伴隨著越來越多高標準、高電力需求的數據中心項目的建設，作為備用電源的柴油發電機組容量要求越來越大，需要多臺大功率柴油發電機組單機或并網才能滿足負載需求，由于機組數量的增加需要建設獨立的機房且與實際使用負載間距離也越來越遠，多臺低壓柴油發電機組并聯運行存在傳輸缺陷，為了能夠更加安全、可靠地運行，采用高壓機組無疑是最佳的選擇。大功率柴油機、大容量高壓發電機以及發電機控制技術的發展和完善，使高電壓柴油發電機組的優勢逐步顯現，市場需求旺盛，成為解決大容量、較遠距離傳輸、高智能、高可靠性備用電源的主要技術方案。

項目概述

北京某數據中心項目建筑面積約為13 473.4 m2，地上兩層，地下兩層，地上建筑面積約為8 599.74 m2，地下建筑面積約為4 873.66 m2，建筑高度12 m，建筑層高：地上5.7 m和4.7 m，地下6.6 m和4.0 m。

項目建筑功能定位主要為IDC數據機房，樓內具備必要的辦公用房和配套設施，以及建筑基本使用功能的電力、空調、電梯機房等配套功能用房，項目建成后具備裝機和辦公條件。

數據中心供電系統

項目滿足至少3.5萬臺服務器的運算及存儲�？傆秒娯摵�11 386 kW，共需外電容量為25 000 kVA（主用 + 備用），滿足2N系統架構。從園區兩個不同的110 kV變電站，分別引入一路10 kV電源，每路12 500 kVA，共兩路10 kV市電給機房，互為備用，高壓有聯絡，當一路斷電時，另一路能承擔全部負荷。

IDC業務不同的客戶對業務等級有不同的需求，因此項目機房電源系統的建設參考國家標準GB 50174 - 2017《數據中心設計規范》中A級建設標準（如表1所示）。

負荷計算

本工程各層數據機房功率需求如表2 ~ 表4所示。

冷凍站內為機房提供制冷系統的設備、火災應急照明為一級負荷；其中所有消防用電設備、IT設備、安防設備、二級冷凍泵、數據機房專用空調風扇為一級負荷中特別重要的負荷；余熱回收系統為二級負荷；其余為三級負荷。

柴油發電機組的配備

整個數據中心配電系統按照全部為一級負荷中特別重要的負荷方式建設，在滿足兩個獨立電源供電（一個電源發生故障時，另一個電源不應同時受到損壞）外，還另配置柴油發電機組作為備用電源。

柴油發電機作為通信局站及數據中心的后備電源，主要為UPS系統及空調負荷供電。UPS、空調的變頻電機均為非線性負載，會產生大量諧波電流。由于柴油發電機的內阻比電網的等效內阻大得多，因此諧波電流對于發電機電樞繞組電勢波形有不利影響，造成發電機輸出電壓畸變、電流諧振及頻率振蕩，從而降低柴油發電機的帶載能力，尤其是非線性負載較大而發電機組容量又較小時，這種危害就更加明顯。在后期工程選擇UPS設備時，應選擇IGBT整流UPS，降低系統諧波水平。同時還應通過動環監控系統與變配電設備統籌考慮，實現負載順序加載、負載順序減載、UPS功率緩啟動與分時啟動、加減載動態調整。

對備用電源的要求

數據中心的運行分析

本工程柴油發電機組采用10 kV油機，使用并機運行方式，動力樓內配置的油機并機系統按終期配置，所有機組發電均送上10 kV油機母線段后集中送往10 kV高壓配電系統進線端進行切換，由機組自身控制系統根據負荷量的大小調整機組啟停。為保證油機投入可靠，每套并機系統需要配置1套自動化控制系統，具備與主電源自動切換、輕載自動停機、系統遙控及狀態監視功能。

由于重要負荷在低壓側均為主備變壓器帶載，自動切換，故只有當兩路10 kV市電均停電、備用油機自動啟動后方可切換負荷。當市電停電后，柴油發電機組尚未啟動之前，此段時間由電池室蓄電池組來保證向通信負荷供電。在市電恢復后，自動切換到市電供電，同時柴油發電機組控制器檢測到市電恢復時發出停機信號。

為滿足通信設備對供電系統不間斷要求，本工程配置10 kV大容量通信專用自動化柴油發電機組作為備用電源，其容量按滿足全部負荷配置。

本工程在北區室外設置8臺額定容量不小于1 800 kW的室外10 kV柴油發電機組，構成1套8臺“7 + 1”并機系統，分別接入高壓Ⅰ段、Ⅱ段母線。本工程配置的油機配套設備均包含柴油發電機組自帶的控制屏、啟動電池、電池充電整流器、油機水套加熱器和油機并機控制系統。單臺油機箱體內除柴油發電機組本體外還包括：配套交流配電箱1臺、控制箱1臺、接地柜1臺、蓄電池和充電整流器1套。室外油機降噪需滿足GB 3096 - 2008《聲環境質量標準》要求。

本工程在地下一層安裝油機并機系統控制柜1套，直流操作電源1套。

儲油設備的配置

綜合考慮儲油量對園區場地條件的要求和運行維護費用等因素，本工程油機儲油采用單臺柴油發電機日用燃油箱和地下油庫相結合的方式�？們τ土堪凑諠M足主用油機滿載運行不低于12 h儲備。

在室外配備1個容量49 m3的地下儲油罐，滿足備用電源系統不小于12 h燃油儲備。為便于維護使用，在室外柴油發電機組箱內為每臺發電機組配置1臺1 m3日用燃油箱，本工程共8臺。此外，本工程安裝的供回油管路、通氣管管路均應設置相關閥門及法蘭接口，便于后期改造檢修。燃油系統中設置油泵，負責將儲油罐內燃油送至柴油發電機組箱內。每個儲油罐配置1主1備兩個燃油泵，燃油箱進出油口處應有柴油過濾和油水分離器。燃油箱應帶液位顯示，以便維護人員隨時掌握油量情況。燃油供給系統應自帶RS 485接口，提供監控協議，便于監控系統采集日用燃油箱及室外儲罐的外部防水淹告警信號、油位、油溫、燃油流量，油泵工作狀態等燃油供給系統監控數據。

備用電源方案的確立

備用電源規范要求

GB 50174 - 2017《數據中心設計規范》第8.1.12條規定：“A級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源。備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路。當正常電源發生故障時，備用電源應能承擔數據中心正常運行所需要的用電負荷�！�

備用電源是保障A級數據中心正常運行的必要條件，獨立于正常電源的發電機組和供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路都可以作為備用電源。由于柴油發電機在可操作性上優于其他備用電源，故大部分數據中心采用柴油發電機組作為備用電源。

高低壓柴油發電機對比

高壓柴油發電機組與低壓柴油發電機組的組成基本相同，主要區別在于相同容量的柴油發電機組，400 V機組發電機出口電流比10 kV機組出口電流大25倍以上，高低壓機組技術特性分析對比見表5。

本工程綜合考慮地上8 600 m2的計容面積限制以及機柜數量最大化，選擇室外集裝箱式10 kV高壓柴油發電機組。

高壓柴油發電機容量確定

柴油發電機功率

持續功率（COP）：在機組規定的維修間隔和維護保養時間外，機組以100 % 功率運行，可以不間斷為恒定負載供電的最大功率。

基本功率（PRP）：在機組規定的維修間隔和維護保養時間外，可以不間斷為可變負載供電的最大功率。在24 h周期內的允許平均輸出功率不應大于PRP的70 %。70 % 為機組經濟運行功率。大型數據中心（IDC）多采用PRP作為選擇柴油機組的指標。

限時運行功率（LTP）：在機組規定的維修間隔和維護保養時間外，機組以100 % 功率運行，每年供電達500 h的最大功率。

應急備用功率（ESP）：在機組規定的維修間隔和維護保養時間外，當供電網出現故障或在試驗條件下，發電機每年運行達200 h的某一可變功率系列中的最大功率。在24 h運行周期內允許的平均功率不應大于ESP的70 %。

柴油發電機的容量選擇和計

根據《鋼鐵企業電力設計手冊》（上冊）公式（7 - 21）、（7 - 22）、（7 - 24），按照供全部負荷正常工作時的計算容量PG1、按滿足大容量電動機負荷啟動時計算的發電機容量PG2、按負荷啟動時允許電壓降的發電機容量PG3 3種要求算出柴油發電機容量后，如果PG2、PG3比PG1大得較多，則說明電動機的啟動方式需要進行適當改變。在選擇柴油發電機容量的時候，需要分析是電動機降壓啟動選擇小容量發電機組，還是電動機直接啟動選擇較大容量發電機組，應該根據綜合技術經濟比較來確定。

本工程IT負荷所需柴油發電機容量7 072.8 kW，動力負荷所需柴油發電機容量為5 888.4 × 0.85 = 5 005.14 kW（柴油發電機功率因數取0.85），故本工程柴油發電機容量總計為12 077.94 kW。為滿足柴油發電機N + 1的配置要求，并考慮配置經濟，選擇PRP功率為1 800 kW的10 kV柴油發電機8臺，7 + 1冗余運行模式。

10 kV柴油發電機系統設計

10 kV柴油發電機并機系統

柴油發電機參數

a. 數據中心使用功率（PRP）：1 800 kW；發電機組功率是指除掉水箱風扇、水泵和油泵自耗后的發電機組凈輸出功率。以制造商原始數據單描述為準，需提供設備制造商對此要求進行承諾。

b. 額定電壓：10.5 kV。

c. 額定功率因數：0.85（滯后）。

d. 額定轉速 / 頻率：1 500 rpm / 50 Hz。

e. 輸出連接：三相三線。

f. 發電機的性能等級不應低于G3級。

發電機組性能

a. 機組在常溫（增壓機組不低于10 ℃）下經3次啟動應能成功，兩次啟動的時間間隔為10 s，啟動成功率應大于99 ％；啟動成功后應能在3 min（1 min）內帶100 %負載運行。

b. 開機指令發出后至允許首次加載50 %負荷（PF = 1.0）的時間 ≤ 6 s。

c. 穩態電壓調整率：≤ ± 0.5 %。

d. 電壓波動率：≤ ± 0.5 %。

e. 電壓波形的正弦波畸變率 ≤ 5 %。

f. 瞬態頻率調整率：≤ ± 10 %（50 %負載突加、突減時）。

g. 頻率穩定時間：≤ 5 s（50 %負載突加、突減時）。

h. 穩態頻率調整率：≤ ± 0.25 %。

i.  頻率波動率：≤ 0.25 %。

j.  中性點接地方式：電阻接地。

k.  燃油型號：國產輕柴油。

l.  機組噪音：≤ 107 dB（A）（距機組1 m處）。

m. 機組振動（100 % 負荷時）的單振幅值不大于0.5 mm。

n. 發電機在承受1.5倍的超速運行時不發生有害變形。

o. 發電機額定工況效率：≥ 95 %。

p. 大修時間間隔：運行累計不少于10 000 h，需提供發動機原廠大修手冊或操作保養手冊。

q. 底座：發動機、發電機、水箱共用底座。

r. 配備缸套水加熱器及空間防潮加熱器。

s. 滿足項目現場環境使用要求，設備全季節使用不能有功率降。

t. 滿足機組突加100 % 負載使用要求，且廠驗必須滿足此要求測試。

本工程備用電源為柴油發電機組，10 kV系統架構示意如圖1所示。

市電與備用電源切換邏輯

一次系統說明

本工程共設置2路市電，每路市電可提供 12 500 kVA電力。備用電源為柴油發電機組，共設置8臺機組，按7 + 1冗余配置。同組兩路市電同時工作、互為備用，高壓聯絡。

自動裝置配置說明

備用電源設置并機控制系統，并機控制系統由發電機組設備供應商深化設計。并機控制系統實現對整個備用電源系統的監視和控制。

每段市電配電母線處設置一臺控制器：

a. 控制功能可由PLC實現，也可由綜保繼電器實現。

b. 控制器具備自動、手動功能，備用電源系統啟動測試功能。

c. 市電電源的兩臺控制器具備通信功能，以實現：相互監視運行和故障狀態；同步控制信號，確保同組兩段母線相同電源類型的進線開關和饋電至同組變壓器的兩個饋電開關同時分閘或合閘。

d. 控制器監視和控制功能至少應包括（1#和2#市電同理）：① 監測市電電源進線前PT201A的狀態，通過PT201A監測市電電源進線狀態。② 監測市電電源進線開關S201A的手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S201A分合閘。③ 監測備用電源進線前PT211A的狀態，通過PT211A監測備用電源進線狀態。④ 監測備用電源進線開關S211A的手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S211A分合閘。⑤ 監測饋線開關S212A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S212A分合閘。⑥ 監測饋線開關S213A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S213A分合閘。⑦ 監測饋線開關S214A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S214A分合閘。⑧ 監測饋線開關S215A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S215A分合閘。⑨ 監測饋線開關S216A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態；控制S216A分合閘。⑩ 控制器PLC - A發送發電機組啟動信號給發電機組并機控制系統。

市電電源和備用電源切換控制邏輯

a. 每段市電母線上的控制器監測本段母線市電電源進線前的PT狀態，當同組兩路市電電源進線前的PT均失電、且市電電源進線開關無保護分閘時，延時5 s發出發電機組啟動信號至發電機組并機控制系統。

b. 發電機并機控制系統同時接收到同組兩臺市電母線上的控制器發來的啟動信號后，所有發電機組啟動，并在應急母線上完成并機，并機發電機組臺數達到7臺（可根據負荷調整數量）時，發電機組完成并機，并機控制系統閉合并機母線上的饋電開關，并機母線向市電母線輸出電能。

c. 市電母線上控制器監測到備用電源進線開關前PT帶電后，延時2 s發出信號斷開本段母線上的市電進線開關，斷開本段母線上次要變壓器的饋電開關，保留一路主要變壓器饋電開關在線，延時2 s閉合本段母線上的備用電源進線開關。

d. 每延時5 s，閉合本段母線上饋電至任意一組的次要變壓器饋電開關。

e. 此時，完成市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載過程。

f. 市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載完成后，在與供電單位確定其他市電電源無失電風險時，備用電源可根據實際負載需要適當退出部分柴發機組（可由機組功率管理模塊自動控制完成）。

g. 市電恢復后，手動恢復到市電供電狀態。

h. 若油機測試時任意2路市電失電，此時應為手動操作，不涉及控制邏輯。

閉鎖要求

為防止市電與發電機電源之間并聯，同一段母線上的市電進線開關和備用電源進線開關之間設電氣聯鎖，任何時候兩個開關不能同時處于合閘狀態。

柴油發電機保護

高壓發電機組系統與低壓發電機組系統在保護上主要差別是高壓發電機組通常把差動保護和接地保護作為必須的保護，由于高壓發電機組的電壓高，對繞組的絕緣要求更高，當定子繞組發生三相或兩相短路時，將產生很大的短路電流，造成繞組過熱，故障點產生的電弧使繞組絕緣損壞，甚至會導致發電機起火，這是發電機內部最嚴重的故障。因此，對高壓發電機組繞組相間短路進行保護是十分必要的。

發電機組差動保護

發電機組差動保護是根據比較被保護發電機定子繞組兩端電流的相位和大小的原理而構成。為此，在發電機中性點側與靠近發電機出口斷路器各處安裝一組型號、變比相同的電流互感器。如同線路的差動保護一樣，在正常運行及外部故障時，流入繼電器的二次側故障電流IK等于繼電器運行電流Iunb；若繼電器的動作電流Iact.k大于繼電器允許最大電流Iunb.max，則保護不動作；而在內部（兩側電流互感器之間的定子及其引出線）故障時，IK = ISC / Ki（ISC為一次側故障電流，Ki為電流變比倍數），若IK ＞ Iact.k，則保護動作�？梢�，差動保護并不反映外部故障，不需要與相鄰元件保護進行時限配合，可以瞬時跳閘。

發電機組接地保護

在機組系統發生接地故障時，由于電容電流超前電壓90°，當故障點的電容電流在第一個半波過零熄弧時，加在故障點上的電壓正好為峰值，若電容電流過大，空氣游離嚴重，極易把故障點重新擊穿。這種重燃有時不可避免，但多次重燃將會導致電網電壓振蕩，發生間歇性弧光過電壓。這種過電壓時間長、幅值高、能量大、缺乏有效手段加以防護。避雷器在這種過電壓的長時間作用下，會加速老化，甚至損壞。因此，首先應采取措施避免這種過電壓的發生。

電網中性點采用電阻接地方式的目的是給故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容特性，減小與電壓的相位差角，降低故障點電流過零熄弧后的重燃率。當阻性電流足夠大時，重燃不再發生。并且，阻性電流大于容性電流尚可提高零序保護靈敏度，作用于跳閘。

高壓發電機組傳輸電流小、發熱量小、能量損耗小、輸配電效率高、節能效果明顯。高壓發電機組在10 kV母線處通過綜�；騊LC集中控制切換，一般通過變壓器帶載可部分消除非線性負載對機組的影響，同時方便功率因數調整，避免功率因數過低影響機組的輸出。高壓發電機組控制技術完善，在實際運行中取得了良好效果。

上一條：購買新柴油發電機時需要考慮哪些問題呢？

下一條：如何正確使用柴油發電機，這幾個步驟一定要注意。

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