数据中心2+1路市电的科学运用研究

赵锐涵 朱同先 赵宇衡 季海峰 张晓艳 姜 昊

中国移动通信集团江苏有限公司

0 引言

数据中心是云计算服务的核心基础设施，是云计算规模化、集约化发展的关键，云和终端客户的互动要通过数据中心及其所提供的运营服务来实现。云服务商对于数据中心快速部署、快速扩张和高功率密度的要求，带动了数据中心向大规模、模块化、绿色节能的趋势发展，同时提出更高的运维和定制化要求。

1 行业背景与电源选择

1.1 数据中心发展趋势

为了满足社会信息化水平不断提高的要求，促进我国数据中心，特别是大型数据中心的合理布局和健康发展，国家发展改革委、中央网信办、工业和信息化部、国家能源局于2020年12月23日下发《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》。据统计，2019年中国数据中心数量大约有7.4万个，较2012年增加2.3万个。其中，超大型、大型数据中心占数据中心总量达到12.7%；而规划在建数据中心中，超大型、大型数据中心数量占比达到36.1%。

数据中心规模的不断扩大，单机架的设计功耗也在持续升高。北京市经济和信息化局于2021年4月27日率先发布《北京市数据中心统筹发展实施方案（2021-2023年）》，其中明确要求“新建云数据中心PUE不应高于1.3，单机架功率不应低于6千瓦”。在政策、现场、土地价格等诸多因素影响下，高功率机柜成为未来机柜发展的必然趋势。

1.2 外市电选择标准

随着用电需求持续增大，在数据中心规划设计阶段，如何确定外市电的电压等级，需要充分考虑局站类别、当地供电条件、市电的可靠性和分类、局（站）用电容量以及供电部门要求。在《通信局（站）电源系统总技术要求》YD/T 1051-2018中规定了通信局（站）根据其重要性、规模大小分类。其中承载国际、省际等全网性业务的机房、集中为全省提供业务及支撑的机房、超大型和大型数据中心机房等的局站为一类机房，原则上应考虑采用一类市电引入。引入外市电的电压等级通常在220 kV、110 kV、66 kV、35 kV、20 kV、10 kV、380 V或220 V电源中选择，经技术性和经济性比较确定。

根据《数据中心设计规范》（GB50174-2017）要求，A级数据中心的供电电源也应按一级负荷中的特别重要的负荷考虑，因此按《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）要求需采用双重电源+柴油发电机供电。在A级数据中心内的10/0.4 kV变电所及以下低压配电系统中均按照2N的原则配置设备及线路，对于其上一级的110 kV或220 kV变电站的线路及主变没有做出强制性的要求。按照江苏省《电力用户业扩工程技术规范》（DB32/T1088-2007）规定，数据中心的市电电源进线满足N+1要求即可。如果总用电量超过10万kVA容量，根据江苏省《电力用户业扩工程技术规范》（DB32/T1088-2007）规定“用户申请容量在10万kVA及以上时，宜采用220 kV及以上电压等级供电”。

以总用电容量为10万kVA为限，若数据中心设计PUE为1.30，平均单机架设计功耗为5 KW，则园区机架数可达15300架；若平均单机架为7 KW，则园区机架数可达10900架。用电容量限制了数据中心的整体机架规模。

因此，从土地规模、政策方向、电力容量、业务需求、投资回报等多个角度去分析数据中心的建设方向和目标，是非常复杂的项目，本文以某运营商数据中心为研究对象，重点分析讨论“1+1”模式220 kV供电与“2+1”模式110 kV供电两种方案的优劣势。

2 方案比较

2.1 项目概况

某运营商数据中心园区地处华东地区，园区整体基础设施系统设计遵循国家GB 50174-2017 A标准及部分参考国际Uptime和TIA942 T3+标准。其中一期包含机房楼2栋，110 kV变电站1栋，制冷站1栋，动力中心1栋，辅助办公用房1栋，总设计用电功率超6万kVA。二期新建机房楼2栋，柴油发电机楼1栋，用电功率达到10万kVA。园区整体用电功率达到16万kVA，远远超出110kV线路容量上限。

从电气结构上分析，一期110kV变电站已经引入两路110 kV市电进线，对应两台容量为10万kVA的110kV/10 kV主变压器，10 kV母线采用单母线四分段的形式，其中I、II段母线对应1#主变，III、IV段母线对应2#主变。当出现单路市电停电或者计划性停电时，I和IV，II和III可分别通过联络柜实现手拉手供电。一期根据负载分配情况，已经启用6组10kV出线为末端进行供电。

二期按照规划负载，需要重新引出10组10kV配电线路为机房楼供电，每组进线组容量约为1万kVA。因此需要对园区整体电力容量进行扩容并重新进行负载分配。

2.2 电气引入方案比较

从电源引入角度来看，如果采用两路220 kV市电供电模式，需要拆除原有外市电电缆，重新选择上级电源站，规划外市电线路路由，复核110 kV变电站土建设计能否满足要求或者重新新建220 kV变电站，拆除原系统中的电缆和电气设备。如果考虑“2+1”110 kV外市电扩容方案，需要确定新建线路上级变电站，规划进线路由，确定原110 kV是否有空间摆放扩容变压器、GIS等设备。参考原有一期图纸和现场勘查结果，扩容一路110 kV进线，电缆管沟、变压器、GIS的空间是可以满足要求的。

从负载分配方案考虑，两路220 kV市电供电模式比较简单，所有10 kV电源进线引入端分别引自两路220 kV下挂母线，日常运行时，任一路电源运行容量不超过50%即可，单路停电时，通过手拉手形式通过联络柜供电，双路停电则通过应急后备电源供电。如果为“2+1”110 kV市电供电方案则需要对每路10 kV进线规划容量进行统计复核，重新进行排列组合。理想情况下，终期满载运行，每路110 kV日常用电容量可达线路总容量的2/3，当其中任一一路市电停电，则将所带负载进行均分，由另外两路分别带载，此时另外两路运行功率达到100%，当出现两路停电乃至三路停电的情况，则通过应急后备电源供电。将三路110 kV市电分别记作A、B、C，每路市电通过110 kV主变，各带两段10 kV母线，分别记作I、II、III、IV、V、VI，则A路外市电带I、II段母线，B路进线带III、IV段母线，C路进线带V、VI段母线。由于同组变压器下两段母线分别引自两把分支开关，并无电气连接，I、VI，II、III和IV、V直接有联络柜可以进行手拉手。因此，假定A路停电，则I、II两段母线下所带负载分别由C路进线和B路进线进行供电。考虑到数据中心负载增长的一般规律，在较长周期内，园区整体用电功率很难达到一路市电的总设计容量。因此在负载分配的设计规划阶段，技术团队提出，10kV负载在分配阶段，机房楼、制冷站同组10kV进线分配应该按照I、IV，II、V和III、VI进行进线互备设计。这种分配方案可以保证园区在整体市电容量充足的情况下，即使两路110 kV外市电停电，园区整体依然可以保证都由外市电进行供电，不需要启动应急后备电源。

图1 “2+1”110 kV负载分配示意图

从投资角度考虑，110 kV外市电线路引入电缆选用YJLW03-64/110 kV-1×800mm2，单回路综合单价约为1200万/千米；220kV外市电线路引入电缆选用ZC-YJLW03-127/220kV-1×2000 mm2，单回路造价约为5800万/千米。此外，如果采用220 kV方案，还需要废除原有110 kV变电站，并且重新完成新变电站的建设。结合该项目上级电源站所距离数据中心的距离，两种方案的投资估算如表1所示。

表1 新建两路220kV和引入一路110kV市电引入方案对比表

从现有业务保障角度考虑，重新引入一路110kV及负载割接改造，机房业务大约会有5天供电可靠性会受到影响。而220kV改造方案会有20天左右机房供电至少一路需要中断。

经多轮沟通，不断优化方案，最终拟按照再引入一路110kV电源和现有两路110kV电源组成2+1方案，并通过10kV中压侧倒换实现园区供电。经测算，该方案最终投资预算约1.6亿元，至少可节省7.4亿元。且后期运营维护、建设周期都大大减少和缩短。

3 落地实施

园区第三路110kV外市电引自临近220kV变电站110kV备用间隔，线路全长约8公里，电缆采用YJLW03-64/110-1×800mm2。110kV变电站内部新增1台100MVA主变，新增1组110kV进线GIS装置（线变组接线），10kV新增2段母线，接入原10kV母线系统，最终10kV改建为单母线六分段环形接线。

4 自动化运维方案

4.1 自动化需求

“2+1”方案落地后，又面临新的难题和挑战，如何解决结构复杂的系统或者设备分布比较分散的大系统，如何确保系统动作顺序的可靠性、准确性，避免由于误动作影响系统的持续运行成为一个重要课题。

通常，高压开关柜的保护逻辑往往在建设调测期间已经固化完成，后期调整的可能性很小。以单路进线停电为例，该数据中心机楼高压开关柜的动作顺序为：按顺序依次分开停电侧出线柜→分开停电侧进线柜→闭合高压联络柜开关→按顺序依次闭合停电侧出线柜。一般我们将这种投切方式叫做顺序投切，这个方案的优点在于调试相对简单，如果出现开关动作错误，现场人员方便定位。然而在“2+1”供电模式下，如果需要实现10kV侧中压倒换的顺利完成，需要增加的采样单元、二次线数量非常多，相互之间的联动关系也非常复杂，改造后的调测难度也非常大。因此，技术团队提出基于SCADA平台进行功能开发实现对10kV以及后备电源的整体调度，并且更进一步实现智能化分级保障方案。

4.2 自控方案设计

场控系统利用SCADA系统既有的采样、存储功能，对一定时间区域内负载电流进行计算，加上该线路的充电电流需量以及一定安全裕量，从而得到需要保障各出线柜负载稳定运行电流需量。通过人工对出线开关进行预分级标记，从而优先保障为重要出线开关供电，从而保障重要业务不受断电影响，持续稳定运行。

假定110 kV进线A、B停电，两路所带母线分别为I、II和III、IV，每段母线需要倒切的电流量为各出线最大短期运行电流与充电电流之和：

I需=∑（Imax出线1+Imax出线2+…）+∑（Imax充电1+Imax充电2+…）

由于I段与VI段，IV段与V段有联络柜连接，当前V段与VI段母线运行电流分别为IVI及IIII，每路进线大载流量为In，则：

若In-IV-IVI-III需-IIII需≥I1需+IIV需，则通过机楼内10 kV母联将II、III段母线下负载倒切至V、VI段，同时闭合110kV变电站IV、V段和I、VI段之间的联络柜；

若In-IV-IVI-III需-IIII需≥0且In-IV-IVI-III需-IIII需＜I1需+IIV需，则通过机楼内10 kV母联将II、III段母线下负载倒切至V、VI段，启动I、IV段母线所带负载的对应的油机组，完成启机并机进行供电；

若In-IV-IVI-III需-IIII需＜0，则根据重要等级，将重要负载通过机楼内10 kV母联将II、III段母线下负载倒切至V、VI段，超出部分及I、IV段母线所带负载通过启动对应的油机组，完成启机并机进行供电。

这里特别强调，负载对应母线一定要按照I、IV，II、V和III、VI进行进线互备设计。

当系统给出倒切方案后，会先在人机界面进行弹框，调度人员可以选择进行方案预演，或者立即执行。

通过SCADA系统的介入，我们还可以实现对同一重要级别的负载根据末端负荷大小进行排序，使整套高压开关柜投入顺序按照负荷的大小顺序投入，减少对园区微电网的冲击。

5 结束语

采用“2+1”供电模式引入一路110 kV电源，通过10 kV成环互为备份，在行业内属于先进技术处理模式，可有效解决供电容量的问题，且大大节省建设投资，减少后续维护成本。

（1）节约建设投资：某运营商数据中心三路110 kV线路方案相对于两路220kV方案可减少投资7.4亿元；（2）缩短建设周期：采用1路110kV引入对施工环境、施工工艺要求较220kV要低，预计节省工期约6个月以上；（3）减少后续维护成本：220kV电压等级更高，维护难度更大，预防性试验及绝缘性检测成本要降低成本500万元/年；（4）变电站建设面积减小：220kV市电电源需新建1栋220kV变电站6000平方米，而本方案采用“2+1”110kV引入只需建1台110kV变压器及配套，利用现有变电站扩容；（5）通过场控平台降低硬件投资、减少改造施工量并减少一线驻场技术人员数量。可以节约一次性投资约400万元，后续每年可以节约运维费用约240万元。