数据中心高压柴油发电机组并机调配方案设计.docx
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数据中心高压柴油发电机组并机调配方案设计
数据中心高压柴油发电机组并机调配方案设计
Datacenterandhigh-pressure
dieselgeneratorsmachine
deploymentdesign
摘要
随着通信新业务新技术的飞速发展，通信电源系统的规模也日益增大，特别是数据中心中，通常有几套甚至数十套通信电源设备，随着用电负荷的增加，功耗也在不断的增加。
所以更完善的动力中心也是势在必行。
本文围绕云计算贵州信息园数据中心高压柴油发电机组并机调配方案设计中的各方面因素，给出科学、合理的分析方法，并提供了较完善，具有借鉴价值的系统建设方案。
首先本文对云计算贵州信息园数据中心供电情况进行了总体的了解，从而对该云计算贵州信息园数据中心的用电进行负荷测算以及设备容量的估计。
其次，从市电供电系统设计、后备柴油机组的系统设计和接入设计、大楼及附楼的负荷预测、设备容量的选择来规划整理数据和实行建造的方法，计算大楼的负载容量从而得出具体的建造造、接线方案。
再次，在大楼的供配电方面，本人探讨和查阅了相关的规范要求以及必须执行的内容，总结得出可行并且合理的运行方式和管理系统。
最后，由上述信息得出数据中心的柴油发电机组平面布置图、设备摆放示意图等。
关键词：
数据中心柴油发电机组发电机组的并机与控制供配电
Abstract
Withtherapiddevelopmentofnewtechnologies,newcommunicationservices,thesizeofthecommunicationpowersupplysystemisalsoincreasing,Especiallyindatacenters,thereareusuallyseveralsetsofevendozensofsetsofcommunicationpowersupplyequipment,Withtheincreaseofelectricityload,powerconsumptionisconstantlyincreasing.Soitisimperativetoimprovethepowercenter.
ThispaperfocusesoncloudcomputingdatacenterinGuizhouInformationParkhigh-pressuredieselgeneratorsandmachineprovisioningdesignofvariousfactors,giventhescientific,rationalanalysis,andtoprovideamorecompletewithreferencevaluesystembuildingprograms.
FirstarticleoncloudcomputingdatacenterpowerGuizhouInformationParkconductedageneralunderstanding,sothecloudcomputingdatacenterelectricityGuizhouparkinformationtoestimatetheloadcalculationandequipmentcapacity.Second,themainspowersupplysystemdesign,systemback-updieselgeneratorsetdesignandaccesstothedesign,buildingandannexeloadforecasting,plantcapacityisselectedfromthedatatoplanandorganizetheimplementationoftheconstructionmethod,theloadcapacitycalculationtoarriveatthebuildingspecificconstructionmadewiringscheme.
Again,intermsofsupplyanddistributionofthebuilding,Iexploreandconsulttherelevantregulatoryrequirementsandcontentmustbeexecuted,summaryresultspossibleandreasonableoperatingmethodsandmanagementsystems.
Finally,floorplans,sketchesandotherequipmentplacedinthedatacenterbytheinformationderiveddieselgeneratorsets.
Keywords:
DataCenterdieselgeneratorsetgeneratorsetandcontrolpowersupply
绪论
目前中国移动通信事业高速发展，进过十多年的发展，中国移动通信已经建成覆盖范围广、通信质量高、业务品种丰富、服务水平一流的移动通信网络。
中国移动通信已经成功列入国际资本市场。
连续5年被《财富》评为世界500强。
随着移动3G互联网的迅速发展，以及电信，联通的竞争压力，移动通信网络需要引入大量的新业务，对原有的系统进行改造升级，包括局房的增加，配电设施的改造，以满足目前以及未来的发展需要。
根据电监会和中电联发布数据显示，2010年全国10kV城市用户平均供电可靠性为99.92%，可见，市电可靠性远不能满足重要数据中心供配电系统99.995%或更高可靠性的要求。
数据中心用户必须配置自备应急电源系统，才能满足高级别数据中心供配电系统高可靠性的要求。
电力是国民经济的基本支持，如何合理的分配电能是当前经常需要解决规划的问题。
能源动力的不足以及通信设备的不断发展给移动通信的供配电系统及其相关设备带来了很多压力和挑战。
国内外在配电方面最先进的研究就是对于配电自动化的研究了，而配电自动化是一个集计算机技术、控制技术、管理等多种现代化技术为一体的综合管理系统，该系统的研究可以提高被供电压的可靠性和电能质量，并可以降低配电设备的运行费用和员工数量，还能有效的减轻员工的作业强度，从而提高对用户的服务质量。
配电自动化的研究在国外已经很悠久了，而我国却还处于初级阶段，还有很多方面需要改进和学习国外的先进技术和思想，拉近我国与国外的差距。
新建的中国电信云计算贵州信息园，也是现在新建的项目。
这里要对其电力分配及未来的估算做统计并设计其供电。
1课题研究的背景
1.1研究背景
1.1.1国内背景
中国电信按照“统一规划、分步实施、全员覆盖”的原则，全力打造高科技、低成本、绿色节能的中国电信云计算贵州信息园，建成国内领先水平的大规模云计算数据中心、云计算研发应用示范基地，面向政府、企业、公众客户提供业界领先的主机托管、资源出租、系统维护等方面的云计算运行与支撑服务。
形成以核心企业为龙头、中小企业为配套支撑、“绿色、高效、创新”的国家级数据中心和国家级战略性新兴产业发展示范，带动中国电信云计算贵州信息园与相关新兴信息技术产业长期健康可持续发展，产业规模保持稳定增长，促进贵州省产业结构优化升级和经济发展方式转变，进一步提升贵州省综合竞争力和可持续发展能力。
中国电信云计算贵州信息园选址位于贵安新区电子信息产业园内，距贵阳25公里，东邻松柏山水库和贵州大学城，西为湿地公园。
园区地块基本呈矩形现状，南北向900米，东西向400米，总用地面积536亩，一期用地200亩。
园区北邻城市综合体，东接贵州移动大数据中心，隔黔中路南望富士康园区。
园区周围自然环境条件和社会环境优越，非常适合绿色低碳技术的应用。
中国电信云计算贵州信息园1.1期工程将完成A3、A4、A5、A6四个数据中心和A11动力中心建设。
本项目为中国电信云计算贵州信息园1.1期项目的动力中心配套一期工程。
1.1.2国内外研究动态及问题
根据我国电力设备现状，以及通信技术水平，我需要研究配电系统，了解国际上先进国家所具备的功能，以及实现这些功能所具备的物质基础。
例如课遥控的配电设备、配电SCADA系统、DMS等，以提出适合我国国情的配电系统模式。
例如DMS在计算机的数据采集方面，已经没有技术难题，但在网络拓扑的动态描述上，仍有一些问题没有很好地解决。
还有配电故障系统，配电系统网络安全等重要问题，国内还处与低端。
目前国内主要相关研究较少，方向主要有是1.移动通信局房的能源解决方案2.移动通信枢纽楼配电方案（局房布置）3.移动低压配电系统安全配置研究，断电保护、微机保护等4.移动交换局降损节能等。
相比国外其主要设备都依赖进口，对于系统的研究不够深入，安全设备不完善，规范要求等级低，智能化、自动化程度低，都严重影响着日益复杂化的国内通信配电系统，不能满足国内配电系统需要提升改造的要求。
1.2研究需求
集团公司客户阿里巴巴、百事通公司、贵州公司客户（省交通运输厅等23个单位）提出了传统IDC业务需求。
阿里巴巴2015-2016在贵州新增5万台的服务器部署需求，在2017年12月底之前在贵州园区再新增5万台服务器部署需求；百事通2015-2017年在贵州园区部署2000台服务器；集团公司2015在贵州园区部署云主机及存储资源池、桌面云、大数据、CDN、IT等平台等593个机架；贵州公司本地23个单位2015年在贵州园区部署601个机架。
考虑到阿里巴巴及百事通等大客户可能对机柜、供电、供冷等生产配套提出个性化需求，建议需求明确后再启动；而贵州本地的需求暂无正式协议支持，建议按照2015年总需求（1194机架）的1/2考虑，即在A5、A6数据中心各部署2个机房以满足需求。
因此A11动力中心配套一期工程保障范围及建设规模，从园区机楼启用和使用进度安排出发，实现近期A5、A6机楼需保障设备的应急供电目标，满足为IT设备，制冷设备（包含冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔）及消防供电系统以及应急照明、保证照明、机房监控系统供电。
后续，随着机楼扩容和设备容量的增加，可再进行动力中心发电机组的扩容和相关配套的建设。
1.3设备配置原则
（1）柴油发电机组的容量应能满足通信设备、空调、照明及其他保障负荷的供电所需。
（2）根据现有机房条件并考虑机组性价比确定单台机组的容量。
（3）根据该机房的建设规模及多台油机并机方案的可行性、经济性考虑选择机组的工作电压。
表1-1中国电信数据中心供电系统配置标准优化导则配置表
A级负荷
B级负荷
C级负荷
备注
市电电源
由两个电源供电，两个电源不应同时受到损坏。
由两个电源供电，两个电源不应同时受到损坏；当配置了备用柴油发电机组保障供电时，可由一回线路供电。
可由一回线路供电。
应急柴油发电机组
N
由两个市电电源供电时，可不配置柴油发电机组；由一回线路供电时，柴油发电机组应配置为N。
可不配置柴油发电机组。
对于小型机楼，低压配电系统应配置移动发电机接口。
1.4名词相关简介
1.4.1负荷等级
负荷等级一般分为三类，这三类是一级负荷，二级负荷和三级负荷。
[1]而负荷等级都是在中断供电的情况下会对政治上、经济上造成的损失的程度进行评判的，所以以下的对于负荷等级的介绍，都是在中断供电的情况下。
（1）一级负荷：
1、会对人身造成伤害或者死亡。
2、会在政治上、经济上造成巨大的损失。
3、会对在经济上、政治上有重大意义的企业造成一定影响，使其不能正常工作。
（2）二级负荷：
1、会在政治上、经济上造成较大损失。
2、会对重要的用电企业的正常运行造成一定影响。
（3）三级负荷：
除去一级负荷和二级负荷的范围以内的，都属于三级负荷。
当然本次工程设计，根据以上的分类依据可知，属于一级负荷。
[3]
1.4.2计算中的名词
有功功率：
有功功率就是指将电能转变为其它各种形式的的能量的电功率，也可以确保电器的正常运转。
[1]
无功功率：
无功功率并不是指没有任何作用的功率，而是将电场中的电能转化为其它形式的能源，主要是用于用电设备工作时，起到对于磁场的建立和维持正常工作，但是它却不对外做功。
好比变压器，变压器的工作需要无功功率在变压器的一次险权重产生相应的磁场，并在该变压器的二次线圈中产生感应电压，从而使变压器能有变压的作用。
无功功率又分为感性无功功率和容性无功功率，单这些不在本次设计的计算范围内，只需知道感性无功功率是能量转换时产生交变磁场，并且该磁场在一个周期内吸收和释放的功率相同，而容性无功功率是电容器接入交流电网后，每个周期的上半周期吸收的能率和下半周期释放的功率相同。
[1]
视在功率：
简单的说，就是电路中的电流和电压的乘积结果，但在纯电阻电路中，视在功率基本等于有功功率，而在非纯电阻电路中，视在功率大于有功功率。
[4]
功率因数：
主要指的是在交流电路中，电压的相位和电流的相位的差值。
一般称这个差值的余弦值为功率因数。
[5]
无功补偿：
交流电路中，同时存在容性功率负荷设备和感性功率负荷设备，并且在2个设备都在工作时，两个设备同时从电源获得无功功率，而同时能量也在它们之间转换，当一个释放的时候，另外一个吸收，达到一种能量的动态平衡。
而在这一过程中，容性负荷装置释放的无功功率提供给感性负荷，使其得到补偿，称之为无功补偿。
[2]
无功补偿的作用就是，如果交流电网中无功功率的提供，没办法满足设备对其的需求，无法设立一个正常的电磁场，那么该电路中的设备就没办法在额定情况下运行。
所以无功功率补偿就能提供多余的无功功率，以保证设备能在正常的电压下运行。
[10]
1.5设计平台
本次工程绘图使用的软件是AutoCAD软件，该软件是开发于1982年的自动计算机辅助制图软件，该软件主要被用于二维绘图、基本三维设计、详细绘制和设计文档，也因该软件不需要懂得编程就可以自动制图而造就了当今比较主流的绘图软件。
该软件的多文档设计环境，让非计算机专业的初学者可以快速的掌握并使用。
除此之外，该软件可以让初学者在不断的实践中掌握它的各种功能和开发技巧，以达到提高工作效率。
AutoCAD软件从开发到现在，具有多种不同的版本，拥有较强的适应性，在各类操作系统上都可以运行和操作。
该软件在图像处理中不仅有完善的图形绘制功能还有强大的图形编辑功能而且可以采用多种方式进行二次开发或用户定制；该软件可以支持进行多种图形格式的转换、多种硬件设备及操作平台；具有通用性强，使用方便，适用于所有类型的用户的优点。
其基本功能包括：
平面绘图、编辑图形、三维绘图。
此外，为了是用户的绘图过程更加的简便，AutoCAD软件给用户所提供了许多的绘图辅助工具如正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等。
用户可以通过正交功能方便地绘制水平线、竖直线，通过对象捕捉功能可以更加方便地拾取几何图像上的图像点，而通过追踪功能可以更加方便地绘制斜线以及沿不同方向定位点。
该软件基具有强大的编辑功能，可以对操作对象进行移动、复制、旋转、列阵、拉伸、延长、修剪等操作。
同时可以编著尺寸、书写文字以及管理图层。
本次设计的结果通过该软件实现。
1.6本章小结
在概述的这个章节中，详细介绍了该省分枢纽楼的背景现状以及电源系统中市电供应、高低压配电系统、低压配电系统以及通信电源系统的供电现状。
在本章节末尾介绍了本次设计用到的CAD软件，由于该软件具有强大的图形编辑功能，方便的操作方式，本次设计选择该款软件展示设计结果。
。
2设计方案
2.1发电机电压型式
信息园区单体建筑多，总体用电量大,作为应急备用电源的发电机组容量需求大。
而采用传统低压发电机组配置带来一些不利因素，主要表现在：
Ø按传统方式，保障负荷容量1:
1配置发电机，大型数据中心园区成为发电机组堆放场，但设备使用率却很低。
Ø需接近通信负荷使用的特点使发电机房在布局上必须分散，增加土建和降噪成本,发电机却难以实现共用共享。
Ø大容量低压发电机组并机受公共母排载流量及短路电流限制影响大。
为使新建A5、A6及下阶段数据机楼能适应不同客户的需求，单栋机楼的使用不受发电机数量和容量匹配的限制，根据用户用电供电等级、机柜数量和功耗的要求，让用电容量与机房更好地匹配，提高机房整体利用率；
本工程设置动力中心机楼，集中安装发电机组，为发电机组共用共享创造条件，通过复用减少园区发电机组配置数量，降低数据中心建设和运营成本。
设置集中动力中心后，可根据不同用户需求确定不同供电保障程度，分等级向用户供电。
由于动力中心与各机楼供电距离较远，采用高压发电机组成为必然的选择。
高压发电机组的优越性在于大容量和远距离传送电能，机组输出电压高，输出电流小，在供电传输过程功率损失小，适合信息园区的分散供电。
高压机组的输出电压与供电系统电压一致,可直接接入供电系统。
而现在市面上的高压发电机组主要有汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机等几种。
汽轮发电机是与汽轮机配套的发电机。
水轮机是由水轮驱动的发电机。
所以我们在数据中心要用10KV柴油发电机。
2.2发电机容量规划
2.2.1数据机楼功耗测算
工厂企业中的电力负荷是指电气设备或线路中通过的功率或电流。
[2]
一个单位或一条供电线路负荷的大小不能简单地将所有用电设备的容量加起来，其原因之一是在实际过程中并不是所有用电设备都同时运行，而是运行中的用电设备不一定是每台都达到了它的额定容量。
因此不能简单的把所有用电设备的容量相加起来，同样也不能把负荷估计的太低、选用的设备用量太小，往往造成设备过热、绝缘损坏而使用户不能正常工作。
计算负荷是为了按发热条件选择供电系统中的电力变压器、开关设备及导线、电缆截面等需要计算的负荷功率或负荷电流。
[1]
计算低压设备的负荷计算方法一般选择需用系数法计算负荷的方法。
计算公式为：
=
N（2-1）
=
（2-2）
（2-3）
（2-4）
式中
、
、
分别为该用电设备的有功、无功、视在功率计算负荷，KW、Kvar、KVA；
N该用电设备组的设备总额定容量，KW；
额定电压，V；
率因数角的正切值；
该用电设备组的计算负荷电流，简称计算电流，A；
Kd需用系数。
由用电设备表可知，地面低压设备Kd：
0.7~0.75，cos
：
0.75~0.8，tan
：
0.75~0.88.
A5数据机楼,以5kW/机柜进行排列，规划安装机柜1380架（不含列头柜）,IT功耗需求为6900kW。
A6数据机楼,以5kW/机柜进行排列，规划安装机柜1414架（不含列头柜）,IT功耗需求为7070kW。
机楼总功耗需求（包括满配和半配）测算见下表：
表2-1负荷统计表
机楼
满配容量
半配容量
有功功率（kW）
无功功率（kVAR）
视在功率（kVA）
有功功率（kW）
无功功率（kVAR）
视在功率（kVA）
A5
10507.8
4337.7
11367.9
5253.9
2168.8
5683.9
A6
10611.8
4375.2
11478.3
5305.9
2187.6
5739.2
合计
21119.5
8712.9
22846.2
10559.8
4356.5
11423.1
2.2.2发电机组规划数量
园区1.1期建设4个数据机楼，总功耗预计约40000kW，动力中心机楼规划有24台容量约2000kW的10kV中压发电机组的安装位置，提供48000kW（备用）/43200kW（主用）应急供电容量，可保障1.1期4个机楼（满配）保障负荷的供电。
A11动力中心机楼整体规划为1期8个数机楼提供应急电源，园区1期工程后期4个机楼的供电需考虑通过动力中心发电机复用实现供电保障。
本期在1＃发电机房先建设6台2000kW（备用）/1800kW（主用）的10kV发电机组，可满足A5、A6数据中心半配容量需求。
后期机房扩容及新机楼启用，再适时对动力中心进行相应的扩容建设。
2.3发电机组并机控制
动力中心发电机主要为机房IT负荷、空调制冷系统、消防供电系统以及应急照明提供应急电源保障容量。
发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：
Ø发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；
Ø发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；
Ø在最大的电动机起动时，发电机的瞬时电压降不大于15%～20%。
其次，数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。
对于高阻抗的发电机，谐波对发电机影响更大。
由于发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。
因此针对A11动力中心，对高压10kV机组以12台作为1个并机组合。
当市电中断/故障后，自动启动发电机组并机输出供电，发电机供电与市电不并网。
动力中心远期建设2个并机模块，分别由2套并机控制系统控制。
本期配套一期工程建设1#并机模块，先配置6台，后期扩容机组再与此6台机组进行并机。
2.3.1并机控制
为保证响应速度，并机系统同步控制采用准同期方式，系统采用随机并联方式，即系统中任一台首先达到额定输出的机组，都可以先合闸到母线供电，其他机组与该机组同步后再依次合闸供电。
每台发电机组控制柜（GCP）控制一台发电机组，配备自动同步与负载分配模块，通过控制机组得转速与电压，来实现机组互相之间的并联及负载均衡。
同时也通过广角模拟表，来监控发电机组输出，如电压、电流、功率因数、有功、无功等，以保证操作人员一眼就可以看到多台机组的多项参数。
GCP可以与相应机组一起安装，以节省空间，降低总成本。
对应机组的高压开关由GCP来控制其分/合。
主控柜（MCP）用来协调控制整个系统的运行，通过PLC编程，实现系统的逻辑控制，包括投入和切除机组，优先级设定等。
发电机（机组、并联、高压开关等）平时处在自动模式，通过外部送来的信号（比如可以是市电进线失压信号），由并联控制系统来监视市电状况。
市电失电/故障时，并联系统收到信号，通过设定的时间延迟（PLC设定，可根据实际情况灵活修改）后，给全部机组送出启动信号（信号送至GCP，GCP再送信号至各机组的机上控制器），6台机组同时启动。
率先达到90%额定频率和额定电压的机组，GCP发出信号，自动闭合真空断路器，机组合闸到应急母线。
其他发电机与母线同步后，自动合闸到母线。
2.3.2负载管理
全部机组自动并联运行，系统自动分配负载，按下述逻辑实现负载管理。
系统负载管理按N+1模式来控制，全部机组并联运行1~10分钟（PLC设定，可调）后，如系统全部负载小于单机额定容量的360%（可调）且持续时间超过1分钟，则系统自动切除第6台机组，此时全部负载可以只用5台机组带，通过N+1的冗余负载管理设计，来保证供电可靠性；
如负载继续下降至小于单机容量的270%且持续时间超过1分钟，则系统自动切除
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