数据中心属于算力基础设施，是国家新基建三大领域之信息基础设施的组成部分。以功率2.5 kW为一个标准机架，超大型数据中心，则是指规模大于等于10 000个标准机架的数据中心。数据中心的基石是计算能力、存储能力和通信能力，而这些都离不开数量庞大的服务器。超大型数据中心，按电源使用效率 (power usage effectiveness，PUE)平均值1.3计算，单个中心负荷超过30 MW。

为满足超大型数据中心的用电需求，需要配套建设专用的变电站和外部供电线路。超大型数据中心通常建在电力供给充足、供地供水条件较好、环境清洁、温度适宜、无重大自然灾害隐患的地区。有可供接入的电源点，如规模较大的可再生能源发电厂或公用变电站，是超大型数据中心选址的首要条件。

超大型数据中心机架功率密度高，专用变电站负荷从几万千瓦到几十万千瓦，馈线回路数从几十回到上百回，供电可靠性要求高，因此其供电方案与电气主接线和一般变电站存在较大差异。

1、变压器总容量及外部供电电压等级

考虑到用户运维水平及对电网的影响，用户专用变电站最高供电电压等级为220 kV。

国家电网公司220 kV公用变电站变压器最大配置4×240 MVA[1]，按正常负载率不超过75%计算，最大工作容量720MVA。由此确定超大型数据中心专用变电站变压器容量如下：

1) 220 kV专用变电站变压器总容量不超过720MVA(未计备用变压器容量，下同)。

2) 110 kV专用变电站，按上述1)的50%计，变压器总容量不超过360 MVA。

3) 66 kV专用变电站，按上述2)的50%计，变压器总容量不超过180 MVA。

用户变电站外部供电电压等级从10 kV到220 kV，主要依据负荷大小确定选择哪一级。对此，《国家电网公司业扩供电方案编制导则》(以下简称《导则》)作了规定。《导则》发布时间为2010年，受电变压器总容量100 MVA以上要求220 kV等级供电，对超大型数据中心用户而言，该标准较低，限制了系统接入点的选择。

根据文献[1]，可以按照不同电压等级不同杆塔模块对应架空线路的输送能力来确定采用哪一级电压对超大型数据中心专用变电站供电。为避免用户变电站接线过于复杂，以及减少对电网资源的占用，每一路电源最多双回线路并联。供电电压等级划分见表1所列。

表1架空线路导线截面为根据回路最大工作电流和经环境温度修正后的导体载流量选择，并按正常条件下经济电流密度复核。计及电晕影响，220 kV线路导线最小截面取300 mm2，110 kV线路导线最小截面取240 mm2。匹配的塔型，均为文献[1]通用设计塔型。自主设计塔型时，并联回路可以用双分裂或四分裂导线代替。

表1 超大型数据中心专用变电站外部供电电压等级划分

2、供电电源回路数

GB 50174—2017《数据中心设计规范》将数据中心划分为A、B、C三级，A级数据中心的供电电源由双重电源供电，并应设置备用电源；B级数据中心的供电电源宜由双重电源供电，当只有一路电源时，应设置柴油发电机组作为备用电源；C级数据中心的供电电源由两路线路供电。YD/T 5235—2019《数据中心基础设施工程技术规范》针对主机房分级，将GB 50174中A级细分为A+级和A级。

超大型数据中心需要的备用电源容量达数万千瓦，单台柴油发电机不能满足要求。文献[2]某数据中心项目，两栋IDC机楼相对独立，每栋楼设备安装功率21MW；整个动力中心变压器8×10MVA，外部供电电源为四路20kV/20MVA市电，两路一组，互为备用；共配置24台常用功率为1800kW的10kV柴油发电机组，总功率43.2MW，柴油发电机设备投资6000万元。若将柴油发电机组提供的备用电源改为由电网提供，则需另接一路20 kV电源作公共备用，供电容量40MVA。每栋IDC机楼由三路外部电源供电，按N+2配置变压器4×10MVA，20kV接线改为单母线分段+专用备用段，10 kV接线改为四段母线环形接线。20kV架空线路，双回1×300mm2钢芯铝绞线并联，进入局址地时转电缆敷设，路径总长度按10km计，替代用文献[1]中35kV塔型，电压降满足要求。含两侧间隔设备，总投资约1250万元，相比采用柴油发电机组做备用电源，节省投资约4750万元，节约率79%。柴油发电机群建设成本高，布置需要的场地面积大，维护保养要求高，利用率却极低。同时，大功率柴油发动机的尾气排放黑烟及气体污染问题日益显著[3]。就近接入电网，包括分布式新能源构建的绿色电网，不仅满足数据中心大容量备用电源需求，而且费用更低。

对超大型数据中心，取消柴油发电机组作备用电源，供电电源配置如下：

1) A+和A级数据中心，由电网提供三路电源：双重工作电源，每一路均可满足100%负荷用电；一路100%热备用电源。

2) B级数据中心，电网提供两路电源：双重工作电源，每一路均可满足100%负荷用电。

3) C级数据中心，电网提供一路电源，满足100%负荷用电。

《国家电网公司安全事故调查规程》(2017修正版)规定：一次事件造成减供负荷100MW以上者构成五级电网事件。为减少五级电网事件风险发生概率，对C级数据中心，专用变电站负荷超过100MW时，供电线路、变压器宜有一路(台)冗余。

3、单台主变最大容量选择

数据中心服务器、空调等设备交流电压采用380/220V。若外部供电电压高于35kV，需要分别在专用变电站和数据中心主机房配置降压变压器。专用变电站内的变压器称为主变，用于将外部供电电压变换至10～35kV，实现一级降压。主机房的变压器称为配变，用于将一级降压后的电压变换至380/220V，完成二级降压。外部供电电压为10～35kV时，专用变电站内可不配置主变，由主机房的配变直降到0.4kV。

主变低压侧电压有35kV、20kV和10kV几种选择，单台主变最大容量，受主变低压侧回路断路器额定电流最大值的限制。

35 kV真空或SF6断路器，最大额定电流2500A，断路器降容系数取0.9(下同)，则回路最大允许通过容量136MVA，双分支时容量合计272MVA，单台主变容量最大可选用240MVA。同理，20kV真空或SF6断路器，最大额定电流3150A，单台主变最大容量可选用180MVA；10kV真空或SF6断路器，最大额定电流4000A，单台主变最大容量可选用120MVA。

主变单台容量大，变电站配置的主变台数可以减少，主变及高低压侧进线间隔设备费相应降低。根据本文第5节，次级配电电压等级优先采用10kV，不宜采用35kV，与之对应，建议用户变电站单台主变容量不超过120MVA，最大不超过180MVA。

为满足大容量主变20kV、10kV侧断路器开断电流40kA水平，可以采用高阻抗变压器、加装限流电抗器或采用低压绕组双分裂变压器。

4、电价政策对供电方案的影响

参与电力市场交易的用户购电价格由市场交易价格、输配电价(含线损)、政府性基金三部分组成，数据中心用户按照市场价格购电，并向电网经营企业支付输配电价。

输配电价由省级发改委核定。《四川省发展和改革委员会关于四川电网第三监管周期输配电价及有关事项的通知》(川发改价格〔2023〕233号)中核定的2023年四川电网输配电价见表2(仅列出35～220 kV)。

表2 2023年四川电网输配电价表

表2中两部制电价由电量电价和容(需)量电价两部分构成，容(需)量电价又称基本电价。不同供电电压等级的电量电价呈阶梯式，从35 kV到220 kV，电压等级越高，电量电价越便宜，有的地区还有峰、谷、平时的差异。原电力工业部1996年颁布的《供电营业规则》规定，属热备用状态的或未经加封的变压器，不论使用与否都计收基本电费。两部制电价政策和热备用变压器收费规定，对超大型数据中心专用变电站供电方案设计有重大影响，从年电费支出考虑，应提高供电电压等级，降低热备用变压器容量。

以新建一超大型数据中心为例。设计机架4万架，可容纳服务器约40万台。每个机架安装功率7 kW，PUE值1.3，数据中心合计总功率364 MW，年最大负荷利用小时数5 000 h，一年用电量18.2亿kWh。新建数据中心专用变电站一座，需要变电容量约350 MVA，暂定A+级主机房变电容量50 MVA，A级主机房变电容量100 MVA，B级主机房及其他用途变电容量200 MVA。

专用变电站主变配置，有4×180 MVA(两运两备)和5×120 MVA(三运两备)两种方式。依据表2，一年基本电费分别为10 483万元(按最大需量计算)、12 960万元(两运两备，按变压器容量计算)、10 800万元(三运两备，按变压器容量计算)。采用220 kV供电比采用110 kV供电，电量电价每度电少0.019 1元，一年电量电费节省3 476万元。变压器热备用容量小的方案，基本电费后期可以选择按最大需求量计费，也可以选择按变压器容量计费，有较大的灵活性。因此，本工程外部供电电压等级优先选择220 kV，主变5×120 MVA配置。

地方政府出于对大数据业务的支持和对清洁能源消纳的需要，会出台电价优惠政策，甚至采用单一制电价，这也是在供电方案设计时需要考虑的因素。

总之，专用变电站外部供电方案，应根据数据中心负荷需求和公用变电站供电能力，选择不同供电电压等级以及工作电源和备用电源不同接入点，在此基础上拟定几个备选方案，从可靠性、投资、易实施性等方面展开分析，对电网潮流、稳定进行计算校验，经技术经济比较后，最终确定推荐方案，提交供电部门审查。

5、次级配电电压等级选择及配变配置

专用变电站设置主变时，对配变供电的电压35kV、20kV或10kV称为次级配电电压。

配变靠近主机房布置，从防火安全角度出发，通常采用干式变压器。

不同次级配电电压等级下不同容量配变馈线回路变压器(SCB13型)、开关柜(KYN型)、电缆(ZC-YJV22型)等主要设备材料费统计结果见图1，电缆满足热稳定校验的最小截面取95mm2，长度100～500m。

图1 配变馈线回路主要设备材料费统计   

图1中同电压等级的5 MVA、3.15MVA配变相对2.5MVA配变，容量分别增加100%、26%，其馈线回路主要设备材料费，35kV系列增加126%、69%，20kV系列增加92%、35%，10kV系列增加90%、22%。

由此可知，35kV用作次级配电电压经济性差，10 kV等级经济性最好。

KYN型35kV开关柜单个占地面积是10(20) kV开关柜的2.6～3.9倍，对配电装置室的布置影响较大。因此，超大型数据中心次级配电电压等级优先采用10kV。次级配电电压等级不宜采用35kV。

同电压等级的5MVA的配变相比3.15 MVA或2.5MVA配变在馈线回路建设成本上没有明显优势，5MVA 配变0.4kV侧需采用双分支母线，连接困难，不建议采用。10kV/2.5MVA配变的经济性与10kV/3.15MVA配变相当，单位容量价差约4%，但后者0.4kV侧需采用5000A以上的大电流断路器。综合比较，数据中心干式配变单台容量宜选择2.5MVA，最大不超过3.15MVA。

6、专用变电站电气主接线设计

6.1 一般要求

GB 50174—2017和YD/T 5235—2019提供了数据中心配变、柴油发电机配置方案，但对采用高低压柴油发电机的差异、专用变电站主变配置、主接线方式未涉及。

10 kV柴油发电机组作为数据中心备用电源接入10 kV系统是主流方式[2,4,5]。低压柴油发电机相对于高压柴油发电机组更靠近用电设备，380/220 V母线可以从配变及柴油发电机取得电源，因此采用低压发电机组的系统总可靠性更高[6]。

数据中心380/220 V电源是两路还是三路接入，在规程规范中没有明确，工程案例和文献也不尽相同。

YD/T 5235—2019对A+级主机房配变及不间断电源等系统提出了容错要求。配变2N配置时，若一台配变检修，另一台存在故障退出的风险，因此，对A+级主机房，配变380/220 V母线三路电源接入才是符合规定的。

DL/T 256—2012《城市电网供电安全标准》规定输电网和配电网在最大负荷情况下应达到的最低安全水平为N-1，组负荷在180 MW以上应达到N-1-1(计划停运的情况下又发生故障停运)。由于数据中心有关设计规范采用的是N+X描述，本文将DL/T 256中的要求分别表示为N+1和N+2。取消柴油发电机组作为备用电源的条件下，超大型数据中心变压器冗余配置及各电压等级电气主接线方案见表3所列。

表3 超大型数据中心变压器冗余配置及各电压等级电气主接线方案

双母线接线可靠性高，但元件连接复杂，投资较大，适用于电压等级较高的敞开式或气体绝缘全封闭组合电器(gas isulated switchgear，GIS)配电装置。对采用开关柜或充气柜的10～35 kV配电装置，母线故障率很低，单母线或单母线分段(必要时环形接线)能够满足供电可靠性要求。

6.2 设计案例

第4节的工程示例，专用变电站外部供电电压等级220 kV，工作电源采用双重电源，分别来自两个不同的变电站(或来自不同电源进线的同一变电站内两段母线)，架空线路采用单回2×240 mm2分裂导线，每路最大可供350 MVA。主变5×120 MVA配置，三运两备。数据中心外接一路220 kV线路热备用，接入点应不同于工作电源接入点。备用电源容量150 MVA，满足A+和A级主机房负荷需求，单回1×300 mm2架空线路供电。

220 kV配电装置双母线单分段接线，主变10 kV侧双分支母线、环形接线。

A+级主机房10 kV配变M(1+2)配置，三台一组，每组冗余两台，计60×2.5 MVA，380/220 V母线环形接线。A级主机房10 kV配变2N配置，两台一组，互为备用，计80×2.5 MVA，380/220 V单母线分段接线。其余主机房及其他用途10 kV配变2+1配置，三台一组，其中一台作专用备用，计96×3.15 MVA，380/220 V单母线分段接线，设专用备用段。10 kV配变合计236台，安装容量652.4 MVA，配变平均负载率53%。

该超大型数据中心专用变电站电气主接线示意图如图2所示(配变未全部画出)。

图2 超大型数据中心专用变电站电气主接线示意图   

7、结语

针对超大型数据中心专用变电站的特殊性，建议其供电方案及各电压等级电气主接线设计如下：

1) 专用变电站变压器工作总容量在100～720 MVA，外部供电电压等级采用220 kV；40～360 MVA，采用110 kV等级供电；30～180 MVA，采用66 kV等级供电；30～60 MVA，采用35 kV等级供电。

单台主变容量不宜超过120 MVA，最大不超过180 MVA。

2) 备用电源由电网提供，不采用柴油发电机组。对A和A+级数据中心，由电网提供双重工作电源和一路热备用电源；对B级数据中心，电网提供双重工作电源；C级数据中心，电网提供一路电源。

3) 外部供电方案拟定应考虑电价政策因素，尤其是两部制电价政策影响。

4) 次级配电电压等级优先采用10 kV；干式配变单台容量宜选择2.5 MVA，最大不超过3.15 MVA。

5) 数据中心变压器配置满足容错或冗余要求，各电压等级电气主接线形式应与主机房等级、负荷大小、电源回路数、变压器备用方式等适应。

参考文献:

[1]国家电网有限公司.国网基建部关于发布输变电工程通用设计通用设备应用目录(2023年版)的通知:基建技术〔2023〕5号[Z].北京:国网基建部,2023.

[2]丁雪鹏,吴攀峰.数据中心20 kV供配电系统及柴油发电机组的设计[J].电气应用,2020,39(5):89-93.

[3]李四明,傅学东.大功率柴油发电机组尾气净化系统探讨[C]//2017年中国通信能源会议论文集.北京:人民邮电出版社,2017.

[4]方晓云.大型数据中心供配电系统规划设计[D].成都:西南交通大学,2017.

[5]薛成林.大型数据中心柴发作备用电源系统型式探讨[J].建筑电气,2019,38(4):14-22.

[6]谢拥华.数据中心供电系统可靠度计算与分析[J].广东通信技术,2020,40(10):61-66.

文章来源:刘明.超大型数据中心专用变电站供电方案与电气主接线设计[J].电力勘测设计,2024(05):51-57.