20KV市电环境下数据中心供电架构初探

大型数据中心用电负荷大、功率密度高,采用20kV配电电压可以提高供电能力、减少土地占用量、减少建设投资、降低损耗和提高电压质量,还可以简化电压等级。电压由10KV升压到20KV后,在不改变现有线路导线规格的基础上,20KV的输送容量是10KV的2倍(即在当前主流的10KV电压下电网可提供10MVA的电力容量),输送的容量可以增加到20MVA(相当于上海地区35KV变电站的供电能力),传送距离是10KV的2倍,功率损耗降低了75%,金属消耗量还可以降低50%,相比10KV系统外电建设投资接近减半。

国内外环境现状

目前20kV配电网在美国、日本、法国、德国等很多国家早已成为主流,国内20kV的实践经验也很多。苏州新加坡工业园区已经成功运行了10多年,自1996年正式投运以来,故障情况较少,每kVA总投资比10kV要低267元,园区配电网的供电可靠率为99.993%,略高于行业平均水平99.99%,设备的故障率与10kV级设备相仿,因此从投资成本、绿色节能以及运行可靠性上讲,20KV更适合于用电负荷密度很高的数据中心行业。

工艺造价现状

采用20KV的主设备方面,国内对110/20KV主变压器的制造,无论从设计、材料到工艺等方面都可行,在配电变压器方面,将10/0.4KV的高损耗配变更换为低损耗的20/0.4KV配变也非常成熟;对于电力电缆,12-20KV同为中压线缆,采用同一个绝缘水平,电缆产品数据和载流量都一样,成本价格也不相上下;对于开关设备而言,6-24KV同处于中压开关设备的范畴,采用同一个绝缘水平,进口开关(例如VD4型开关)的结构基本相同,但20KV开关的电气间隙会要求大一些,价格比10KV的高5%左右,对数据中心总体投资成本增加不大。总体而言,20KV设备的造价会比10KV设备有所增加,增加幅度应该在5%-15%之间。随着数据中心负荷容量越来越大以及效率要求越来越高,20KV比10KV更为适合现代数据中心的发展需求。

但采用20KV的供电架构,如何降压到数据中心设备典型的400V供电电压?20KV市电如何和目前主流的10KV柴发或400V柴发做掉电切换?这些对数据中心而言都是一个新的课题,本文对典型的几种架构做初步分析,抛砖引玉,希望能和大家有更多探讨分析。

方案一:采用10KV中间变电站及10KV柴发

国内数据中心主流的供电环境都是10KV输入,因此一个最为直接的办法就是在园区内将两路20KV的外电电压通过20KV中压变电站先降压成四路10KV,再输入到数据中心大楼内,数据中心楼内采用传统的10KV配电和10KV柴发供电方案。

图1 方案一架构图解

该方案的优点:

供电架构非常成熟,室外侧建设20KV转10KV的变电站,室内则采用10KV输入,以及10KV柴发并机,在10KV侧做柴发市电投切方案。20KV降压到10KV和35KV降压到10KV较为类似,相应的变压器和开关柜也都成熟可靠,数据中心内部的10KV柴发并机后和两路20KV降压后的10KV分别投切,和35KV输入的数据中心非常类似。

该方案的缺点:

1、需要在数据中心园区额外建设一个20KV/10KV变电站,变电站内需要安装大容量20KV/10KV变压器、20KV开关柜以及10KV馈线柜等,变电站投资较大,且需要专人维护和管理;2、因为数据中心所有的400V用电负荷都要先通过20KV/10KV变压器再降压到400V,因此市电正常情况下供电路经上增加了一级20KV/10KV的中间转换环节,以及数据中心内还有10KV/400V二次降压,总计将损失3-4%的变压器压降及传输损耗,长期运行电费增加较大;3、由于20KV/10KV变电站和10KV/400V变压器经常不在一个楼内,会增加较多的输入和输出开关柜投资和建设,带来相应的场地占用及维护工作量;4、10KV柴发及10KV并机系统较为昂贵。

方案二:采用20KV直接降压到400V及400V柴发低压冗余投切

方案一中采用了增设20KV/10KV变电站及10KV/400V数据中心内降压的两级降压方案,这种方案带来了两级降压设备投资及两级降压带来的长期运行转换损耗。一个更为高效的办法就是将20KV直接拉到数据中心楼内,采用单级变压器从20KV直降到400V,这样可以减少中间转换环节带来的设备投资、效率降低以及场地占用等问题。在低压侧可以直接采用400V的低压柴发,每台柴发和每段400V母线通过低压ATS自动投切来实现掉电保护。考虑一一对应的400V低压柴发无法并机和共用,可能存在某台柴发故障导致该柴发对应的整组变压器失电问题,因此还需要有一台公共冗余的柴发给到每个低压柴发做故障冗余,通过多套低压ATS和低压母排分别和各台低压柴发做故障投切(如果考虑降成本,备份冗余的柴发可以在主用柴发故障下采用手动投切)。

图2 方案二架构图解

该方案的优点:

采用20KV/400V单级变压器带来更高运行效率和更低投资成本;大大减少了运维复杂度;采用较低成本的400V低压柴发也比10KV柴发减少投资。

该方案的缺点:

方案一由于10KV柴发是并机系统,形成一个大的公共共享柴发资源池,在典型的负载率不太高的数据中心内有较大的安全余量和安全性;而方案二采用的是400V的分布式低压单机系统,柴发之间难以共享,且任何一台故障下都很可能会导致对应变压器负载掉电,因此需要一台额外的冗余备份柴发给主用柴发做备份,相对应的会带来多套低压大电流传输母排,以及多套低压大电流ATS的投资,由于大电流母排和ATS的造价都较为昂贵,冗余备份系统带来的成本很高。此外,在典型的互联网数据中心内,采用了很多的模块化不间断电源系统(比如模块化UPS或者HVDC),甚至是市电直供系统,这些负载的阻抗特性为容性负载,而柴发带容性负载能力较弱,因此低压柴发选型需要一定容量放大才能带动这些容性负载,而大容量低压柴发较贵,导致总体投资进一步放大。或者需要采用分时投切开关,将这些容性负载逐个分时投入,后者也会带来额外成本投资和复杂性。

方案三、20KV直接降压到400V及10KV柴发并机升压至20KV投切

10KV集中式柴发并机系统在解决带载能力和减少综合成本方面有一定优势,因此可以考虑采用10KV集中式柴发并机后在高压侧升压到20KV再和20KV市电切换的方案。

图3 方案三架构图解

该方案的优点:

无需建设20KV/10KV中间变电站的建设投资和运营维护,以及没有20KV/10KV和10KV/400V的两级转换效率损耗,且采用10KV的多台柴发并机可以不用考虑N+1的额外柴发冗余,但是会增加两个大容量的升压变压器及中压投切系统。

该方案的缺点:

采用了10KV中压柴发,价格较高,且这些10KV中压柴发并机后的总功率很大,需要找到10MW以上,甚至是20MW以上的大电流大功率10KV/20KV升压变压器。此外,中压并机控制方面会较为复杂,比如涉及多台10KV柴发的并机,以及10KV/20KV升压变压器的输入输出控制,最后还有升压后和两路20KV市电的掉电切换等,这一块的控制、运维及安全等会对整个柴发系统带来较大的挑战。

方案四、采用20KV直接降压到400V及400V柴发升压到20KV投切

前面的三个方案都有一定的优势,也有其明显局限性,还有其他更好的解决方案吗?

从前面的讨论上看,采用20KV/400V单级降压和400V低压柴发更为经济,但是数据中心用400V柴发通常容量较大,无法直接多台并机,但可以在400V输出侧串联升压变压器后升压到20KV后再在高压侧并机,这样解决了常规400V分布式柴发的冗余备份带来的投资过大问题,采用集中式柴发并机系统解决了分布式低压柴发带载能力不足问题。而且主电路20KV/400V降压变压器和400V柴发升压的400V/20KV变压器可以归一复用,减少大容量特殊变压器带来的成本和维护的问题,因此这里可以考虑采用20KV直接降压到400V及400V柴发升压到20KV投切方案。

图4 方案四架构图解

该方案的优点:

这种方案可以较好解决第一种方案内建设额外中压变电站的投资,减少20KV/10KV中间转换环节的效率损耗,减少中间转换设备的投资及场地占用,也可以像方案二一样采用价格相对较低的400V柴发。由于采用了价格相对较低的400V低压柴发,那么低压输出母排投资和低压传输损耗值得重点关注,这里在设计上可以考虑将400V柴发在低压输出侧就近安装升压变压器,直接将柴发的400V输出就近升压到20KV,再在较远处的高压侧并机,这样可以大大减少低压大电流母排的投资,以及低压传输损耗,而且低压柴发和升压变压器一一对应,甚至可以直接理解为20KV的单柴发系统。该方案创新性采用了20KV/400V降压变压器(初次级换过来就是400V/20KV升压变压器,虽然变压器的总数量较多,但种类归一成一两种,且变压器造价比柴发造价要低很多),以及少量400V传输母排,且实现了20KV/400V的单次降压,比第一种20KV/10KV及10KV/400V方案的双级降压减少了一次转换环节,且虽然增加了400V低压柴发输出母排,但在日常运行中几乎很少需要柴发启动带载,因此这部分低压母排带来的损耗几乎可以忽略不计。

该方案的缺点:

20KV/400V的综保控制、低压柴发升压到20KV后的并机控制以及20KV高压侧切换控制也较为新颖(但在国内,这部分技术也非常成熟,整体造价也不高)。

四、小结及展望

在介绍了前面四种不同的供电架构之后,我们做一些简单的对比总结,以目前国内数据中心典型的10MVA外电配6台PRP功率为1800KW的柴发系统为例(20KV供电能力的一半,另外一半复制或者双倍考虑),对前面分析的四种方案进行配置需求分析,以及四种方案的经济性做对比,初步得到结果如下:

序号

方案一:20KV/10KV变电站及10KV柴发

方案二:20KV/400V降压及400V冗余柴发

方案三:20KV/400V降压及10KV柴发升压

方案四:20KV/400V降压及400V柴发升压

6台1800KW的10KV中压柴发

4+1台2500KW的400V低压柴发

6台1800KW的10KV中压柴发

6台1800KW的400V低压柴发

8台10KV/400V变压器及2台20KV/10KV变压器

8台20KV/400V变压器

8台20KV/400V变压器及2台10KV/20KV变压器

8+6台20KV/400V变压器,变压器可归一

2台10KV中压切换无需低压大电流ATS

8套低压大电流ATS及4台母联柜

2台20KV中压切换无需低压大电流ATS

2台20KV中压切换无需低压大电流ATS

无低压大电流母线

大量低压大电流母线以及框架断路器

无低压大电流母线

少量低压大电流母线

6面10KV并机柜

无并机

6面10KV并机柜

6面20KV并机柜

总体建设成本高

总体建设成本较高

总体建设成本中等

总体建设成本较低

操作与易维护性差

操作与易维护性差

操作与易维护性中

操作与易维护性好

系统整体效率低

系统整体效率高

系统整体效率高

系统整体效率高

从上表对比结果上看,采用20KV/400V降压及400V柴发升压的方案四不管在建设投资、运营效率、场地占用和维护便利性方面有较大优势,更为适合在20KV的电网架构中使用。

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原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2016-11-25

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