上海某數據中心征地250畝，一期建設規模100430㎡，包括1-3#三棟數據中心機房和1-2#兩棟油機房、1-2#兩棟維護支撐用房、一棟傳輸機房樓及一棟變電站，裝機機架數8743個。一期各建筑用房建設情況及建設規模見表1。

表1 上海某數據中心一期建筑物建設情況及建設規模表

1 上海某數據中心供電系統簡介

(1)負載的組成和特點

以1#數據中心為例，IT負載為服務器、存儲陣列、云計算、傳輸和信息安全等設備組成的重要負荷，與此同時，冷卻塔、水泵、冷水機組、末端空調以及配套的照明、動力和消防等，為了保障數據中心IT設備正常、穩定、持續運行的相關基礎設施負荷也同樣重要。有機整合在一起，組成了整個數據中心負載系統，負荷匯總表詳見表2。

表2 1#數據中心負荷匯總表

以上負載的特點如下：

①容量大，地位重要

每個數據中心的用電負載在20000~25000kW ，根據數據中心的使用性質、網絡中斷或數據丟失在社會或經濟上造成的損失或影響程度級別，按照GB 50174-2017數據中心設計規范，將數據中心分為A 、B 、C三級。其中，上述提到的數據中心IT設備、空調、動力等均為特別重要負荷，即一級負荷，占比最大，可達80%以上,供電方式需由兩個獨立的電源供電,可為兩個市政電源供電或一個市政電源、一個自備電源(柴油發電機或電池組)，其余少量負載為2級和3級負荷。

② 非線性

數據中心包含了大量非線性負載，例如UPS設備、變頻冷機、水泵和熒光燈照明等。而非線性負載容易產生諧波，污染系統，降低設備效率，增加投資，影響供電設備性能，同時對啟動轉矩、帶載能力的要求也就更高。

③ 集中化

目前，隨著集中化程度的不斷提高，單機柜功耗作為衡量數據中心負荷水平的重要指標之一。幾年前，數據中心單機柜的用電功率通常在2kW ，而到了當今的高密度運算環境下，設備的功率密度指數級增大，一個機柜的用電功率可達10~15kW ，故對用電和冷卻設備的要求越來越高。

(2)供配電系統簡介

供配電系統是整個數據中心的心臟-血液系統，為數據中心內所有的設備提供穩定、可靠的動力支持。供配電系統通常指變電站出線間隔引出10kV線路至數據中心內，經由中壓低壓變配電系統直至電子信息設備負責的整個鏈路，主要包括中壓低壓變配電設備、UPS 、柴油發電機組、蓄電池組、機柜配電等。為了確保IT設備的可靠和穩定持續運行，數據中心必須建立起良好的供配電系統。上海某數據中心供配電主接線圖詳見圖1。

圖1 上海某數據中心供配電主接線圖

本項目各數據中心單體建筑擬采用10kV電源接入，電源引自園區規劃的自建變電站10kV出線間隔。每座采用4路10kV電源接入，兩主兩備的運行方式。主備電源引自不同的母線段。每路10kV電源引入容量為12500kVA ，供電等級為一級。

自建柴油發電系統作為市電電源的備用電源。采用自備高壓發電機組，每個數據中心機房各對應設置1套10kV高壓油機并機供電系統。

數據機房樓各模組及冷凍站的變壓器的運行方式采用2N (1+1)運行方式，變壓器采用熱備份。正常供電時，每臺變壓器運行負載率應不大于50%。

數據中心機房每臺變壓器均對應配置1套低壓供電系統，互為主備運行及相鄰的低壓供電系統之間采用分段運行，并設置聯絡開關。

變配電及發電機組供電系統及設備配置詳見表3(以1 # 數據中心為例)。

以上不考慮園區變電站建設。

變壓器之后相關的負載為IT設備所需的48V 、336HVDC 、UPS 系統，空調、動力照明、消防等。

2 外市電/備用電源的切換

首先，數據中心平時兩路10kV市電電源同時運行各承擔50%負載，互為主備。當其中任意一路市電電源停電檢修或故障時，由另一路電源承擔100%負載。當兩路電源同時失電時系統自動啟動油機電源承擔全部負載(即僅一路市電電源失電的情況下，不啟動油機)。當任意一路市電電源恢復后，系統自動切換至市電電源，油機停機。

市電進線斷路器、油機進線斷路器以及母聯斷路器間采用可靠的電氣閉鎖裝置。實現市電與油機電源的自動切換，防止油機電源反送電，對電網造成沖擊。

每個數據中心機房按終期用電負荷需求，各設置10臺2000kW高壓發電機組多臺并機，市電電源和油機電源的雙電源切換在10kV側進行，采用10kV中壓ATS自動系統。

根據之前介紹的，數據中心的負載非線性、大容量以及集中化的特性，市電主用電源和備用電源之間切換的穩定性和可靠性，直接關系到數據中心的安全運行和保障。

(1)主備用電源自動切換的簡介

數據中心采用的為中壓電源級控制器型切換方案,詳見圖2。

圖2 上海某數據中心采用的中壓電源級控制器型切換方案

圖2中，MDS9MVC中壓自動轉換開關由控制系統、常用電源柜、應急電源柜組成。開關元件由兩個聯鎖的真空斷路器構成，互鎖裝置保證了在任意時間僅有一組觸頭能夠閉合。其功能為：當常用電源的任意線電壓低于正常電壓的85%或超過正常電壓的110%或頻率漂移和正常頻率相差1Hz (均可設定)以上，然后發電機啟動命令接通發電機啟動電路，當發電機的電壓、頻率滿足可用條件時(電壓下限值〈測量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測量頻率< 頻率上限值)，發電機電源送至轉換開關裝置的應急電源側，經穩定延時，斷開常用電源，保持兩側電源斷開，再閉合應急電源,實現由常用電源向應急電源切換。當常用電源恢復正常(電壓、頻率滿足可用條件時，電壓下限值〈測量電壓〈電壓上限值，頻率下限值<測量頻率 < 頻率上限值),經0~30min可調延時常用電源保持滿足可用條件，轉換開關裝置斷開應急電源，保持兩側電源斷開，再閉合常用電源，實現由應急電源向常用電源切換。

該系統在設計和使用過程中必須考慮到由于電源切換在中壓母線上進行，同一段母線上有多路負載，負載總容量較大，切換裝置直接帶全部負載進行電源轉換時導致應急電源輸出電壓電流波動。應在投入備用電源后，逐步合閘各負載出線開關，使柴發系統的負載逐步增加。同時，在退出備用電源前，逐次分閘各路負載出線開關，使柴發系統的負載逐步減少。

逐步投切是保證備用電源可靠投入，確保了數據中心的安全和穩定運行。油機系統本身是以柴油機為原動力，輸出容量有限，數據中心都是采用的油機并機方式，油機啟動時處于空載狀態，從空載到帶負載運行再到100%的滿功率運行，發動機輸出功率需要逐步增加。切換裝置的油機進線開關合閘以后，若未采取逐步加載，而是所有負載同時投入，會造成油機突加負載，引起輸出電壓和頻率大幅波動，引起后備電源系統的不穩定，最終無法保證數據中心的安全運行。另一方面，在市電電源恢復正常后，若是直接切換到市電電源，所有負載直接從后備電源中切除，由于調速系統慣性產生過電壓，會導致發電機繞組絕緣層擊穿、轉速高速上升，產生巨大的離心力，造成設備和維護人員的傷害以及不可彌補的經濟損失。

綜上所述，配置控制器型切換裝置，電源切換過程中對母線各負載出線進行逐步投切控制，柴發系統帶載時逐步增加或減少系統負載，能保證柴發系統穩定工作。在此基礎上,設置各個系統間合理的切換邏輯參數和斷路器整定時間，確保主用和備用電源之間切換的平穩過渡,從而確保數據中心的正常運行。詳見表4。

(2)主備用電源自動切換的應用

以1#數據中心系統為例，介紹主備用電源自動切換在系統中的應用。

① 一路市電停電

1#數據中心高壓室10kVⅠ段市電電源失電，市電優先原則，通過上下級延遲時間設定，10kV供電系統母聯開關自動合閘聯絡供電，由另一路市電電源承擔所有負載。具體操作步驟為：A1高壓室10kV市電A1進線開關跳閘，經延遲2.1s自動合閘A1/B1段母聯開關進行聯絡供電。

② 兩路市電停電

當供電系統檢測到兩路市電A1和B1電源均停電時，分閘市電B1的進線開關延遲2s后分閘A1/B1段的母聯開關，解除聯絡供電方式。之后延遲2s且每間隔2s逐步分閘A和B段母線上全部配變出線開關。此過程的總時長為10s 。

B1中壓10kV市電B1電源失電、延遲10s (即市電進線開關、母聯開關、所有配變出線開關已分閘)后，中壓ATS開關隨即發出柴油發電機組啟動信號，柴發控制屏接收到該啟動信號后，柴油發電機組延時20s啟動，在此期間內柴發機房的進排風電動百葉窗接收到信號后立即自動開啟百葉，同時供油系統自動啟動。待柴油發電機啟動后,第一臺輸出機組作為主機，同時控制屏發出油機系統輸出開關合閘信號，其余另外4臺柴油發電機組追蹤第一臺的電壓、相位、頻率等參數，直至5臺柴油發電機組的并機就緒。

隨后，ATS系統延遲2s 同時給出1# ( A1段)油機進線開關合閘信號和2# ( B1段)油機進線開關合閘信號，1# ( A1段)油機進線開關合閘信號和2# ( B1段)油機進線開關合閘；延遲2s ,同時合閘A1段和B1段各第一臺配變出線開關，間隔2s逐步合閘A1和B1段母線上的所有配變出線開關。合閘A1和B1段母線上的所有出線開關時間總長8s ，至此，完成了后備電源的全部加載。

整個柴油發電機組后備電源由啟動至完成正常輸出轉矩和功率的時間在60~90s內完成。在此期間，重要IT負載由蓄電池組進行供電。

③任一路市電恢復

A1高壓室10kV市電A1電源恢復正常時，由現場動力值班人員現場對ATS控制系統進行市電A1恢復確認，確認之后ATS延遲4s發出信號，（在此期間存在供電局上級電業站市電恢復不穩定、閃斷的情況，故人工確認后再延遲4s ) 分閘A1和B1段各第一臺變壓器出線開關，并逐步每間隔2s逐級分閘A1和B1段母線上的所有配變出線開關，直至分閘所有的配變出線開關，這個過程時間總長10s。之后,再延遲2s發出1# (A1段）柴油發電機進線開關分閘信號，使其分閘。

隨后，系統延遲2s ,合閘市電A1電源進線開關恢復供A1母線段負荷。延遲2s，合閘A1/B1段母聯開關聯絡供電。再延遲2s ，同時合閘A1段和B1段第一臺的配變出線開關，并且每間隔2s逐步合閘A1和B1段母線上的全部配變出線開關，直至恢復所有數據中心負載的市電供電狀態。

最后，市電供電正常后，系統延遲26s , ATS向柴油發電機組的控制屏發出撤出油機投運的信號。油機控制系統延遲300s停機，同時供油系統關閉，由于柴發機房熱量較高，故采取適當通風和散熱措施后，電動百葉窗人工關閉。至此，后備電源系統全部撤出。

④兩路市電均恢復

檢查10kV市電B1電源進線柜上B1電源線路三相電壓均正常、確定10kV市電B1電源已恢復。人工手動分閘A1/B1段母聯開關解除聯絡供電，合閘10kV市電B1電源進線開關恢復供B1段負荷。

3 結束語

上海某數據中心供配電系統的安全、可靠的運行極為重要，為了滿足負載的相關特性，主備用電源之間的自動切換應用就是隨著數據中心的不斷發展而產生的技術，隨著日益增長的供電自動化、智能化的要求，它的應用和推廣必將提高數據中心乃至電廠、機場港口、大型市政配套建筑等整個國民經濟重要行業的供電系統的可靠性。

審核編輯：湯梓紅