新聞主題	中壓柴油發電機組在通信行業的應用特點

 

中壓柴油發電機組的輸出電壓的等級有6kV、6.3kV、6.6kV、10kV、10.5kV、11kV等，國內常用電壓等級為10kV，單臺發電機組功率一般在1000kW以上，若電力需求超過單臺柴油發電機組的最大容量，一般采用多臺發電機組并聯使用。

 

 

一、在通信行業的應用優勢

 

中壓柴油發電機組的在通信行業應用具有以下優勢：

（1）發電機組利用率的提高

傳統方式的每幢數據機樓配置相應400V低壓發電機組，平時市電正常時發電機組都閑置著，使用率極低，對機樓空間占用、投資都是浪費。而大型數據中心園區內一般單體數據機樓較多，總體用電量大，采用10kV中壓發電機組后可以統一設置動力中心（內含10kV 中壓發電機組、發電機組并機系統、10kV中壓發電機組與10kV市電切換及輸出配電系統）。采用1：N（N≥2）的比例（即只需配置1/N的發電機組數量）進行復用，將1個后備供電單元（10kV中壓發電機組群）作為N個用電單元的后備電源。通過復用，實現供電保障范圍最大化，當任意1個用電單元市電發生中斷時，后備供電單元（10kV中壓發電機組群）對此用電單元進行保障供電。以此提高發電機組利用率，實現資源的動態調配和共享，提高效益的同時大大降低土建及設備的建設成本，也符合綠色、環保及節能的主題。

（2）用電容量與機房密度的匹配性

受限于傳統400V低壓發電機組一定的裝機容量（發電機組機房在機樓建設初期的規劃容量一定，加上安裝場地、機房進排風等因素的制約），由于數據中心IT設備負載的不確定性，負載密度跨度大（單機架功耗從低密設備4.5kW/架以內、中密設備4.5～7.5kW/架、高密設備7.5kW/架以上），數據中心供電設備安裝區域與IT機房區域很難匹配，對于低密設備很容易出現IT機房區域已裝滿而供電機房空間及供電容量有剩余，對于高密設備很容易出現供電機房空間及供電容量已滿而IT機房空間空余較多的情況。隨著10kV 中壓發電機組在大型數據中心的應用，發電機組容量將不再受限（集中設置動力中心），可以在機樓內劃定一塊區域設置成機動區域，根據IT設備功耗來決定是否為配電區域或者IT設備區域，從而提高靈活性及機房利用率。

（3）適合遠距離供電

傳統400V低壓發電機組由于電壓低，相同發電機組容量情況下供電線路上的電流就比較大，所以一般不可能把發電機組設置到離供電負載較遠的距離，這樣損耗就比較大，使得發電機組布局必須分散，增加土建和降噪成本，發電機組也難以實現共用共享。采用10kV中壓發電機組后，由于供電電壓提高25倍，相同發電機組容量情況下供電線路上的電流就是400V發電機組的1/25，就是說相同供電距離時損耗就減少到1/25。同時由于供電電流大大減小，可以采用較小發電機組輸出電纜給負載供電，此部分投資也大大減小。因此，建議把10kV發電機組集中設置，形成一個動力中心，統一向各個數據機樓應急保障供電。

（4）大容量并機系統

傳統400V低壓發電機組受公共母排和斷路器容量的限制（一般最大電流只能達到6000A左右），發電機組并機數量不會很多，比如2000kW油機并機數量不能超過3臺。采用10kV發電機組后，2000kW油機并機數量可以大大增加，十幾臺甚至20多臺都不成問題。

（5）機房等級多樣化

緊跟市場前端需求量身定制“低成本、差異化”機房，電源保障等級及保障比例可與客戶靈活協商。對于低端用戶，不用發電機組進行后備保障供電，而只需市電保障；對于高端用戶在市電斷電后采用后備發電機組進行保障供電，這樣也間接為10kV 中壓發電機組復用創造了條件。

（6）負載切換靈活

傳統400V低壓發電機組并機容量小，抗負載沖擊能力弱，采用10kV 中壓發電機組集中設置動力中心后并機容量大大提高，發電機組與市電的切換在10kV端完成，對400V負載影響較小，負載掛接更具靈活性。這樣也有利于大型數據中心10kV設備的選用，比如10kV空調冷水發電機組的應用，其相對于400V低壓發電機組啟動電流小，對電網沖擊小，可以降低電纜規格，減少線路壓降和損耗，減少線纜投資，既節能又環保。

 

二、10kV中壓在通信行業應用的供電方案

 

1、市電與發電機組切換的運行模式

當市電正常時，各數據機樓10kV配電系統采用單母線分段方式運行，中間設有母線并聯開關，兩段母線互為備用。10kV市電電源和10kV發電機組電源之間設置自動切換裝置，市電電源失電后，切換裝置自動切換，10kV母線由動力中心的10kV發電機組并機系統供電。10kV配電系統二段母線有兩路10kV市電進線和兩路10kV 發電機組進線、母聯開關之間設有電氣聯鎖裝置，不容許任何兩路電源并網運行。

（1）當一路市電中斷/故障時，通過自動/手動操作，轉換到另一路市電供電，兩路市電進線與母聯開關之間有電氣聯鎖裝置，任何情況下只能有兩個開關處在閉合狀態。

（2）當兩路市電中斷/故障時，發電機組快速自啟動，并機成功后，向各機樓10kV配電系統兩段母線供電。

2、動力中心供電預案

首先，應該對機樓及機房內由發電機組應急保障供電的負載進行分級，做好動力中心的應急保障供電預案，一旦一個數據機樓或者多個數據機樓的市電中斷或故障時，對動力中心的10kV發電機組進行復用供電，或者在復用基礎上對部分機樓或部分機房進行限制供電。

（1）當機樓的市電中斷/故障容量小于動力中心發電機組配置容量時，通過動力中心復用，為所有用電單元保障供電。

（2）當機樓的市電中斷/故障容量大于動力中心配置的發電機組容量時，在復用基礎上，需對機樓或機房進行分級，限制一部分機樓或部分機房用電，保障重要機樓或重要機房的供電。

 

三、在某通信系統數據中心的應用案例

 

1、某信息港項目的概況

某信息港是2015年前中國移動已建規模最大的基礎設施建設項目。以“立足創新，服務全網”為核心定位，圍繞創新與服務兩大主題，培育高科技、信息化、綠色環保三大理念，打造集國際化運營支撐、研發創新、信息服務、交流展示等功能于一體的國際一流信息園區。選址于北京昌平中關村國家工程技術創新基地，位于北六環和八達嶺高速公路交叉口，總占地面積1300畝（1畝＝666.6666667㎡），總規劃建筑規模約為130萬㎡。分9個地塊進行建設。其中北側1＃地塊設置兩棟30000㎡數據中心機房樓，建筑層數為四層。工程總用地面積為53431㎡；建筑面積為65245㎡。

信息港一期工程數據中心機房負載密度高，每棟機房樓的單體建筑的用電負載達20000kVA，用電負載基本都需有自備發電機組來保證，自備發電機組需求容量大。單層建筑的面積相對較大。對于這種數據機房樓，若采用傳統的低壓發電機組，將會造成首層大量建筑面積的占用，影響高低壓變配電設備及空調制冷設備的布置，并且給解決發電機組運行時的振動、噪聲問題和發電機房的進、排風帶來困難。若低壓發電機組設置在樓外獨立設置的發電機房內，低電壓、大電流、長距離也會在運行維護、能量損耗、施工等方面帶來不利。

從供電系統節能角度考慮，將自備發電機組電壓從400V提高到10kV，電壓可提高25倍，線路損耗減少近690倍。10kV備用發電機供電系統比較400V備用發電機供電系統在方案評估上具有一定優勢，中國移動信息港一期工程決定采用中壓發電機組。

2、中壓柴油發電機組的應用

自備發電機組的發動機機型有兩種：往復式柴油發電機組、燃氣輪機發電機組兩種機型。燃氣輪發電機組具有運行可靠性高、電力輸出穩定、帶非線性負載能力強、體積小、重量輕、噪聲低等特點，但其單位kW·h的耗油量要比往復式柴油發電機組高，大約是往復式柴油發電機組的1.7倍，而且造價高。在國內通信行業尚無中壓燃氣輪機發電機組實際應用案例，從建設成本及運行維護安全角度考慮。信息港一期工程采用了往復式柴油發電機組。

一期地塊建設的發電機房共有34個發電機組機位。考慮信息港的今后發展，在機位數量不能改變的前提下，盡可能提高現有發電機房的供電保證能力。目前，大容量的備用中壓發電機組單機容量分別為1800kW、2000kW、2200kW、2400kW、2600kW。一期工程對不同容量的并機系統方案保障能力及價格進行分析對比，最終選擇了單機容量為2000kW自備發電機組。其理由是：提高單位機位的供電能力；減少系統中壓發電機組的并機臺數，使得多機并機系統的并機控制簡單；減少單系統的維護工作量；設備性價比高。

10kV發電機組供電系統為多臺并聯運行方式，將每臺發電機組提供的電源連接匯合成單一電源給負載供電，并機運行方式的市電與發電機的轉換是在市電進線斷路器和發電機供電系統輸出斷路器之間的轉換。

發電機組并機供電系統硬件運行條件需具備的條件是可靠的并機系統。

同時還具有運行保護裝置，能自動地、合理地分配和調整有功功率和無功功率，使發電機組間的調頻特性和調壓特性曲線趨向接近。

中壓發電機組采用多臺并機供電系統，能承受較大負載變化的沖擊。發電機并機供電系統的容量需根據業務需求分期實施。

● 并機系統通運行方式

（1）發電機組同型號、同廠家、同容量發電機組多臺并機系統；

（2）發電機組不同型號、不同廠家、同容量發電機組多臺并機系統。

上述兩種運行方式在信息港一期工程初期和終期均有應用。

本信息港項目中出現不同型號、不同廠家、同容量發電機組多臺發電機組在移動及通信行業首次應用。結合項目實際應用情況，對發電機組不同型號、不同廠家、同容量發電機組進行分析：

● 并機時應考慮的主要因素

① 并機控制系統的兼容性。解決的辦法：統一為其中一個控制系統品牌（一般后并入發電機組的并機系統品牌為首選），或者全部更換為第三種控制系統品牌（多適用于兩種不同品牌發電機組均為原有，原有控制器不具備并機功能，或并機控制方式、功能落后）。

② 不同品牌發電機組的發動機和發電機品牌、型號均有差異，帶來調速系統和調壓系統上的差別。其解決的辦法：

原有發電機組的發動機為電子調速，而新并入發電機組為中壓共軌噴油系統（其核心一般是電腦控制板），不管是發動機為何種調速控制方式，主流分散式并機控制器均能夠通過跳線、外部接線或者參數設置，輸出與發動機調速信號接口匹配的或CANBUS 調速信號，再通過PID閉環微調調節，實現新、舊發動機調速性能的一致。

同理，不同品牌發電機組的發電機所采用電壓調節器（DVR）也不盡相同（如，模擬式電壓調節器（AVR）和數字式電壓調節器AVR），但不管是發電機為何種電壓調節器AVR，主流分散式并機控制器也均能夠通過跳線、外部接線或者參數設置，輸出與發電機調壓信號接口匹配的或CANBUS 調壓信號，再通過PID閉環微調調節，實現新、舊發電機調壓性能的一致。

③ 發電機的繞組節距不同造成的中性點環流問題。

發電機的繞組節距不同時，由于不同節距發電機輸出電壓的波形并不完全一樣，同時不同節距對高次諧波的抑制效果也不同，2/3節距的繞組對3次諧波及其倍數的奇次諧波有很強的抑制作用，而5/6節距的繞組對5次和7次諧波有很強的抑制作用，2/3節距的繞組和5/6節距的繞組并機運行，綜合作用的結果是表面看起來完全重疊的并機發電機組波形還是與正弦波形存在細微差異，在中性線存在的情況下，即使發電機組間電壓有效值完全一樣，但瞬時電壓幅值并不一樣，存在電壓差，相應就會產生電流，并機時不可避免地會產生由于波形不完全重疊產生的高次諧波環流，一方面浪費柴油機的有功功率，損失效率；另外一方面由于環流的存在，發電機無法輸出銘牌標定的輸出電流或者容量。

解決的辦法如下：

首先盡量采用繞組節距一樣的發電機型號，不同廠家、不同型號的節距可能都不一樣，因此需要仔細查閱廠家的技術參數。

其次利用中壓發電機的負載基本對稱和三角形聯結的變壓器，不需要中性線這一特點，取消中性線，保護采用中性點通過高阻接地方式，通過設置PLC，控制實現采用中性點接地電阻控制用的接觸器切換控制邏輯，保證在發電機組運行時有或只有一臺運行并合閘發電機組的中性點接地電阻是通過接觸器投入的，切斷環流通過中性點接地電阻形成回路（由于功率管理或者故障造成的發電機組調換，在切換過程中出現的中性點接地電阻存在的短時間重疊運行不影響），3次諧波由于缺乏回路就只能在三角形聯結的變壓器繞組里面循環，在發電機和負載側不造成影響，大大減少了3次諧波的危害。

④ 發電機組與開關柜保護配合的問題

由于后期擴容項目往往都是在第一期的時候就已經采購了開關柜，柜子中可能沒有安裝差動電流互感器或者安裝的差動電流互感器由于尺寸問題，在發電機中性點一側無法安裝，因此在項目實施過程中需要特別關注差動電流互感器的配合問題，原則是盡量采用同一廠家、同一型號的差動電流互感器，如果無法實現，也需要盡量選擇特性曲線和參數接近的CT。

除此之外，可能還存在開關柜提供的位置信號及保護反饋信號不全，開關柜提供的保護不全面等問題，需要完善保護配置，增加開關柜信號繼電器的觸點，提供給發電機組并機控制系統。在信息港項目中，發現發電機組輸出中壓開關的接地刀開關位置信號沒有反饋給并機控制系統進行閉鎖，如果發生接地刀開關處于合閘接地狀態時，發電機組突然啟動，將發生中壓輸出直接通過接地刀開關短路的重大隱患。

3、并機系統的改造

發電機組不同型號、不同廠家、同容量發電機組多臺并機，一般由新供貨設備廠商完成相關的并機改造工作，常規情況下并機系統改造又分為以下幾種方式：

（1）舊發電機組控制系統的全部換新

如果原來的發電機組已經超過廠家保修期，原來控制系統陳舊且無備品、備件或者功能缺失，找不到相關的資料，拆除原廠的控制系統也不會帶來比較大的發電機組控制失效風險，且柴油機的ECM模塊和發電機的AVR模塊完全獨立于原廠的控制系統，建議除保留發電機組本體的接線之外，拆除原來發電機組的控制模塊或者控制系統，全部統一換成與新增發電機組一樣的控制模塊或者控制系統，這樣做的好處是由于擴容前后的發電機組統一控制品牌型號，可以達到同廠家發電機組并機的無縫效果，另外系統最簡潔，總接線最少，可以最大限度提高系統的可靠性，缺點是成本較高，現場改造接線工作量較大。

（2）舊發電機組控制系統的不換新

如果由于原來的發電機組在廠家保修期內，拆除原廠的控制系統，可能導致保修失效或者帶來比較大的發電機組控制失效風險，另外還有一種情況是原來發電機組的控制系統內高度集成了柴油機的ECM模塊甚至發電機的AVR模塊，并且沒有辦法將ECM模塊和AVR模塊從原廠控制系統獨立出來，也就是無法甩掉原廠控制系統，可以考慮以下兩種方案：

① 保留原來發電機組除并機和功率管理之外的所有測量，起停控制和保護功能，通過參數設置和改線，將原廠控制系統內置的并機和功率管理功能關閉，并機和功率管理功能由新增發電機組同一品牌同一型號控制模塊接管，這樣不管新機還是舊機，并機和功率管理功能都有同一品牌同一型號控制模塊完成，也可以達到最佳的并機效果。

② 保留原來的并機控制系統，組成一組，組內沿用原來的并機控制系統，新增加的發電機組統一安排到另一組，另外組成一個并機控制系統，兩組互相獨立，在組內通過數字量實現通信，完成組內發電機組的同步控制和有功功率、無功功率負載分配。發電機組的優先級別和公共母排的無壓合閘權由PLC根據優先級別設置統一控制，組與組之間的有功功率和無功功率負載分配信號，可通過增加界面卡模塊作為橋梁，將兩個組的有功功率和無功功率兩個負載分配的數字量信號均轉化為組與組之間能夠識別的標準接口信號（目前統一為0～5V或者0～10V模擬量信號），組內數字量負載分配，在組外通過模擬量進行負載分配。自動投入及退出的功率管理功能則通過外置的功率檢測模塊匯總發電機組總的功率輸出，通過PLC實時精確計算出需要運行的發電機組臺數，對控制系統進行啟動停機控制，一般情況下，先在組內進行發電機組的投入退出控制，當超出組內調節能力之后再在組外進行調節，從而簡化控制邏輯，提高系統穩定性。這種方案的優點是成本最低，現場改線工作量最少，其缺點是由于存在新舊兩套不同的控制系統，控制系統比較復雜，也沒有辦法完全進行完全通信，因此無法達到無縫并機效果，有些復雜功能無法實現，只能應用在要求較低等級數據中心。當然如果各個品牌控制器通過加強協作，統一相關控制器通信和控制功能標準，實現互聯互通，接口模塊和PLC等模塊完全可以省掉，系統可以更簡單可靠。

而在信息港一期項目中，康明斯電力技術有限公司采用了上述方法之外的另一種方法，即由新供康明斯發電機組并機系統追蹤與原有某廠家W發電機組原有并機系統保持主控模塊統一的基礎上，再進行并機系統改造、升級和優化，用以實現不同品牌發電機組并機的目的。

如：康明斯并機系統主控模塊追蹤與廠家W發電機組并機主控模塊品牌一致并版本優于，保留原有集中監控控制屏并通過擴容來實現新增發電機組信息的集中顯示及發電機組控制，完成基本并機改造和調試后，再根據各項調試反饋對原有軟件進行再編程優化等。從驗收后各項指標來看，全面實現了項目之初的各項設計要求并有優化，而且因相關版本的升級和優化，還提升了原有系統的各項指標。

 

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