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大型數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷大、功率密度高，采用20kV配電電壓可以提高供電能力、減少土地占用量、減少建設(shè)投資、降低損耗和提高電壓質(zhì)量，還可以簡(jiǎn)化電壓等級(jí)。電壓由10KV升壓到20KV后，在不改變現(xiàn)有線路導(dǎo)線規(guī)格的基礎(chǔ)上，20KV的輸送容量是10KV的2倍（即在當(dāng)前主流的10KV電壓下電網(wǎng)可提供10MVA的電力容量），輸送的容量可以增加到20MVA（相當(dāng)于上海地區(qū)35KV變電站的供電能力），傳送距離是10KV的2倍，功率損耗降低了75%，金屬消耗量還可以降低50%，相比10KV系統(tǒng)外電建設(shè)投資接近減半。

國(guó)內(nèi)外環(huán)境現(xiàn)狀

目前20kV配電網(wǎng)在美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)等很多國(guó)家早已成為主流，國(guó)內(nèi)20kV的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也很多。蘇州新加坡工業(yè)園區(qū)已經(jīng)成功運(yùn)行了10多年，自1996年正式投運(yùn)以來(lái)，故障情況較少，每kVA總投資比10kV要低267元，園區(qū)配電網(wǎng)的供電可靠率為99.993%，略高于行業(yè)平均水平99.99%，設(shè)備的故障率與10kV級(jí)設(shè)備相仿，因此從投資成本、綠色節(jié)能以及運(yùn)行可靠性上講，20KV更適合于用電負(fù)荷密度很高的數(shù)據(jù)中心行業(yè)。

工藝造價(jià)現(xiàn)狀

采用20KV的主設(shè)備方面，國(guó)內(nèi)對(duì)110/20KV主變壓器的制造，無(wú)論從設(shè)計(jì)、材料到工藝等方面都可行，在配電變壓器方面，將10/0.4KV的高損耗配變更換為低損耗的20/0.4KV配變也非常成熟；對(duì)于電力電纜，12-20KV同為中壓線纜，采用同一個(gè)絕緣水平，電纜產(chǎn)品數(shù)據(jù)和載流量都一樣，成本價(jià)格也不相上下；對(duì)于開(kāi)關(guān)設(shè)備而言，6-24KV同處于中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的范疇，采用同一個(gè)絕緣水平，進(jìn)口開(kāi)關(guān)（例如VD4型開(kāi)關(guān)）的結(jié)構(gòu)基本相同，但20KV開(kāi)關(guān)的電氣間隙會(huì)要求大一些，價(jià)格比10KV的高5%左右，對(duì)數(shù)據(jù)中心總體投資成本增加不大?？傮w而言，20KV設(shè)備的造價(jià)會(huì)比10KV設(shè)備有所增加，增加幅度應(yīng)該在5%-15%之間。隨著數(shù)據(jù)中心負(fù)荷容量越來(lái)越大以及效率要求越來(lái)越高，20KV比10KV更為適合現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展需求。

但采用20KV的供電架構(gòu)，如何降壓到數(shù)據(jù)中心設(shè)備典型的400V供電電壓？20KV市電如何和目前主流的10KV柴發(fā)或400V柴發(fā)做掉電切換？這些對(duì)數(shù)據(jù)中心而言都是一個(gè)新的課題，本文對(duì)典型的幾種架構(gòu)做初步分析，拋磚引玉，希望能和大家有更多探討分析。

方案一：采用10KV中間變電站及10KV柴發(fā)

國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心主流的供電環(huán)境都是10KV輸入，因此一個(gè)最為直接的辦法就是在園區(qū)內(nèi)將兩路20KV的外電電壓通過(guò)20KV中壓變電站先降壓成四路10KV，再輸入到數(shù)據(jù)中心大樓內(nèi)，數(shù)據(jù)中心樓內(nèi)采用傳統(tǒng)的10KV配電和10KV柴發(fā)供電方案。

圖1 方案一架構(gòu)圖解

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

供電架構(gòu)非常成熟，室外側(cè)建設(shè)20KV轉(zhuǎn)10KV的變電站，室內(nèi)則采用10KV輸入，以及10KV柴發(fā)并機(jī)，在10KV側(cè)做柴發(fā)市電投切方案。20KV降壓到10KV和35KV降壓到10KV較為類似，相應(yīng)的變壓器和開(kāi)關(guān)柜也都成熟可靠，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的10KV柴發(fā)并機(jī)后和兩路20KV降壓后的10KV分別投切，和35KV輸入的數(shù)據(jù)中心非常類似。

該方案的缺點(diǎn)：

1、需要在數(shù)據(jù)中心園區(qū)額外建設(shè)一個(gè)20KV/10KV變電站，變電站內(nèi)需要安裝大容量20KV/10KV變壓器、20KV開(kāi)關(guān)柜以及10KV饋線柜等，變電站投資較大，且需要專人維護(hù)和管理；2、因?yàn)閿?shù)據(jù)中心所有的400V用電負(fù)荷都要先通過(guò)20KV/10KV變壓器再降壓到400V，因此市電正常情況下供電路經(jīng)上增加了一級(jí)20KV/10KV的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)還有10KV/400V二次降壓，總計(jì)將損失3-4%的變壓器壓降及傳輸損耗，長(zhǎng)期運(yùn)行電費(fèi)增加較大；3、由于20KV/10KV變電站和10KV/400V變壓器經(jīng)常不在一個(gè)樓內(nèi)，會(huì)增加較多的輸入和輸出開(kāi)關(guān)柜投資和建設(shè)，帶來(lái)相應(yīng)的場(chǎng)地占用及維護(hù)工作量；4、10KV柴發(fā)及10KV并機(jī)系統(tǒng)較為昂貴。

方案二：采用20KV直接降壓到400V及400V柴發(fā)低壓冗余投切

方案一中采用了增設(shè)20KV/10KV變電站及10KV/400V數(shù)據(jù)中心內(nèi)降壓的兩級(jí)降壓方案，這種方案帶來(lái)了兩級(jí)降壓設(shè)備投資及兩級(jí)降壓帶來(lái)的長(zhǎng)期運(yùn)行轉(zhuǎn)換損耗。一個(gè)更為高效的辦法就是將20KV直接拉到數(shù)據(jù)中心樓內(nèi)，采用單級(jí)變壓器從20KV直降到400V，這樣可以減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)帶來(lái)的設(shè)備投資、效率降低以及場(chǎng)地占用等問(wèn)題。在低壓側(cè)可以直接采用400V的低壓柴發(fā)，每臺(tái)柴發(fā)和每段400V母線通過(guò)低壓ATS自動(dòng)投切來(lái)實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)?？紤]一一對(duì)應(yīng)的400V低壓柴發(fā)無(wú)法并機(jī)和共用，可能存在某臺(tái)柴發(fā)故障導(dǎo)致該柴發(fā)對(duì)應(yīng)的整組變壓器失電問(wèn)題，因此還需要有一臺(tái)公共冗余的柴發(fā)給到每個(gè)低壓柴發(fā)做故障冗余，通過(guò)多套低壓ATS和低壓母排分別和各臺(tái)低壓柴發(fā)做故障投切（如果考慮降成本，備份冗余的柴發(fā)可以在主用柴發(fā)故障下采用手動(dòng)投切）。

圖2 方案二架構(gòu)圖解

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

采用20KV/400V單級(jí)變壓器帶來(lái)更高運(yùn)行效率和更低投資成本；大大減少了運(yùn)維復(fù)雜度；采用較低成本的400V低壓柴發(fā)也比10KV柴發(fā)減少投資。

該方案的缺點(diǎn)：

方案一由于10KV柴發(fā)是并機(jī)系統(tǒng)，形成一個(gè)大的公共共享柴發(fā)資源池，在典型的負(fù)載率不太高的數(shù)據(jù)中心內(nèi)有較大的安全余量和安全性；而方案二采用的是400V的分布式低壓?jiǎn)螜C(jī)系統(tǒng)，柴發(fā)之間難以共享，且任何一臺(tái)故障下都很可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)變壓器負(fù)載掉電，因此需要一臺(tái)額外的冗余備份柴發(fā)給主用柴發(fā)做備份，相對(duì)應(yīng)的會(huì)帶來(lái)多套低壓大電流傳輸母排，以及多套低壓大電流ATS的投資，由于大電流母排和ATS的造價(jià)都較為昂貴，冗余備份系統(tǒng)帶來(lái)的成本很高。此外，在典型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)，采用了很多的模塊化不間斷電源系統(tǒng)（比如模塊化UPS或者HVDC），甚至是市電直供系統(tǒng)，這些負(fù)載的阻抗特性為容性負(fù)載，而柴發(fā)帶容性負(fù)載能力較弱，因此低壓柴發(fā)選型需要一定容量放大才能帶動(dòng)這些容性負(fù)載，而大容量低壓柴發(fā)較貴，導(dǎo)致總體投資進(jìn)一步放大。或者需要采用分時(shí)投切開(kāi)關(guān)，將這些容性負(fù)載逐個(gè)分時(shí)投入，后者也會(huì)帶來(lái)額外成本投資和復(fù)雜性。

方案三、20KV直接降壓到400V及10KV柴發(fā)并機(jī)升壓至20KV投切

10KV集中式柴發(fā)并機(jī)系統(tǒng)在解決帶載能力和減少綜合成本方面有一定優(yōu)勢(shì)，因此可以考慮采用10KV集中式柴發(fā)并機(jī)后在高壓側(cè)升壓到20KV再和20KV市電切換的方案。

圖3 方案三架構(gòu)圖解

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

無(wú)需建設(shè)20KV/10KV中間變電站的建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)，以及沒(méi)有20KV/10KV和10KV/400V的兩級(jí)轉(zhuǎn)換效率損耗，且采用10KV的多臺(tái)柴發(fā)并機(jī)可以不用考慮N+1的額外柴發(fā)冗余，但是會(huì)增加兩個(gè)大容量的升壓變壓器及中壓投切系統(tǒng)。

該方案的缺點(diǎn)：

采用了10KV中壓柴發(fā)，價(jià)格較高，且這些10KV中壓柴發(fā)并機(jī)后的總功率很大，需要找到10MW以上，甚至是20MW以上的大電流大功率10KV/20KV升壓變壓器。此外，中壓并機(jī)控制方面會(huì)較為復(fù)雜，比如涉及多臺(tái)10KV柴發(fā)的并機(jī)，以及10KV/20KV升壓變壓器的輸入輸出控制，最后還有升壓后和兩路20KV市電的掉電切換等，這一塊的控制、運(yùn)維及安全等會(huì)對(duì)整個(gè)柴發(fā)系統(tǒng)帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。

方案四、采用20KV直接降壓到400V及400V柴發(fā)升壓到20KV投切

前面的三個(gè)方案都有一定的優(yōu)勢(shì)，也有其明顯局限性，還有其他更好的解決方案嗎？

從前面的討論上看，采用20KV/400V單級(jí)降壓和400V低壓柴發(fā)更為經(jīng)濟(jì)，但是數(shù)據(jù)中心用400V柴發(fā)通常容量較大，無(wú)法直接多臺(tái)并機(jī)，但可以在400V輸出側(cè)串聯(lián)升壓變壓器后升壓到20KV后再在高壓側(cè)并機(jī)，這樣解決了常規(guī)400V分布式柴發(fā)的冗余備份帶來(lái)的投資過(guò)大問(wèn)題，采用集中式柴發(fā)并機(jī)系統(tǒng)解決了分布式低壓柴發(fā)帶載能力不足問(wèn)題。而且主電路20KV/400V降壓變壓器和400V柴發(fā)升壓的400V/20KV變壓器可以歸一復(fù)用，減少大容量特殊變壓器帶來(lái)的成本和維護(hù)的問(wèn)題，因此這里可以考慮采用20KV直接降壓到400V及400V柴發(fā)升壓到20KV投切方案。

圖4 方案四架構(gòu)圖解

該方案的優(yōu)點(diǎn)：

這種方案可以較好解決第一種方案內(nèi)建設(shè)額外中壓變電站的投資，減少20KV/10KV中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率損耗，減少中間轉(zhuǎn)換設(shè)備的投資及場(chǎng)地占用，也可以像方案二一樣采用價(jià)格相對(duì)較低的400V柴發(fā)。由于采用了價(jià)格相對(duì)較低的400V低壓柴發(fā)，那么低壓輸出母排投資和低壓傳輸損耗值得重點(diǎn)關(guān)注，這里在設(shè)計(jì)上可以考慮將400V柴發(fā)在低壓輸出側(cè)就近安裝升壓變壓器，直接將柴發(fā)的400V輸出就近升壓到20KV，再在較遠(yuǎn)處的高壓側(cè)并機(jī)，這樣可以大大減少低壓大電流母排的投資，以及低壓傳輸損耗，而且低壓柴發(fā)和升壓變壓器一一對(duì)應(yīng)，甚至可以直接理解為20KV的單柴發(fā)系統(tǒng)。該方案創(chuàng)新性采用了20KV/400V降壓變壓器（初次級(jí)換過(guò)來(lái)就是400V/20KV升壓變壓器，雖然變壓器的總數(shù)量較多，但種類歸一成一兩種，且變壓器造價(jià)比柴發(fā)造價(jià)要低很多），以及少量400V傳輸母排，且實(shí)現(xiàn)了20KV/400V的單次降壓，比第一種20KV/10KV及10KV/400V方案的雙級(jí)降壓減少了一次轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，且雖然增加了400V低壓柴發(fā)輸出母排，但在日常運(yùn)行中幾乎很少需要柴發(fā)啟動(dòng)帶載，因此這部分低壓母排帶來(lái)的損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

該方案的缺點(diǎn)：

20KV/400V的綜?？刂啤⒌蛪翰癜l(fā)升壓到20KV后的并機(jī)控制以及20KV高壓側(cè)切換控制也較為新穎（但在國(guó)內(nèi)，這部分技術(shù)也非常成熟，整體造價(jià)也不高）。

四、小結(jié)及展望

在介紹了前面四種不同的供電架構(gòu)之后，我們做一些簡(jiǎn)單的對(duì)比總結(jié)，以目前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心典型的10MVA外電配6臺(tái)PRP功率為1800KW的柴發(fā)系統(tǒng)為例（20KV供電能力的一半，另外一半復(fù)制或者雙倍考慮），對(duì)前面分析的四種方案進(jìn)行配置需求分析，以及四種方案的經(jīng)濟(jì)性做對(duì)比，初步得到結(jié)果如下：

從上表對(duì)比結(jié)果上看，采用20KV/400V降壓及400V柴發(fā)升壓的方案四不管在建設(shè)投資、運(yùn)營(yíng)效率、場(chǎng)地占用和維護(hù)便利性方面有較大優(yōu)勢(shì)，更為適合在20KV的電網(wǎng)架構(gòu)中使用。

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