上发电机组有四种功率定义,但供应商们众说纷纭,各厂家自己的定义也不相同,给用户采购和检测带来了困惑。基于数据中心负载特性,如需满足GB50l74-2008 A级、ANSI TIA942-2012 T3/T4以及UPTIME T3/T4对柴油发电机组的要求,通常要求选用上述持续功率。

        由于各厂家的同一型号的发电机组,可以有不同的功率标定值,即使是同样的价格,也可能会买到不同功率标定的发电机功率,例如,标定应急备用功率2000kw功率的发电机组,标定基本功率和限时运行功率就是1800kw,连续功率就是1600kw。根据目前国家电网供电稳定性情况,市电长时间发生故障的可能性非常低,所以从项目投资经济性方面考虑,选择基本功率或限时运行功率基本可以满足要求。

        现阶段的数据中心的负载性质有其特殊性,负载在负荷功率因数、负载的输入谐波、特别是负载的平稳程度都是比较良好的。由此,在采购发电机组时,某大型商业银行数据中心项目考虑到上海电网的稳定性,选择了应急备用功率的发电机组,在同等额定功率下,与选择持续功率发电机价格相比节省了25%的总费用。

        2.柴油发电机电压等级和机组数量及经济化运行

        由于数据中心的重要性,应该考虑在各种工况下的供电设备的供电可靠性、负荷容量及启动冲击、系统冗余等内容。在配置柴油机系统时,应按照N+l原则来配置机组的数量。机组并联是经常采用的方式。由于我国目前0.4kV的低压成套配电柜产品没有6300A上的应用,并联运行的0.4kV发电机总容量无法超过3200kW,如果场地确实需要更大容量的柴油发电机组,建议采用l0kV的中压发电机组。

        目前国内大型数据中心的供电规模基本在4MW以上,多采用多台10kV柴油发电机组,配置数量按N+l的原则。据了解,目前大多数柴油发电机组并机系统的数量最多可以达到32台。

        一般大型数据中心配置的发电机台数较多,投资金额占整个数据中心的比例较高,但往往在数据中心建设初期,实际负载不能达到额定负荷,为提高资金利用率,可以根据数据中心的建设规模和进度,一次性完成架构方面的建设,但分期购置和安装柴油发电机组;或是将所有最终的需求分成多个模块和母线段建设,避免后期发电机品牌和型号由于技术发展和采购流程不一致而产生机组并机问题。

        由于数据中心初期实际负载较小,为提高柴油发电机组的燃油经济性,系统管理可设定发电机组运行台数,即当实际负荷较低时,可以适当停止运行某几台发电机组,以达到最佳的燃油消耗,同时为保障系统的可靠性,可设定最小运行台数以满足N+l运行模式的需要。

        以某大型商业银行数据中心项目为例,一阶段安装有12台2400kw l0.5kV柴油发电机组并联运行,在初期实际负荷只有3000kW左右,发电机负荷率很低,为提高燃油经济性,将发电机按优先等级分为12个等级,最小运行台数为5;在单机负荷率低于30%时,自动退出和停止运行优先级别较低的发电机组,直到发电机组运行台数为5;在最小运行方式下,单机负荷率高于60%时(可以自行设置,不宜超过70%),可逐台加入并机运行。

         3.输出开关的配置以及差动保护整定值

        对于10kV电压等级的发电机,在选择发电机的输出断路器时,必须确定两个关键参数:额定容量A和极限分断能力KA。某大型商业银行数据中心在选择l0kV保护及馈线开关时,其额定容量一般选用630A,但对于极限分断能力,则需要计算发电机的三相短路电流。单台发电机的三相对称短路电流的计算公式如下:

        其中,Isc为三相对称短路故障电流A;E为故障前的发电机相电压(L—L) (V);X”d为发电机直轴瞬变电抗(Ohm)。

        对于多台高压发电机组的并联运行,输出断路器的极限分断能力取决于并联运行的发电机的数量,通常是将每台发电机组的Isc相加,即可得到并联母线上各开关的Isc值。

        发电机的输出开关柜要求配置差动保护装置,此保护整定值应不小于发电机额定电流的10%。某大型商业银行数据中心的发电机组继电保护校准其正确性。

        4.10kV柴发系统配电和并机控制模式

       (1)单母线和单并机控制系统

        单母线和单并机控制系统结构如图1所示。该系统为常规的并机系统方案,投资成本较低,缺点是系统可靠性不高,可同时维护的能力具有局限性。目前这种并机系统方案不适用于较高技术等级的数据中心,一是因为当输出母线发生故障时系统完全失效;二是因为在输出母线部分的有计划的维护工作时若发生市电中断,系统完全失效。

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        (2)单母线输出及母联开关的应用

        单母线输出及母联开关的应用结构如图2所示。对于发电机台数较多的项目,将发电机组分成两段母线,通过母联开关,可灵活规划运行方案。

        项目案例:某大型商业银行数据中心,两段母线各6台发电机组并联运行(一阶段每段各配置3台)。正常运行时,母线分断位置,如果其中一段母线的发电机系统发生故障,无法供电,隔离该系统,可合上母联开关,确保不会因为某段几台发电机发生故障而造成该对应的回路无后备电源供电。

        优点:控制简单可靠,安全性较高,投资较少。

        缺点:无法解决分段母线同时发生故障所造成的后备电源无法投入的问题。

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        (3)单母线及双并机冗余控制

        单母线及双并机冗佘控制结构如图3所示。每台发电机组配置两套并机控制系统,互为备用和冗余,当任一控制模块发生故障时,自动切换至另一并机控制系统,避免因并机系统的单点发生故障而导致系统崩溃。

        项目案例:某大型商业银行数据中心同城灾备中心,12台发电机组并联运行,配有A、B两套并机控制系统,若系统A发生故障,系统B仍可正常工作。

        优点:控制简单可靠,投资比前一个方案略有增加,两套并机系统更加可靠。

        缺点:存在单母线的局限性。

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        (4)双母线和单并机控制

        双母线和单并机控制结构如图4所示。系统设置双母线发电机并机输出方式,正常运行时,两段母线均带电工作,当任意一段母线或输出开关发生故障或进行有计划的维护时,均不会影响发电机系统的输出能力。

        优点:解决了母线单点故障的问题。

        缺点:投资增加,操作较复杂,性价比不高。

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        (5)双母线和双并机控制系统冗佘

        双母线和双并机控制系统冗余结构如图5所示。考虑到发电机输出开关柜和母线以及并机控制系统故障,完全按2N的方式配置发电机输出和控制系统。除发电机本身以外的任意系统发生故障均不会造成发电机供电中断,系统可靠性高,但相应的投资成本增加。

        项目案例:某大型商业银行武汉数据中心。

        优点:既解决了母线单点发生故障的问题,又提高了并机成功率:

        缺点:投资成本高,性价比很低,是常规发电机输出母线投资的25倍;运维成本很高。除了特殊需求,不宜选用。

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