摘要：随着我国经济突飞猛进的发展，很多企业已建造自持多个数据中心项目。但是随着多年的运行以及业务发展的需求，现有数据中心项目的算力、存储容量及同步处理数据的能力已无法满足业务发展要求，故迫切需要对原数据中心进行改建、扩建。在改造建设中会出现新采购柴发和现有柴发机组共用情况，在这样的状况下如何对原有柴发供配电系统进行改造，从而保证备用供电系统依然可靠、稳定的运行尤为重要。本文主要结合上海某数据中心项目对数据中心柴发并机供配电和控制系统设计相关内容进行分析和探讨。

关键词：数据中心；柴发机组；并机系统；可靠稳定

1、项目简介

本数据中心为改造项目，总改造建筑面积为 2900m2。改造建筑为 4 层的厂房，建筑高度 19.5 米。本次改造区域为一＼～三层，第一层主要为数据中心支持区、辅助区和行政管理区，其中支持区：变配电室、电池室、柴发间等；辅助区：消防气体间、消防兼安防控制室、备件库等；行政管理区：门厅、办公区、更衣室、卫生间等。第二层为已投入使用数据机房。第三层主要为辅助区和主机房，其中辅助区：进线间、拆包区、备件库等，本层剩余大部分为主机房，也是此次改造重点区域。第四层为普通办公室。改造设计标准按照《数据中心设计规范》GB 50174-2017 中 A 级进行设计。

本次改造在第三层机房区共新增 277 个机柜，考虑分期灵活投入及最大的空间利用，新增机房采用微模块形式，共新增有 10 个微模块，分二期建设。一期设有 90 个机柜，其中 61 个 IT 机柜，单机柜功率为 6.5kW 和 29 个网络机柜，单机柜功率为 2.0kW。

本项目改造涉及柴发机组利旧，故需要对数据中心原柴发供配电系统及柴发并机系统进行整改，已投入运行的进口柴发机组造价太高，而本次改造预算有限，故增设柴发需采用国产品牌，不再使用原进口柴发机组。

2、柴发系统架构改造设计

2.1、柴发系统现状分析

本数据中心现室外已有 2 台集装箱式柴油发电机组在投入使用，2 台机组备用功率均为 680kW，为 400V 低压输出，且此 2 台柴发机组在一层变配电室已完成并机，并机后做为已运行第二层数据机房的备用电源。第二层数据机房的IT 机柜、微模块行级空调等重要负荷所需备用电源总容量为620kW。下图 1 是现有柴发供配电系统架构图：

经现场踏勘，复核确定室外有增设 1 台柴发机组放置空间。改造厂房一层变配电室的馈线柜旁也有再增设 3 台配电柜位置，现场条件满足本次增设柴发系统所需设备放置空间。

再复核现 2 台柴发并机后的馈线断路器大小、并机母排及并机后馈线母排规格，经现场复核并机后馈线断路器为 2500A，并测量现有母排规格，并机柜上母排和并机馈线柜上母排均为 TMY：- ^-3*2 （120*10），载流量≥4000A，大于 3 台柴发并机后载流量，故以上设备不需要做改造。

2.2、设计标准和容量确定

根据业主需求，按照《数据中心设计规范》GB 50174-2017 中，附录 A 各级数据中心技术要求的“表A 各级数据中心技术要求”，A 级对应后备柴油发电系统的要求，柴发配置需满足 N+1 设计标准。

本次改造全期机柜数为 277 个机柜，根据建设单位短期内建造发展需求，先完成一期 90 个机柜建设，其中 61 个 IT 机柜，单机柜功率为 6.5kW 和 29 个网络机柜，单机柜功率为 2.0kW。则IT 机柜负荷所需备用电源功率为 454.5kW；微模块机房的行间级空调、ECC 监控室等动力负荷功率为158.5kW，则一期改造备用电源总用电负荷为 613kW，同时再考虑一定富余量，故新增柴发机组采用备用功率 680kW，400V 低压输出。剩余二期所需备用电源则根据建设单位业务发展需求，后期再陆续增设相应容量的柴发机组。

本次新增 1 台柴发机组再与现有 2 台机组完成并机后，共有 3 台柴发机组，则任意 2 台柴发同时投入运行总备用电源输出功率为 1360kW，大于现已投入使用第二层机房（620kW）和本次新增第三层机房（613kW）所需 1233kW 备用电源总负荷，另外一台作为备用，从而满足国标 A 级数据机房的N+1 设计标准。

2.3、改造后柴发机组供电方案

明确既有柴发现状、以及本次改造所需重要负载总功率和新增柴发容量后，设计以下柴发机组供电架构图。

首先在室外现有 2 台集装箱柴发机组旁边再增设 1 台 G3 集装箱式柴发机组，其次在现一层配电房再增设 3 台低压配电柜 AA1、AA2 及 AA3。新增 G3 柴发机组馈线至一层配电房内的新增 AA1 配电柜敷设路径采用室外电缆穿套管敷设。AA2 及 AA3 馈线柜通过室内电缆穿桥架分别敷设至一层电力室（此一层电力室本次改造同步新增 2 台 2500kVA 干式变压器，2 台变压器分别由市政 A/B 两路独立 10kV 电源引来。）的新增变压器后端带有 ATS 低压柜上，从而实现应急时柴发与市电进行投切，ATS 切换后馈线至第三层 IT 机柜等重要负荷用电。最后新增 AA1 并机柜和 AA2 柴发馈线柜均需再新增一段母排与原有配电柜上母排进行可靠连接，母排施工前注意保证相应电源切除。

考虑未来二期再新增柴发机组建造成本尽可能降低，AA2 和 AA3 馈线柜本次出线断路器按全期4000A 容量设计。

3、多台柴发机组并机要点

针对以上系统改造后，理论上柴发备用电源配置完善，供配电系统架构可靠，但是如何保证 2 台现有进口柴发和新增 1 台国产柴发机组安全并机，以及稳定持续供电，考验设计技术能力和现场经验。

对于多台柴发机组并机技术上关键要实现四个同步，即电压同步、频率同步和相序，相位同步，而实现以上同步并机主控制器尤为关键。以下是针对各个参数同步的操作要求及采取相关措施进行说明。

3.1、相序、相位同步

柴发机组并机前不同机组的相序和相位必须完全相同，这个也是所有机组并机的绝对前提，相序同步也是整个配电系统的安全和稳定运行的关键条件之一。相序同步后机组才可按系统设定比例分配荷载。如若相序有误，机组通电瞬间将形成巨大相间短路电流，从而引发开关跳闸，绕组损坏，造成配电柜、发电机组等设备的机械损伤。所以柴发机组电缆连接前需要先检测并机机组的相序，检测后则按同相连接各台柴发机组的电缆。相位同步则通过机组控制器自动调整，但也需注意定期通过观察同步表做校验，相位差需要控制在 3°之内。

3.2、电压同步

柴发机组并机前其次要注意的就是保证不同机组之间的电压必须同步，只有同样的额定电压机组输出，才可以实现并机后母排电压一致。电压同步依靠并机模块对发电机与发动机实施模拟量调整，允许调整范围为± 10%_⨀ 。保证电压同步具体操作为：当市电故障后，柴发机组收到启动信号，各机组在10S 内（可调）全部机组启动，最先达到额定电压的机组做为首机，其他台机组则通过控制器，使后续机组电压逐步调整到与首台机组电压一致，才满足安全并机要求。

3.3、工作频率同步

柴发机组频率同步是柴发并机核心条件，只有工作频率同步，才能确保系统稳定、高效和安全运行。如果 2 台机组频率不同，则并机瞬间会产生瞬态环流，从而导致电流冲击，可能会超过柴发机组额定电流，从而损坏合闸断路器。现在工程上实现工作频率同步则依靠并机模块对发电机与发动机实施模拟量调整，允许调整范围为±10%。

3.4、并机主控制器

并机控制器是柴发机组并机运行的专用装置，采用冗余主控 PLC 系统，主控制器采用网络通讯方式对各机组分控控制器进行控制，两套系统同时在线运行，任意一套系统故障不影响整套系统并机。

主控制器实时对 A，B 路市电状态进行检测，当检测异常时，发出柴油发电机组起机命令，各机组收到并机指令后开始启动并机，同时通过控制器自动调整，实现相序、相位、电压及工作频率均同步后，各机组并机成功，则配电柜馈线开关输出至市电 ATS，从而机柜等重要负荷切换为柴发备用电源供电，直到市电恢复供电。

3.5、不同品牌并机注意点

不同品牌的柴发机组并机时，除了相序、相位、电压和频率同步外，由于控制系统、通信协议等可能存在差异，需特别注意控制系统兼容性和并机控制器协议问题。首先控制系统兼容性：不同品牌的机组可能采用不同厂家的调速器和调压器， 需确保其动态响应特性（如阻尼、增益）可调整至一致，避免功率振荡或环流。其次并机控制器协议：若机组使用不同品牌的并机控制器需确认是否支持通用协议（如 CAN 总线、Modbus）或通过第三方网关转换协议。只有控制系统兼容和并机控制器协议一致才可确保并机后系统的稳定和安全运行。

4、柴发机组并机运行逻辑

4.1、并机运行前准备工作

当各台柴发机组的相序、相位、电压、频率均调整至同步后，即可进入柴发机组并机运行模式。但是一旦启动柴发应急电后，根据规范《数据中心设计规范》GB 50174-2017 要求，柴发机组需要持续供电 12 小时，所以为了长期持续稳定运行，在投入并机前还需做以下 2 点要求。其一：变压器各配电柜输出断路器必须具备自动分合闸功能。其二：明确重要负荷及非重要负荷的投切开关明细表及负荷功率清单，以便柴发机组投入时，当机柜等重要负荷存在过载后，可根据清单和明细表来进出配置加减所需负载，本项目第四层为普通办公室即为非重要负荷，当机柜等所需重要负荷将全部占用柴发备用电源后，则可以自动切除第四层所有用电设备，从而保证重要负荷用电可靠性。

4.2、柴发并机运行逻辑

柴发机组并机前的一切工作完成后，3 台柴发即可进入热备状态。正常运行下，整个数据中心配电系统由市电供电，柴发不启动，只有当 2 路市电均故障情况下柴发才启动。故正常状态下：AA1 配电柜内 QF1 和原有 2 台柴发机组馈线柜的QF2、QF3 断路器均断开，新增配电柜 AA2 的 QF4 和 AA3的 QF5 两个断路器也处于断开状态。当 2 路市电均故障状况下，则发出同时启动 3 台柴发机组信号，柴发同步投入使用，通过主控制器，自动调整 G1＼～G3 柴发机组的相位，电压，频率及相序，从而依次满足 2 台机组各指标均同步，以及第三台各项指标也同步，最后 3 台机组和并机馈线柜断路器QF1＼～QF5 依次合闸，从而整个供配电系统进入柴发备用电源运行模式，直至市电恢复，柴发依次再退出到正常运行模式。下图 3 是不同运行模式下 QF1、QF2、QF3、QF4、QF5 断路器合分闸逻辑表。

图3：不同运行模式下各断路器分合闸逻辑表

5、结束语

未来数据中心改、扩建项目会越来越多，而且从已投入多个项目运行后情况判断，原柴发供配电系统不是满载运行，均有一定富余量，所以将新增设柴发机组与既有供配电架构通过局部改造后，不仅能满足设计规范和使用要求，而且也大大降低了总投资，节省造价。

而在改造过程中首先需要充分了解业主需求，设计执行规范标准；其次要多去现场踏勘，采集数据，对既有柴发供配电系统深入分析；最后设计需要说明柴发机组并机上对相位、相序、工作电压和频率同步具体要求，并提供不同运行模式下各断路器分合闸逻辑表。只有设计上各方便都进行严谨考虑后，才能保证新增柴发与即有柴发机组并机后整体供配电系统的安全、可靠、长期稳定的运行。

参考文献

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