面向5G 的数据中心供配电系统设计与实现

文/胡鹏涛 高雅

1 面向5G的数据中心供配电系统定义

考虑到5G 数据中心供配电系统内容的复杂性和多样性以及叙述的方便，本文所阐述的“面向5G 的数据中心供配电系统”是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的整个电路系统，将主要包括：高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统（ATSE，AutomaticTransferSwitchingEquipm ent）、输入低压配电系统、不间断电源系统（UPS，UninterruptiblePowerSystem）系统、UPS列头配电系统和机架配电系统、电气照明、防雷及接地系统，如图1所示。本文重点介绍高压变配电系统、低压配电系统及柴油发电系统的设计与实现。

1.1 高压变配电系统

主要是将市电（6kV/10kV/35kV，3 相）市电通过该变压器转换成（380V/400V，3 相），供后级低压设备用电。

1.2 柴油发电机系统

主要是作为后备电源，一旦市电失电，迅速启动为后级低压设备提供备用电源。

1.3 输入低压配电系统

主要作用是电能分配，将前级的电能按照要求、标准与规范分配给各种类型的用电设备，如UPS、空调、照明设备等。

1.4 UPS输出列头配电系统

主要作用是UPS 输出电能分配，将电能按照要求与标准分配给各种类型的IT 设备。

1.5 机架配电系统

主要作用是机架内的电能分配。

2 总体设计原则

面向5G 的数据中心供配电系统设计应满足以下原则：

图1：面向5G 的数据中心供配电系统示意方框图

图2：一路供电电源、一台变压器的10kV 主接线典型方案

图3：一路供电电源、两台或以上变压器的10kV 主接线典型方案

图4：两路供电电源的10kV 主接线典型方案

（1）根据国家、行业相关技术规范要求，建设安全、可靠、高速、可扩展、可管控、绿色节能的数据中心；

（2）规范性：符合国家部委相关标准和规范、符合行业惯例；满足消防验收及使用要求；不得改变建筑结构和承重件；

（3）先进性：选用先进的方案和技术，充分考虑将来的各种要求，选用市场寿命长的产品。

（4）可靠性：应具有抵御自然灾害如地震、火灾、水害、鼠虫害等的能力。

表1

图5：柴油发电机组组件示意图

图6：基本型柴油发电机组

（5）环保：所选用材料应环保、阻燃，无有害气体，耐用,并考虑将来的环保要求。

（6）合理性：空间布局合理、美观。

（7）经济性：设备及材料的选型遵守性价比原则及市场上容易采购的原则并综合考虑维护和运行成本。

（8）安全性：在安全设计上应满足相关机房安全规定要求，机房对设备、管理和网络要具备很高的安全性。

总之，面向5G 的数据中心供配电系统设计与建设中应充分考虑和利用现有各种资源，既要考虑系统的先进性和有效性，又要考虑其实现的可行性和经济性。

3 高压变配电系统

面向5G 的数据中心高压变配电系统是数据中心供配电系统联系市电供电网络和用户的中间环节，它起着变换和分配电能的作用。从电压等级而言，该系统主要会涉及到35kV/10kV/6kV/3kV 等电压等级。主要的主接线方案如下：

3.1 一路供电电源、一台变压器的10kV主接线典型方案

方案说明：变压器一次侧设计采用线路-变压器组单元接线，二次侧设计采用单母线接线。

（1）设计专用电能计量柜，柜中设计专用的、精度等级为0.2 级的互感器（CT）。（注：该互感器不得与保护、测量回路共用）。

（2）高压侧设计电压测量柜以测量、监视电压，并提供交流操作电源。

（3）变压器的控制及保护采用负荷开关与熔断器组合电器，而未采用高压断路器，以降低投资和简化二次接线。

（4）低压进线总开关和低压出线开关均采用低压断路器，可带负荷操作且恢复供电快。

（5）变电所的负荷无功补偿采用低压母线集中补偿方式，选用低压成套无功自动补偿装置，与其他低压开关柜并排安装。

3.2 一路供电电源、两台或以上变压器的10kV主接线典型方案

方案说明：变压器一次侧设计采用单母线接线，二次侧设计采用单母线分段接线。

（1）10kV 侧设计采用单母线接线。

（2）高压开关柜采用户内金属铠装移开式开关柜，柜内配置真空断路器。

（3）高压侧设有专用电能计量柜和电压测量柜。

（4）低压侧采用单母线分段接线。

（5）低压开关柜采用GCK低压抽出式柜。

（6）两台变压器为互为备用运行方式，正常运行时，低压母联断路器断开。

3.3 两路供电电源的10kV主接线典型方案

方案说明：变电所有两路外供电源供电。

（1）变压器一次侧设计采用单母线分段接线，二次侧也设计采用单母线分段接线。

（2）两路电源均设置电能计量柜。

（3）备用电源的投人方式可采取手动投入，也可采取自动投入。

（4）低压进线柜放置在中间，而低压出线柜则放置在两侧，以便于扩建时添加出线柜。

4 低压配电系统

4.1 低压设备配置原则

（1）中心的变压器及低压配电设备集中部署，靠近负荷中心，缩短电力路由，减少有色金属用量，降低能量损耗；

（2）变压器容量应选用≥2000kVA 大容量变压器，便于调配容量；

（3）采用2N(1+1)运行方式的变压器，每套高压系统的两段高压母线段可不设置母联柜。

4.2 UPS系统配置原则

（1）根据后端负载的需求，通信电源可采用UPS 系统。UPS 系统推荐采用3N 双总线运行方式 ，提高设备利用率，节省设备配置数量。

（2）自用机房根据业务需求等级，可采用3N 或“N+1” 并联冗余UPS 电源系统。

（3）采用高频机UPS，单机额定容量采用400kVA（综合经济性高）。

4.3 蓄电池组配置原则

（1）蓄电池按六层双列卧式摆放，减少占地面积，铁架高度不宜>1.7 米

（2）当市电与市电、市电与发电机组采用自动转换方式时，蓄电池组后备时间按15min 配置；采用手动切换方式的，后备时间可按15 ～30min 配置。

5 数据中心柴油发电机组系统

机组选型建议：

为确保面向5G 的数据中心内的通信设备能得到不间断的电源供电，供电系统通常采用“市电供电+柴油发电机组备用”所组成的电源供电系统。具体选型建议如图5、图6所示。

数据中心备用油机选择用低压油机还是高压油机需结合高低压配电系统综合考虑，两者间造价区别主要在于机组差价与电缆差价。高压油机特别适合大容量、远距离供电，适合整个系统分散化。

综合低压油机和高压油机的特点（表1），总结如下：

（1）油机容量在1200KW 以下不建议用高压油机；

（2）数据中心若有大量的高压负载和高压冷水机组，建议选用高压油机；

（3）需油机保证的负载分布在不同楼层或不同机楼，且变压器临近负荷中心，供配电距离较长，同时油机机组需集中设置时，建议采用高压机组；

（4）油机系统需采用多台大容量机组并行方式，考虑到公共母排载流量的限制，建议采用高压机组。

6 面向5G的数据中心供配电系统设计需注意的几个问题

6.1 供配电系统设计、安装合理

（1）数据中心应配置保证电源，确保市电中断以后能确保设备正常运行。

（2）供配电系统进行专门的规划。要根据机房进行全面的规划，然后根据业务发展的需要分步实施。

6.2 注重数据中心的整体成本，达到最大效用比

面向5G 的数据中心更应该注重节能和可持续发展，因为随着业务的发展，机房随时可能进行改建和扩建。数据中心的建设不仅仅是服务器、存储等设备的性价比问题，数据中心供配电系统的建设也要遵循环保规范。

7 结束语

在新的发展时期，随着5G 技术的高速发展，通信运营商把工作重心从网络规模扩展转移到多功能业务扩展和质量提升并重的道路上来，提高5G 上下游业务的含金量，使其真正成为电信业的业务支柱和利润支柱。这就要求运营商不断加强基础性资源建设，数据中心是提高市场占有率的有力手段，而数据中心的基础及有力保障就是供配电系统系统，这就要求前期供配电系统设计阶段要做好各方面的调查及数据分析工作，只有供配电系统的严格设计，才能保障整个数据的用电安全、稳定及节能，从而有力推进5G 技术进一步发展。