某数据中心油机系统设计与实测分析

刘京晶，田振武，吕申龙

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

目前，各行各业的数字化转型和产业升级，对信息、数据的管理和分析产生了极大依赖。数据中心作为信息、数据的基础设施平台，扮演着越来越重要的角色。通过升级迭代，数据中心逐渐形成由计算机系统、通信连接系统、电力系统、制冷系统以及环境监控系统等组成的基本架构。其中，电力系统是保障数据中心业务设备正常运行的关键环节。为避免供电故障发生导致数据丢失等灾难性后果，数据中心通常要求配置应急电源系统。

数据中心应急电源系统最常用的形式是柴油发电机系统，尤其是在中大型数据中心建设中，一般采用高压（10 kV）柴油发电机组并机系统进行应急供电保障。发生市电中断时，不间断电源系统（Uninterruptible Power Supply，UPS）或高压直流切换至蓄电池放电模式，从而保持信息技术（Information Technology，IT）设备、空调末端等关键设备的连续供电[1]。同时，柴油发电机组迅速启动，在蓄电池后备供电时间内完成并机输出动作，为数据中心全部系统提供电力保障。

1 油机方案

1.1 工程概况

以江苏省苏州市某数据中心为研究对象进行分析，该数据中心已建成一座110 kV 专用变电站，该机楼共引入4 组8 回10 kV 市电电源，每组以2 回市电电源互为备用电源，每回均能负载该组全部用电负荷。数据中心高压配电系统10 kV 电源主接线采用单母线分段，中间不设母联开关，两段母线由2 路10 kV 电源分别供电。2 段10 kV 母线以放射式向各台变压器供电；变压器采用“1+1”配置，每台变压器负荷率均不超过50%，若其中一台变压器发生故障，则另外一台变压器带起全部负荷[2,3]。同时，该机楼设置2 个油机区，独立为数据中心楼保障用电负荷供电。整栋楼规划了3 724 个机架，油机保障负荷约33 046 kW，共规划了20 台主用2 000 kW 油机，分为4 个并机系统，本期主要测试1#并机系统。1 号并机系统主要规划保障用户一期650 架IT 设备、空调主机、水泵、冷塔（1 主1 备）、空调末端等负荷，该系统保障负荷约8 023 kW，负荷率不超80%，若选择“N+1”配置，则需配置5+1台主用2 000 kW油机。

1.2 油机系统

某数据中心机楼将根据负载情况分期建设，终期将建设4 套并机系统各为4 段高压系统进行供电。其中，1#并机系统建设6 台10 kV 主用2 000 kW 高压集装箱机组（卡特）放置在一层东侧油机室内，同时该系统配置了2 台油机出线柜、1 台假负载测试柜，5 台油机进线柜。其并机控制系统目标如下：控制、监测并机系统内各台油机的运行状态；各台油机间的相互通信、控制、反馈；相关断路器、接触器的分合闸；实现机房辅助设备如百叶窗、自动加油系统、进排风系统等设备的逻辑控制等；达到油机并机系统安全、可靠、稳定的工作。

1.2.1 1#发电机系统并机方案

供电系统平面图如图1 所示，作为1#中压系统后备电源，1#油机系统本期主要规划为保障用户设备负荷。

图1 供电系统平面图

1#并机系统用电负荷如表1 所示。

表1 油机并机系统用电负荷表

油机配套的进（出）线柜等在二层高低压配电室内建设，并机柜、配电屏等在一层配电室内建设，为达到总体控制并机系统的目的，在一层配置1 台主控柜，发电机供电与市电不并网。

为确保响应速度，采用准同期的方式同步控制并机系统，同时该系统采用随机并联的方式。具体而言，系统中任意达到额定输出功率的机组都可以先合闸到母线供电，剩余机组与该机组同步后再按顺序合闸供电。

每台发电机组配置一套控制器，用于控制发电机组，并配备负载分配和自动同步模块，通过对机组电压与转速进行控制，从而达到各个机组之间的并联及负载均衡的目的。同时，应用广角模拟表监控发电机组的输出参数，满足操作人员对多台机组各项参数直观了解的需求。为节省空间、降低总成本及便于维护，利用新增的主控柜控制各机组的并机柜，并协调控制整体系统运行，通过设定的程序，实现系统的逻辑控制，包括投入和切除机组、优先级设定等[4]。

1.2.2 负载管理方案

全部机组自动并联运行，系统自动地分配负载，按以下逻辑实现负载的管理。

1#油机系统负载管理按照“N+1”模式来控制，6 台油机的容量均可作为后备使用。

全部机组并联运行1 ～10 min 后，若系统整体负载小于在网运行机组60%（可调）额定容量且持续时间超过1 min，则系统自动切除第6 台机组，此时全部负载由5 台机组带载，以此保证供电的可靠性；随着负载的降低，会依次切除在网运行机组，直至保持最少2 台机组在线运行[5]；若系统负载增加至机组的60%额定容量，系统将自动启动第2台机组，并自动同步后合闸向负载供电；若系统全部负载增加至在网运行系统额定容量的60%，则自动启动第3 台机组，以此类推启动后续机组，最终6 台机组全部启动，其保障方式为“N+1”，保障容量为5 台机组的总容量（10 000 kW 主用）。

1.2.3 市电油机切换方案

10 kV 并机系统输出，与10 kV 外市电引入在机楼二层高压配电室内完成切换。为了保证切换的安全性和可靠性，采用控制柜和2 个断路器为核心，协同所有进出线断路器搭建电源切换控制系统，实现电气联锁和机械联锁，同时实现逐级投切[6]。

1.2.4 10 kV 发电机接地方案

动力中心楼的接地系统采用联合接地方式，接地电阻小于1Ω。该大楼已经完工，接地体、接地总汇集线以及预留接地端子施工完成，并采用现有的接地系统。新增接地扁钢与原有接地系统连接，机组设备等所需的保护接地线从新增的接地扁钢引接，并做好其他可导电物体的等电位联结。每台机组分别设置1 台接地电阻柜，采用中性点接地的方式，通过设置接地电阻柜实现保护。

1.2.5 高压系统方案

1#油机并机系统建设6 台高压进线开关柜、4 台高压出线开关柜、1 台电压互感器柜以及1 套220 V 直流电源，新增高压开关柜应满足防止误分、合断路器，防止带负荷分、合隔离开关，防止带电挂（合）接地线（接地开关），防止带接地线（接地开关）合断路器，防止误入带电间隔要求。

1.2.6 供油系统方案

本期室外集装箱油机的日用油箱设置在集装箱内，结合最新消防规范，每台集装箱发电机组后部设置1 个日用油箱，日常储油量在1 m³以内，日用油箱液位为自动控制。供油管路为2 路独立管道加末端环路，任意一路管道出现故障均不影响供油。每个日用燃油室配备一台防爆型回油泵，回油回至地下油罐。每台日用油箱设置紧急卸油手动和电动卸油阀，遇到紧急情况时，关闭油箱间内进油总管上的电动阀，同时开启电动卸油阀和回油泵，将日用油箱里的燃油泄至地下油罐。

1.3 油机参数配置

本工程柴油发电机组选用了某知名品牌主用功率为2 000 kW 的油机，发电机组燃油消耗率如表2所示，发电机组排气温度如表3 所示。表2 和表3 的部分性能为厂家在可变负载条件、不限运行时间下，提供的发电机组燃油消耗率和发电机组排气温度的主要出厂数据。

表3 发电机组排气温度表

1.4 油机并机系统控制逻辑

并机采用自动模式，主控柜检测2 路远程启动信号，根据远程启动信号自动控制发电机组起机运行；检测发电机组并机开关柜的合闸数量，合闸数量达到设定值时，控制对应的馈线柜合闸输出，为用户提供电源。并机系统启动控制逻辑参如图2 所示。

图2 并机系统启动控制逻辑

发电机组处于自动运行状态，主控柜检测远程启动信号，任意1 路远程启动信号恢复，满足停机条件时，自动控制馈线柜分闸，控制发电机组冷却停机，并机系统停机控制逻辑参如图3 所示。自动模式下，系统的操作运行由逻辑控制器自动完成，无须人员操作，能够及时供电，从而保障电力供应。系统同时接收到2 路市电停电信号，控制发电机组起机运行；当任意一路市电信号恢复，系统自动控制发电机组停机。

2 测试分析

本次工程记录油机负载率分别为0、25%、50%、75%、100%以及110%时的实测数据，通过分析单台油机负载率与小时耗油量关系、单台油机负载率与排气温度关系、单台油机负载率与发动机水温关系，测试该方案落地实际结果。单台油机负载率与小时耗油量关系如图4 所示。实测油机小时耗油量与油机负载率成正比，在额定工况负载率100%的情况下，耗油量为489.4 L/h。单台油机负载率与排气温度关系如图5 所示。随着负载率的增加，排气温度增加，但是温度增速率减小，在进气平均温度为73.5 ℃的情况下，温度增速率减小的原因是流量在增加。单台油机负载率与发动机水温关系如图6 所示。随着负载率的增加，发动机水温增大。当油机负载率大于50%以上时，发动机水温增速率减小，水温趋于平衡。

图4 单台油机负载率与小时耗油量关系

图5 单台油机负载率与排气温度关系

图6 单台油机负载率与发动机水温关系

3 结 论

以某数据中心为研究对象，并改进柴油发电机系统，该方案落地实施后，经第三方测试单位现场测试各项参数，表明本方案实际效果优于厂家的性能参数。实践结果表明，该设计方案可为数据中心提供有效电力保障，希望能够为实际的数据中心机组设计工作开展提供有价值的参考，助力数据中心实现长期、安全、稳定运行。