當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房通常由雙路市電加柴油發(fā)電系統(tǒng)組成供電電源的基礎(chǔ)架構(gòu)。柴油發(fā)電機(jī)作為數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備的備用電源，為數(shù)據(jù)中心不間斷供電提供了可靠性保障。隨著“新基建”的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心進(jìn)入了快速發(fā)展期，而區(qū)域電力能源不足成為制約數(shù)據(jù)中心發(fā)展的重要因素。某些地區(qū)即使完成前期數(shù)據(jù)中心能耗審批并建設(shè)完工，進(jìn)入運(yùn)行階段后也存在短時(shí)區(qū)域性電力負(fù)荷缺口。數(shù)據(jù)中心作為能耗大戶，在供電緊張的情況下，存在被電力部門要求限電降容的可能。
本文通過對數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組與市電常用組網(wǎng)方式的分析，結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)數(shù)據(jù)中心外部供電的現(xiàn)狀，在目前運(yùn)行維護(hù)的基礎(chǔ)上，提出一種柴油發(fā)電系統(tǒng)與市電并網(wǎng)使用的技術(shù)方案，為提升數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備利用率與資源價(jià)值，提供一種可行性方案。
數(shù)據(jù)中心典型高壓供電架構(gòu)
《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定：A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源。備用電源宜采用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專用饋電線路。當(dāng)正常電源發(fā)生故障時(shí)，備用電源應(yīng)能承擔(dān)數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行所需要的用電負(fù)荷。
當(dāng)前，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心無論機(jī)房外部市電電壓等級為多少，機(jī)房內(nèi)部的高壓配電系統(tǒng)基本以2N架構(gòu)的10KV系統(tǒng)為主，且隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心容量規(guī)模也越來越大，大型數(shù)據(jù)中心基本配置高壓柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。其中典型架構(gòu)如圖1所示。
圖1 供配電系統(tǒng)典型架構(gòu)
在上述供配電系統(tǒng)架構(gòu)中，為避免日常狀態(tài)下備用電源啟用對電網(wǎng)的影響，通常對市電電源與備用柴油發(fā)電電源進(jìn)行邏輯與機(jī)械互鎖的設(shè)計(jì)，形成“2N+1”的兩路市電主用電源與柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)備用電源供電架構(gòu)，此架構(gòu)的穩(wěn)定性、可用性較高，在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)中廣泛使用。
典型供電架構(gòu)分析
典型10KV供電架構(gòu)
某數(shù)據(jù)中心高壓供電架構(gòu)如圖2所示，該數(shù)據(jù)中心機(jī)房側(cè)10KV高壓系統(tǒng)為單母線分段，之間不設(shè)母聯(lián)斷路器，低壓系統(tǒng)配置母聯(lián)斷路器，柴油發(fā)電系統(tǒng)由10臺(tái)高壓機(jī)組組成，與兩路市電形成“或”的關(guān)系，即在兩路市電都停電的情況下，柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)并給負(fù)載供電。柴油發(fā)電系統(tǒng)與兩路10KV線路之間設(shè)置電氣和機(jī)械互鎖，防止柴油發(fā)電系統(tǒng)與市電系統(tǒng)同時(shí)供電造成的不良后果。
圖2 某數(shù)據(jù)中心高壓供電架構(gòu)
從設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性的角度考量，10KV高壓“2N+1”供電架構(gòu)無疑是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心建設(shè)的最優(yōu)選擇。但從基礎(chǔ)配套運(yùn)維，特別是柴油發(fā)電機(jī)日常及周期維保的要求來看，存在一些執(zhí)行問題。
柴油發(fā)電帶載測試出現(xiàn)的問題
數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)帶載測試時(shí)，存在重要業(yè)務(wù)機(jī)房的供電安全問題，這一直是運(yùn)維人員頭頂懸著的“一把劍”。筆者認(rèn)為，這是供配電架構(gòu)、市電與柴油發(fā)電機(jī)切換邏輯、不間斷電源蓄電池后備保障時(shí)長等因素決定的。
《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定，2N系統(tǒng)的兩路市電與柴油發(fā)電機(jī)為主備關(guān)系，一般市電與柴油發(fā)電機(jī)的邏輯關(guān)系為當(dāng)兩路市電都停電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)對后端負(fù)載進(jìn)行供電保障。因控制邏輯判斷、信號接收、斷路器分合閘動(dòng)作等時(shí)延因素，在市電切換柴油發(fā)電機(jī)的過程中，存在幾十秒甚至數(shù)分鐘的時(shí)間差。在某數(shù)據(jù)中心實(shí)測，10KV高壓ATS切換系統(tǒng)市電停電切換至柴油發(fā)電機(jī)供電用時(shí)約19秒；市電來電恢復(fù)，柴油發(fā)電機(jī)切換至市電用時(shí)約16秒。在市電與柴油發(fā)電機(jī)相互切換的停電過程中，負(fù)載業(yè)務(wù)的供電由交流或直流不間斷電源的后備蓄電池進(jìn)行保障?！稊?shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174—2017）規(guī)定，當(dāng)以柴油發(fā)電機(jī)為后備電源時(shí)，A級數(shù)據(jù)中心蓄電池最少備用時(shí)間為15分鐘。理論上不間斷電源蓄電池的后備保障時(shí)長，足以保障市電與柴油發(fā)電機(jī)的切換時(shí)間。
眾所周知，蓄電池是通過內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行充放電，其為一個(gè)極不穩(wěn)定的故障點(diǎn)。在筆者多年的電源維護(hù)工作經(jīng)歷中，曾遇到過上個(gè)月剛做完全蓄電池容量測試且數(shù)據(jù)顯示電池組放電性能良好，次月在柴油發(fā)電機(jī)帶載應(yīng)急演練市電、柴油發(fā)電機(jī)切換過程中，部分電池組中因個(gè)別單體電池故障，影響后端業(yè)務(wù)供電正常的情況。個(gè)人認(rèn)為此種情況并非個(gè)例，特別是在蓄電池組接近報(bào)廢年限的不間斷供電系統(tǒng)中，問題尤為突出。因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)房柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行給運(yùn)維人員帶來的壓力可想而知。
通常的解決方案
為避免上述情況的發(fā)生，目前國內(nèi)通常的做法是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)初期，配置一套假負(fù)載裝置，以供后期運(yùn)維油機(jī)帶載測試。此方法對小型數(shù)據(jù)中心而言比較適用，但大中型數(shù)據(jù)中心容量較大，一般都配置10多臺(tái)甚至數(shù)十臺(tái)高功率柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行并機(jī)，以滿足后端負(fù)載供電；而假負(fù)載裝置的容量一般僅能滿足單臺(tái)油機(jī)滿負(fù)載帶載測試，無法滿足柴油發(fā)電機(jī)整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)的滿負(fù)載測試，因而達(dá)不到測試要求。此外，與真實(shí)負(fù)載存在變化與波動(dòng)相比，假負(fù)載的電能性質(zhì)及負(fù)載容量比較穩(wěn)定，因此，假負(fù)載帶載測試無法真實(shí)測試數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電系統(tǒng)是否滿足供電要求。
優(yōu)化解決方案
柴油發(fā)電機(jī)組對于電網(wǎng)而言，相當(dāng)于一個(gè)分布式電源，分布式電源接入配電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生潮流、電壓、繼電保護(hù)動(dòng)作等變化。柴油發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)電源并網(wǎng)運(yùn)行，需要滿足3個(gè)條件，即電源頻率、電壓幅值、相位相同。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要一套系統(tǒng)控制有功、電壓等參數(shù)。同期裝置是一種在電力系統(tǒng)執(zhí)行并網(wǎng)時(shí)使用的監(jiān)視、指示、控制設(shè)備，它可以檢測并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)的電源頻率、電壓幅值、相位是否達(dá)到同期條件，其操作方式有手動(dòng)并網(wǎng)和自動(dòng)并網(wǎng)兩種。
為加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)運(yùn)維的可靠、可用性能，筆者根據(jù)對某數(shù)據(jù)中心現(xiàn)網(wǎng)高壓供電架構(gòu)的調(diào)研及分析，提出一種優(yōu)化方案，其架構(gòu)如圖3所示。
圖3 某數(shù)據(jù)中心現(xiàn)網(wǎng)高壓供電優(yōu)化架構(gòu)
取消原有供電架構(gòu)的市電進(jìn)線與發(fā)電機(jī)組之間的聯(lián)鎖裝置，保留原有的操作機(jī)制，同時(shí)在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加同期裝置，以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)與市電電源并網(wǎng)供電。
在正常情況下，由兩路高壓市電分別供電；當(dāng)兩路市電同時(shí)停電時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)給后端負(fù)載供電。上述兩種情況同期裝置為無壓供電模式，即單路電源供電。當(dāng)需進(jìn)行油機(jī)帶載測試或應(yīng)急演練時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組通過1段或2段同期裝置進(jìn)行同期手動(dòng)并網(wǎng)。在該設(shè)計(jì)方案中，柴油發(fā)電系統(tǒng)只針對其中某一路市電進(jìn)行并網(wǎng)，不設(shè)置同時(shí)跟蹤兩路市電進(jìn)行并網(wǎng)操作。
優(yōu)點(diǎn)與效益
采用同期裝置可以根據(jù)需求設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)與某單路市電同步實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。柴油發(fā)電機(jī)組可以根據(jù)數(shù)據(jù)中心運(yùn)維及業(yè)務(wù)需求，啟動(dòng)為后端負(fù)載供電進(jìn)行帶載測試。加裝同期裝置后可在市電不斷電的情況下，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行同期并網(wǎng)并給后端供電，實(shí)現(xiàn)了市電、柴油機(jī)發(fā)電無縫切換，避免了相互切換間隙需通過蓄電池供電，提高了數(shù)據(jù)中心整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性及柴油發(fā)電系統(tǒng)的可用性。同時(shí)，給后期運(yùn)維工作帶來便利并降低故障風(fēng)險(xiǎn)。
《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-2017）規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心燃油存儲(chǔ)量需滿足12小時(shí)使用。通常情況下，大中型數(shù)據(jù)中心都建有大容量儲(chǔ)油罐，以保證柴油能滿足長時(shí)間停電的用量。但國內(nèi)絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心兩路市電同時(shí)不可用率極低，即啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)供電保障時(shí)間不多，導(dǎo)致儲(chǔ)油罐中柴油存儲(chǔ)時(shí)間過長，據(jù)業(yè)內(nèi)對長期存放柴油的調(diào)查，其處理方式通常有兩種：每隔2~3年對柴油進(jìn)行專業(yè)的過濾清洗，以達(dá)到柴油油品合格標(biāo)準(zhǔn)；或是每隔3~5年用新柴油替換陳舊柴油。
上述兩種處置方案都存在產(chǎn)生高昂額外費(fèi)用及浪費(fèi)能源的情況。通過增加同期裝置對供電架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，可有計(jì)劃性地啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行手動(dòng)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)柴油能源的合理消耗、利舊，變廢為寶。數(shù)據(jù)中心可結(jié)合自身運(yùn)維需求，在保障安全的前提下，配合供電部門在區(qū)域用電高峰期，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)電源與單路市電并網(wǎng)保障負(fù)荷需求，同時(shí)參與供電保障。
上述數(shù)據(jù)中心市電與柴油機(jī)發(fā)電并網(wǎng)供電架構(gòu)，是實(shí)踐過程中的一種設(shè)想、嘗試與參考。數(shù)據(jù)中心內(nèi)市電電源與柴油發(fā)電機(jī)電源相互聯(lián)鎖的供電架構(gòu)模式，在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心相關(guān)從業(yè)人員中已深入人心。筆者認(rèn)為，在當(dāng)前信息化發(fā)展迅速的時(shí)代，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)配套從業(yè)人員應(yīng)該擁抱變化，為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行積極拓展新思路。
