M2-03 HVDC与柴发系统

模块定位：上一章详解了UPS这条"AC供电路线"。本章介绍两个同样重要的系统：HVDC（高压直流）作为传统UPS的替代技术路线，正在智算中心领域快速崛起；柴油发电机组则是数据中心供电链路的"最后防线"——当市电完全中断时，柴发是唯一的电力来源。

学习目标：

• 理解HVDC工作原理及其与传统UPS的区别
• 了解智算中心采用HVDC的技术趋势
• 掌握柴发的工作原理、启动时序和关键参数
• 能完成柴发容量选型和燃油储备计算
• 理解柴发室设计要求和弱电监控需求

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目录

1. HVDC工作原理
2. HVDC vs 传统UPS 12维度对比
3. 智算中心采用HVDC的趋势分析
4. 柴油发电机工作原理
5. 柴发关键参数
6. 市电中断到柴发接管完整时序
7. 市电恢复到回切时序
8. 柴发容量选型方法
9. 并机条件（四同）
10. 燃油储备计算
11. 柴发室设计要求
12. 速记卡
13. 2sigma诊断题

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1. HVDC工作原理

1.1 什么是HVDC

HVDC（High Voltage Direct Current，高压直流供电）是数据中心供电领域中与传统UPS并行的一条技术路线。它的核心思路是：用直流电（DC）替代交流电（AC）直接供给IT设备，减少AC-DC-AC的多次变换，提高整体供电效率。

注意区分：数据中心HVDC与电力系统中的"高压直流输电"（±800kV特高压直流）是完全不同的概念。电力系统的HVDC是远距离输电技术；数据中心HVDC是机房级的直流供电技术，电压通常只有240V或336V。

1.2 电压等级

数据中心HVDC主要有两种电压等级：

240V DC：

• 最早由中国电信在2007年提出并在国内推广
• 240V DC的设计考虑：240V ≈ 220V AC的峰值电压（220×√2≈311V，取中间值240V），使得服务器电源只需少量改动即可适配
• 2010年代在中国三大运营商（电信/移动/联通）的数据中心中大规模应用
• 行业标准：YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》

336V DC：

• 更新一代标准，336V ≈ 240V AC的峰值电压（240×1.4≈336V）
• 更高的电压意味着更小的电流，可以使用更细的电缆，减少铜损
• 部分新建智算中心开始采用
• 需要服务器电源支持更宽的输入电压范围

1.3 HVDC供电架构

传统UPS供电架构（AC路线）：
市电(AC) → 变压器 → UPS整流(AC→DC) → UPS逆变(DC→AC) → PDU → 服务器电源(AC→DC) → 12V DC
                                                                        ↑
                                                              效率损失较大
                                                        （整流→逆变→再整流）

HVDC供电架构（DC路线）：
市电(AC) → 变压器 → HVDC整流(AC→DC) → 直接输出240/336V DC → 服务器电源(DC→DC) → 12V DC
                        │                                          ↑
                   [电池组]                                  省去了逆变环节
                                                          效率提升2%-5%

1.4 HVDC系统组成

┌──────────────────────────────────────────────────────┐
│                    HVDC供电系统                        │
│                                                      │
│  AC输入 ──→ [整流模块] ──→ 240V/336V DC母线 ──→ DC输出
│             (AC→DC)         │                        │
│              │              │                        │
│         [多个模块并联]   [电池组]                      │
│         [N+1冗余]     (直接并联                      │
│                       在DC母线上)                    │
│                                                      │
│  [监控模块]：电压、电流、温度、模块状态                 │
│  [保护系统]：过压、欠压、过流、短路、绝缘监测           │
│  [通信接口]：SNMP/Modbus/干接点                       │
│                                                      │
└──────────────────────────────────────────────────────┘

关键组件说明：

整流模块（AC-DC Power Module）：

• 将380V交流电转换为240V或336V直流电
• 采用IGBT/MOSFET高频开关技术
• 单模块容量通常10-30kW
• 多个模块并联，支持热插拔
• 效率可达95%-97%
• 功率因数>0.99，输入THDi<5%

DC母线：

• 所有整流模块的输出汇聚在直流母线上
• 电池组也并联在直流母线上
• 母线电压在整流模块工作时维持在设定值（如240V±5%）
• 市电中断时，电池放电维持母线电压

电池组：

• 直接并联在DC母线上
• 市电正常时处于浮充状态
• 市电中断时自动放电（物理特性决定，无需切换——与UPS电池模式原理相同）
• 可使用铅酸或锂电池

与UPS的本质区别： HVDC系统没有逆变器。这是与UPS最根本的区别。UPS的工作流程是AC→DC→AC，HVDC的工作流程是AC→DC（到此结束）。省掉了逆变环节，不仅提高了效率，还减少了一个潜在故障点。

1.5 服务器端的适配

HVDC供电要求服务器电源能够接受直流输入。目前的情况：

改造方案一：宽范围输入PSU 许多服务器电源本身就支持100-240V AC的宽范围输入。由于电源内部第一步就是整流（AC→DC），如果直接输入DC，电源前端的整流桥只是"直通"（直流电经过整流桥不会改变），后续的DC-DC变换电路照常工作。因此，很多标准服务器电源不经修改就能接受240V DC输入。但需要逐一验证兼容性。

改造方案二：专用HVDC PSU 部分服务器厂商（如华为、浪潮、联想）提供专门的HVDC版本电源模块，优化了直流输入的效率和保护功能。

改造方案三：机架级DC-DC变换 在机柜级别安装DC-DC变换器，将240V/336V DC转换为12V DC，直接供给服务器主板。这种方案效率最高但需要定制化设计。

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2. HVDC vs 传统UPS 12维度对比

2.1 效率对比详细分析

传统UPS链路效率（从市电到12V DC）：
变压器效率 × 整流器效率 × 逆变器效率 × PDU效率 × 服务器PSU效率
= 98.5% × 97% × 97% × 99.5% × 92%（Gold PSU）
= 84.8%

HVDC链路效率（从市电到12V DC）：
变压器效率 × HVDC整流模块效率 × 服务器DC-PSU效率
= 98.5% × 96% × 95%（DC-DC效率高于AC-DC）
= 89.8%

效率差 = 89.8% - 84.8% = 5.0%

对于平谷项目54.72MW IT负荷：
传统UPS：从市电到IT设备需要 54.72 / 0.848 = 64.5MW
HVDC：从市电到IT设备需要 54.72 / 0.898 = 60.9MW
差异 = 3.6MW
年节省电费 = 3.6MW × 8760h × 0.8元 = 2522万元/年

注意：以上计算是简化对比，实际差异取决于具体设备型号和负载率。但大趋势是明确的：HVDC在大规模场景下有显著的效率和成本优势。

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3. 智算中心采用HVDC的趋势分析

3.1 为什么智算中心特别适合HVDC

原因一：GPU服务器天然适合直流供电

GPU服务器（如NVIDIA DGX、华为Atlas等AI训练服务器）的功率极高（单台5-10kW，下一代可能更高）。这些服务器内部的GPU核心使用的是极低电压的直流电（0.7-1.1V），中间经过多级DC-DC变换。从系统效率角度，输入端越接近直流，中间的变换级数越少，效率越高。

原因二：高功率密度需要更高效率

智算中心的单机柜功率可达30-100kW（相比传统6kW），供电链路上每1%的效率损失在高功率场景下变成了巨大的绝对功耗。HVDC的效率优势在高功率密度场景下更加突出。

原因三：中国智算中心大规模建设

中国是全球最大的智算中心建设市场之一，而HVDC技术在中国已有15年以上的运营经验（起源于电信运营商）。中国的HVDC产业链（整流模块、配电、监控）已非常成熟，供应充足。新建智算中心选择HVDC顺理成章。

原因四：液冷架构的配合

智算中心的GPU服务器大量采用液冷散热。液冷机柜的供电设计相比风冷有所不同，HVDC与液冷的配合在工程设计上更简洁（减少了AC配电的复杂性）。

3.2 行业采用情况

3.3 HVDC的弱电监控要点

HVDC系统的监控与UPS类似但有一些DC特有的关注点：

DC系统的特殊安全问题——绝缘监测： 直流系统不同于交流系统，其正极和负极都不接地（IT系统接地方式）。如果正极或负极意外接地（例如线缆绝缘破损接触金属机架），系统仍能继续运行（因为只有一极接地不构成回路）。但这是危险状态——如果另一极也接地，就会形成短路！因此，DC系统必须配备绝缘监测装置，实时监测正、负极对地的绝缘电阻，一旦低于阈值立即告警。这是弱电工程师在HVDC项目中必须重点关注的监控项。

3.4 HVDC主要供应商

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4. 柴油发电机工作原理

4.1 为什么需要柴发

在M2-01中我们了解到，UPS电池的后备时间通常只有10-30分钟。如果市电中断超过这个时间，电池耗尽后IT设备将断电。柴油发电机（简称柴发）就是为了应对市电长时间中断而设计的后备电源。

柴发的角色定位：

市电正常 → 柴发待命（随时准备启动）
市电中断 → UPS电池桥接（10-30分钟）→ 柴发启动并接管（可持续供电数小时至数天）
市电恢复 → 柴发退出，切回市电

4.2 柴油发电机组的基本构成

一台柴油发电机组（Diesel Generator Set，简称GenSet）由以下主要部分组成：

┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    柴油发电机组（GenSet）                       │
│                                                              │
│  ┌────────────┐    ┌────────────┐    ┌────────────────┐      │
│  │ 柴油发动机  │──→│  发电机     │──→│ 控制系统       │      │
│  │ (Diesel     │    │ (Alternator│    │ (Controller)   │      │
│  │  Engine)    │    │  /Generator│    │                │      │
│  └────────────┘    └────────────┘    └────────────────┘      │
│       ↑                                     │                │
│  ┌────────────┐                    ┌────────┴───────┐        │
│  │ 燃油系统    │                    │ 辅助系统        │        │
│  │(日用油箱    │                    │ ・起动电池组     │        │
│  │ +输油管)    │                    │ ・冷却系统       │        │
│  └────────────┘                    │ ・润滑系统       │        │
│                                    │ ・排烟系统       │        │
│                                    │ ・消声器         │        │
│                                    │ ・通风系统       │        │
│                                    └────────────────┘        │
│                                                              │
│  [底座/减震器]：减少振动传递到建筑结构                          │
│  [排烟管道]：将废气排出室外                                     │
│  [进/排风系统]：为发动机提供燃烧空气并排出热量                    │
│                                                              │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

4.3 工作原理详解

柴油发动机（四冲程柴油机）：

柴油发动机是将柴油的化学能转换为机械能的核心设备。采用四冲程工作循环：

1. 进气冲程：活塞下行，进气门打开，新鲜空气（注意：是纯空气，不是油气混合物——柴油机与汽油机的关键区别）被吸入气缸
2. 压缩冲程：活塞上行，进排气门关闭，空气被压缩到很高的压力和温度（压缩比15-22:1，温度可达500-700℃）
3. 做功冲程：在压缩终点，喷油器将柴油以高压雾化喷入高温高压的空气中。柴油遇到高温空气自行着火燃烧（压燃式，不需要火花塞——这是柴油机与汽油机的另一个关键区别），产生的高温高压燃气推动活塞做功
4. 排气冲程：活塞上行，排气门打开，燃烧后的废气被排出气缸

四个冲程不断循环，发动机曲轴持续旋转，输出机械功率。

发电机（同步交流发电机）：

发电机通过机械联轴器与柴油发动机连接。发动机驱动发电机转子旋转，转子上的磁场切割定子绕组，产生三相交流电。

要输出标准的50Hz交流电，发电机转速必须精确控制：

转速(rpm) = 120 × 频率(Hz) / 极对数

对于4极发电机（最常用）：
转速 = 120 × 50 / 4 = 1500 rpm

对于2极发电机：
转速 = 120 × 50 / 2 = 3000 rpm

数据中心常用1500rpm的4极发电机——转速适中，平衡了发动机寿命和发电机体积。

控制系统：

现代柴发控制系统是一个集成了多种功能的智能控制器（如科迈ComAp InteliGen、深海控制DSE 8610、众智HGM系列等），功能包括：

1. 自动启动/停机：接收市电失电信号后自动启动柴发，市电恢复后自动停机
2. 发动机保护：监测水温、油压、转速等参数，异常时自动停机保护
3. 电压/频率调节：AVR（自动电压调节器）控制输出电压，调速器控制转速（进而控制频率）
4. 并机控制：多台柴发并联运行时的同步、均载控制
5. 通信接口：RS485(Modbus)、以太网、CAN总线，上传运行数据给动环系统

4.4 柴发的启动方式

数据中心柴发必须能够自动启动（接收外部信号后无需人工干预即可启动）。启动方式：

电启动（最常用）：

• 使用24V/48V起动蓄电池组（通常为铅酸电池）
• 起动马达带动发动机曲轴旋转
• 发动机转速达到一定值后自行着火运转
• 起动成功后起动马达脱开
• 配备电池充电器，保持起动电池常满电

气启动（大型机组备选）：

• 使用压缩空气直接驱动发动机气缸活塞
• 适用于大型机组（>3000kW）
• 需要储气罐和空压机

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5. 柴发关键参数

5.1 三种功率等级

柴发的功率标称有三种不同的等级，这是最容易混淆也最关键的参数。ISO 8528标准定义：

三者关系（近似）：

备用功率(ESP) > 主用功率(PRP) > 连续功率(COP)

通常：
主用功率 ≈ 备用功率 × 0.9（即备用功率降额10%）
连续功率 ≈ 主用功率 × 0.9（即主用功率降额10%）

例如：一台标称2000kW（备用）的柴发
主用功率 ≈ 1800kW
连续功率 ≈ 1620kW

鸿才关键认知：数据中心选型应按**备用功率（ESP）计算，因为柴发在数据中心的使用场景就是市电中断时的备用电源，使用时间有限。但如果项目所在地市电不稳定（频繁停电），则应按主用功率（PRP）**选型。

5.2 其他关键参数

5.3 数据中心柴发的特殊要求

数据中心柴发与一般工业备用发电机有显著不同：

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6. 市电中断到柴发接管完整时序

6.1 完整时序图（精确到秒）

以下是从市电中断到柴发接管供电的完整时序。这是弱电工程师理解供电切换逻辑的关键知识：

时间线（秒）
 0.000s  │ 事件：市电中断
         │ ├── 市电电压降至0V
         │ ├── UPS检测到输入电压异常
         │ ├── UPS自动切换到电池模式（0ms切换，IT设备无感知）
         │ └── ATS控制器检测到首选电源异常，开始计时
         │
 0.000-  │ ATS检测延时（防止市电瞬间波动导致误切换）
 3.000s  │ ├── 如果市电在3秒内恢复，ATS不动作
         │ └── 如果市电持续异常超过3秒，进入下一步
         │
 3.000s  │ ATS确认市电失电，发出柴发启动信号
         │ ├── 信号方式：通常为干接点闭合信号
         │ │   (或通过柴发控制器本身检测市电失电)
         │ └── 同时ATS准备切换到备用电源（柴发）位置
         │
 3.000-  │ 柴发启动阶段
 3.500s  │ ├── 柴发控制器接收启动信号
         │ ├── 预润滑（机油泵先行启动，约0.5秒）
         │
 3.500-  │ 起动马达带动发动机曲轴旋转
 5.000s  │ ├── 曲轴转速逐渐升高
         │ ├── 压缩空气温度升高到柴油自燃点
         │ ├── 喷油器开始喷油
         │ └── 发动机着火，开始自行运转
         │
 5.000-  │ 发动机暖机和稳定阶段
 8.000s  │ ├── 转速逐渐上升到额定转速（1500rpm）
         │ ├── AVR调节输出电压到额定值（380V/400V）
         │ ├── 频率稳定到50Hz
         │ └── 电压和频率稳定在允许范围内
         │
 8.000-  │ 柴发输出参数验证
10.000s  │ ├── 控制器确认电压在380V±5%范围内
         │ ├── 控制器确认频率在50Hz±0.5%范围内
         │ └── 持续监测数秒确认稳定性
         │
10.000s  │ （如果多台柴发需要并机）
         │ 并机同步阶段
10.000-  │ ├── 各台柴发调整频率和相位到同步
15.000s  │ ├── 同步检测器确认满足并机条件（四同）
         │ ├── 合闸器合闸，各台柴发并入公共母线
         │ └── 均载控制器调节各台柴发的功率分配
         │
15.000s  │ ATS切换
         │ ├── ATS控制器检测到柴发输出电压和频率正常
         │ ├── ATS执行切换：断开市电侧（已失电），合上柴发侧
         │ └── 切换时间约100-500ms
         │
15.000-  │ UPS恢复正常模式
15.500s  │ ├── UPS检测到输入电源恢复（来自柴发）
         │ ├── UPS整流器重新启动
         │ ├── 直流母线电压由电池供电切换为整流器供电
         │ ├── 电池停止放电，恢复充电
         │ └── UPS状态从"电池模式"切换回"正常模式"
         │
         │ ========= 完成 =========
         │ 总用时：约15-20秒（典型值）
         │ UPS电池放电时间：约15-20秒
         │ IT设备中断时间：0秒（全程UPS保护）

6.2 时序关键节点总结

典型总用时：15-25秒 极端情况（启动失败重试）：可达60-120秒甚至更长

6.3 启动失败的处理

柴发并非100%一次启动成功。控制器通常设置3次启动尝试：

第1次启动尝试：
├── 起动马达运转10秒
├── 如果发动机着火 → 启动成功，继续流程
└── 如果未着火 → 等待10秒冷却 → 进入第2次尝试

第2次启动尝试：
├── 起动马达运转10秒
├── 如果发动机着火 → 启动成功
└── 如果未着火 → 等待10秒冷却 → 进入第3次尝试

第3次启动尝试：
├── 起动马达运转10秒
├── 如果发动机着火 → 启动成功
└── 如果未着火 → 启动失败告警！需要人工检查！

最恶劣情况：3次全部失败
总耗时 = 3 × (10s起动 + 10s冷却) = 60秒
加上前面的检测延时和其他时间 ≈ 80-100秒
这就是为什么UPS电池后备时间至少要设计15分钟的原因

6.4 弱电监控在时序中的角色

动环监控系统在整个切换过程中需要：

1. 实时记录每个节点的时间戳（精确到秒甚至毫秒）
2. 按时序展示事件链：市电中断 → UPS切电池 → 柴发启动信号 → 柴发启动成功 → 并机成功 → ATS切换 → UPS恢复
3. 告警升级逻辑：
   • 市电中断 → 一级告警
   • UPS切电池 → 二级告警
   • 柴发首次启动失败 → 三级告警
   • 柴发三次启动失败 → 紧急告警（需立即人工干预）
   • UPS电池剩余时间<5分钟且柴发仍未接管 → 最高级告警
4. 事后分析报告：生成完整的市电中断事件报告，包含每个环节的时间、持续时长、各设备状态变化

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7. 市电恢复到回切时序

7.1 为什么回切不能太快

市电恢复后，不能立即切回市电，原因如下：

1. 市电可能只是瞬间恢复又中断（电网调度过程中的波动），如果立即切回，可能几秒后又要切到柴发
2. 需要确认市电电压和频率持续稳定
3. ATS回切时有短暂的切换间隙，虽然UPS可以桥接，但频繁切换增加设备磨损

因此，市电恢复后通常有一个延时确认阶段。

7.2 回切完整时序

时间线
 0.000s  │ 事件：市电恢复
         │ ├── ATS控制器检测到首选电源（市电）电压恢复
         │ └── 开始计时延时
         │
 0.000-  │ 市电稳定确认延时
300.000s │ ├── ATS持续监测市电电压和频率
(5分钟)  │ ├── 要求市电电压和频率在正常范围内持续稳定5分钟
         │ │   （延时时间可设置，通常5-15分钟）
         │ ├── 如果中途市电再次异常，计时重新开始
         │ └── 5分钟确认市电稳定
         │
300.000s │ ATS执行回切
         │ ├── ATS从柴发侧切换到市电侧
         │ ├── 切换时间约100-500ms
         │ └── UPS在切换间隙继续由电池/整流器供电
         │
300.500s │ UPS确认输入恢复市电
         │ ├── UPS检测到输入电源特性变化（柴发→市电）
         │ └── UPS继续正常运行
         │
300.500- │ 柴发卸载和冷却
600.000s │ ├── ATS已切到市电，柴发负载变为0
(5分钟)  │ ├── 柴发不能立即停机！
         │ │   发动机需要空载运行3-5分钟进行冷却
         │ │  （避免增压器轴承因高温突然失去润滑而损坏）
         │ └── 冷却期结束后，控制器执行停机
         │
600.000s │ 柴发停机
         │ ├── 燃油切断，发动机停转
         │ ├── 柴发恢复"待机"状态
         │ └── 起动电池开始充电（补充启动过程的消耗）
         │
         │ ========= 完整回切完成 =========
         │ 总用时：约10-15分钟
         │
600.000- │ 后续
3600.0s  │ ├── 日用油箱自动补油至设定液位
         │ ├── 动环系统生成事件报告
         │ └── 运维人员确认所有系统恢复正常

7.3 弱电监控在回切过程中的关注点

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8. 柴发容量选型方法

8.1 选型原则

柴发总容量 ≥ 全部需要后备供电的负荷之和 × 安全系数

需要后备供电的负荷包括：
1. IT负荷（全部，通过UPS供电）
2. UPS自身损耗
3. 制冷系统（空调、冷水机组、冷却塔等）
4. 消防系统
5. 照明和应急照明
6. 电梯（消防电梯）
7. 安防系统
8. 动环监控系统本身

8.2 平谷项目柴发容量计算

Step 1：确定各类负荷

IT负荷：54,720 kW

UPS损耗：
假设UPS效率96%
UPS输入功率 = 54,720 / 0.96 = 57,000 kW
UPS损耗 = 57,000 - 54,720 = 2,280 kW

制冷负荷：
假设PUE = 1.3
制冷 + 其他 = IT负荷 × (PUE - 1) = 54,720 × 0.3 = 16,416 kW
其中制冷约占 = 16,416 × 0.85 = 13,954 kW
（PUE中的0.3包含制冷、照明、其他辅助设备等）

照明和动力负荷：
约 = 16,416 × 0.1 = 1,642 kW

其他辅助（消防泵、电梯、安防等）：
约 = 16,416 × 0.05 = 821 kW

Step 2：计算总负荷

总负荷 = UPS输入功率 + 制冷负荷 + 照明动力 + 其他辅助
       = 57,000 + 13,954 + 1,642 + 821
       = 73,417 kW

注意：制冷系统中的冷水机组和冷却塔启动时电流可能是运行电流的5-7倍
需要考虑启动冲击电流对柴发的影响

Step 3：考虑安全系数

安全系数通常取1.1-1.2（考虑柴发实际负载不宜持续超过额定的80%-90%）

柴发总容量（ESP）= 73,417 × 1.15 = 84,430 kW
                ≈ 84.4 MW（每路）

Step 4：选择机组规格和数量

方案A：低压柴发（400V输出）
使用2500kW（ESP）低压柴发机组
每路台数 = 84,430 / 2500 = 33.8 → 34台（含N+1冗余需35台）
两路合计 = 70台
总装机容量 = 70 × 2500 = 175,000 kW = 175 MW

方案B：高压柴发（10.5kV输出）
使用3000kW（ESP）高压柴发机组
每路台数 = 84,430 / 3000 = 28.1 → 29台（含N+1冗余需30台）
两路合计 = 60台
总装机容量 = 60 × 3000 = 180,000 kW = 180 MW

高压柴发 vs 低压柴发： 对于平谷项目这种超大规模数据中心，高压柴发（10.5kV输出）更合适。原因：

1. 台数更少，管理更简单
2. 高压输出，线缆截面更细，节省铜材和桥架空间
3. 高压直接接入10kV母线，无需额外的升压变压器
4. 但高压柴发价格更高，需综合评估

Step 5：汇总

8.3 弱电监控要求

70-80台柴发机组的监控规模：

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9. 并机条件（四同）

9.1 为什么需要并机

数据中心单路负荷通常远超单台柴发的容量，因此需要多台柴发并联运行（并机），共同向一条母线供电。

并机的前提是：多台柴发的输出波形必须同步，否则合到同一母线上会产生巨大的环流，烧毁设备甚至引发事故。

9.2 并机四同条件

两台（或多台）交流发电机并联运行，必须满足"四同"条件：

9.3 并机过程详解

并机控制器工作流程：

1. 各台柴发独立启动并稳定运行

2. 第一台柴发作为"基准机"先合闸到母线
   （此时母线电压和频率由第一台决定）

3. 第二台柴发准备并机：
   a. 同步检测器持续比较第二台输出与母线的：
      - 电压差（ΔV）
      - 频率差（Δf）
      - 相位差（Δφ）
   b. 调速器微调发动机转速，使频率接近母线频率
   c. AVR微调励磁，使电压接近母线电压
   d. 当三个参数同时在允许范围内时，同步指示灯亮
   e. 在电压波形相位差过零点（即两台波形即将重合的瞬间），
      控制器发出合闸指令

4. 合闸成功后：
   a. 均载控制器开始工作
   b. 调节各台柴发的功率输出，使负载均匀分配
   c. 各台柴发承担相同比例的有功功率和无功功率

5. 后续机组依次以相同方式并入母线

9.4 弱电监控关注点

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10. 燃油储备计算

10.1 GB 50174要求

《数据中心设计规范》GB 50174-2017对柴发燃油储备的要求：

部分客户或地方标准要求更高的燃油储备（如24小时或48小时）。

10.2 燃油消耗计算公式

每小时燃油消耗量(L/h) = 柴发输出功率(kW) × 燃油消耗率(g/kWh) / 柴油密度(g/L)

其中：
- 燃油消耗率：通常200-230 g/kWh（取决于发动机型号和负载率）
- 柴油密度：约0.84 kg/L = 840 g/L（0号柴油，20℃）
- 负载率影响：低负载时燃油消耗率反而更高（发动机效率低）

简化公式（常用近似）：
每小时燃油消耗量(L/h) ≈ 柴发输出功率(kW) × 0.27 （75%负载率近似值）

10.3 平谷项目燃油储备计算

Step 1：确定需要供油的柴发总功率
每路柴发总容量 = 84,430 kW（ESP）
实际运行功率（假设75%负载率）= 84,430 × 0.75 = 63,323 kW

Step 2：计算每小时燃油消耗量
每路每小时消耗 = 63,323 × 220(g/kWh) / 840(g/L)
               = 63,323 × 0.262
               = 16,591 L/h ≈ 16.6 m³/h

两路合计 = 33.2 m³/h

Step 3：计算12小时储备量
12小时储备 = 33.2 × 12 = 398.4 m³ ≈ 400 m³

Step 4：考虑安全余量（通常增加10%-15%）
实际油罐容量 = 400 × 1.1 = 440 m³

Step 5：油罐设计
选项A：地下储油罐 2 × 250 m³ = 500 m³（每路一个）
选项B：地上储油罐 4 × 125 m³ = 500 m³

440 m³柴油是什么概念？ 大约440吨柴油，需要约55辆8吨油罐车运输。 按当前柴油价格约7.5元/升计算，440,000L × 7.5 = 330万元的燃油成本（一次灌满）。

10.4 燃油储备系统的组成

┌───────────────────────────────────────────────────────┐
│                    燃油储备系统                          │
│                                                       │
│  [室外储油罐] ──输油管道──→ [日用油箱] ──→ [柴发发动机] │
│  (主油罐)      (含输油泵)    (每台柴发配一个)            │
│  250-500 m³               500-1000 L                  │
│                                                       │
│  ├── 液位传感器(4-20mA) ──→ 动环监控                   │
│  ├── 温度传感器 ──→ 动环监控                            │
│  ├── 泄漏检测 ──→ 动环监控                              │
│  ├── 自动补油控制 ──→ 输油泵联动                        │
│  └── 消防系统配合                                       │
│                                                       │
└───────────────────────────────────────────────────────┘

10.5 弱电监控对燃油系统的关注

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11. 柴发室设计要求

11.1 建筑设计要求

11.2 通风与排烟

柴发运行时需要大量空气（燃烧 + 散热），同时产生大量热量和废气。

空气需求计算：
进气量 = 燃烧用空气 + 散热用空气

燃烧用空气：每kW约7-8 m³/min
散热用空气：使室内温度不超过40℃

以2500kW柴发为例：
燃烧空气 ≈ 2500 × 7.5 = 18,750 m³/min
散热通风 ≈ 需根据散热量和温差计算

排气温度：450-550℃（需通过排烟管道和消声器排出室外）

弱电监控关注：

• 柴发室温度监测（多点布置）
• 进/排风机运行状态监控
• 排烟温度监测（排烟管道）
• CO（一氧化碳）浓度监测（人员安全）
• 噪声监测（如有环保要求）

11.3 消防要求

11.4 减振降噪

柴发运行噪声：95-110 dB(A)@1m
环保要求（厂界噪声）：白天≤65dB(A)，夜间≤55dB(A)

降噪措施：
1. 进排风消声器（进风和排风口安装消声百叶）
2. 排烟消声器（排烟管道上安装工业消声器）
3. 机房隔声门窗
4. 基础减振（弹簧减振器或橡胶减振垫）
5. 墙壁和天花板吸声处理

弱电监控：环境噪声传感器（如有环保在线监测要求）

11.5 完整的柴发室监控点清单

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12. 速记卡

卡片1：HVDC vs UPS核心区别

UPS：AC → DC → AC → DC（四级变换）
HVDC：AC → DC → DC（三级变换，省掉逆变）

HVDC优势：效率高2-5%、成本低15-25%、结构更简单
HVDC劣势：服务器兼容性需验证、国际标准化程度较低

卡片2：HVDC电压等级

240V DC：中国电信发起，运营商主流
336V DC：更新一代，电流更小铜损更低
48V DC：国际OCP推动的机架级方案

卡片3：柴发三种功率等级

ESP（备用功率）> PRP（主用功率）> COP（连续功率）
PRP ≈ ESP × 0.9
COP ≈ PRP × 0.9

数据中心选型：用ESP（备用场景）
频繁停电地区：用PRP

卡片4：市电中断→柴发接管时序

0s    市电中断，UPS切电池（0ms）
3s    ATS延时确认，发启动信号
5s    柴发起动马达运转
8s    发动机着火，转速上升
10s   电压频率稳定
15s   并机完成，ATS切换到柴发
~15s  UPS恢复正常模式

总计约15-25秒，UPS电池桥接全程

卡片5：并机四同

同电压：±5%
同频率：±0.5Hz
同相位：±5°
同相序：必须完全一致（ABC顺序相同）

卡片6：燃油储备

A级 ≥ 12小时
B级 ≥ 8小时

消耗公式：
L/h ≈ kW × 0.27（75%负载近似）

平谷项目：~400 m³/12h（两路合计）

卡片7：DC系统特有监控

绝缘电阻：正极/负极对地绝缘（DC系统特有）
接地故障：一极接地→告警（两极接地→短路！）
母线电压：240V±5%或336V±5%

卡片8：平谷柴发关键数字

每路负荷：~84MW（含安全系数）
方案：30台3000kW高压柴发/每路
两路合计：60台
燃油储备：~440 m³（12小时）
监控点：~55点/台，合计~3300点

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13. 2sigma诊断题

题目1：HVDC方案评估

场景：某智算中心项目，总共2000个机柜，其中1500个为AI训练机柜（单柜20kW），500个为通用计算机柜（单柜6kW）。客户询问是否可以采用HVDC方案。

问题：

1. 计算该项目的IT总负荷
2. 从技术角度分析HVDC方案的可行性
3. 你建议怎么做？

参考答案：

1. IT总负荷

AI训练负荷 = 1500 × 20 = 30,000 kW
通用计算负荷 = 500 × 6 = 3,000 kW
IT总负荷 = 33,000 kW = 33 MW

2. HVDC方案可行性分析

有利因素：

• AI训练服务器功率高（20kW/柜），HVDC的效率优势在高功率密度下更显著
• 智算中心是HVDC的典型应用场景
• 33MW规模，HVDC节省的2-3%效率等价于660-990kW的功率节省，年节电费约460-690万元
• 国内HVDC产业链成熟，供应商选择多

需确认的问题：

• AI训练服务器（GPU服务器）的电源模块是否支持240V/336V DC输入？需要逐一与服务器厂商确认
• 通用计算服务器的电源兼容性同样需要确认
• 运维团队是否有HVDC系统的运维经验？
• 当地是否有HVDC系统的维护服务支持？

潜在风险：

• 如果部分服务器不支持DC输入，需要混合架构（HVDC+UPS并存），增加复杂度
• DC系统的绝缘监测和接地保护需要专业设计

3. 建议方案

建议采用分区供电方案：

• AI训练区（1500柜，30MW）：采用HVDC供电——这些机柜服务器型号统一，更容易验证DC兼容性，且高功率密度下效率收益最大
• 通用计算区（500柜，3MW）：采用传统UPS供电——服务器型号可能多样，AC供电兼容性最好

这种混合方案兼顾了效率和兼容性。

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题目2：柴发启动故障分析

场景：市电中断后，动环监控系统显示以下时序：

• 00:00 市电A路中断
• 00:00 UPS-A组切换到电池模式
• 00:03 柴发A-1#至A-30#接收启动信号
• 00:06 A-1#至A-28#启动成功
• 00:06 A-29#第一次启动失败
• 00:06 A-30#第一次启动失败
• 00:16 A-29#第二次启动失败
• 00:16 A-30#第二次启动成功
• 00:26 A-29#第三次启动失败
• 00:26 A-29#启动失败告警！
• 00:28 29台柴发并机成功（A-29#未参与）
• 00:30 ATS-A切换到柴发供电
• 00:30 UPS-A组恢复正常模式

问题：

1. 全过程IT设备有没有断电？
2. A-29#启动失败，是否影响了供电？
3. A-29#最可能的故障原因有哪些？
4. 作为弱电工程师，你需要做什么？

参考答案：

1. IT设备全程无断电。UPS电池从00:00开始放电，到00:30 UPS恢复正常，电池放电总时间约30秒。在线式UPS全程保护，输出不中断。

2. A-29#未能启动，但不影响供电。因为柴发采用N+1冗余配置。30台柴发中29台成功启动，总容量为29×3000=87,000kW，仍然大于单路负荷需求（约84,430kW）。N+1冗余设计正是为了应对这种单台故障的场景。但此时冗余已被用掉——如果再有一台柴发故障，就无法满足满载需求了。

3. A-29#可能的故障原因：

   • 起动电池电量不足：起动电池长期未充电或老化，无法提供足够的起动电流
   • 燃油供给问题：日用油箱油位过低、油管堵塞、油管内有空气、喷油器堵塞
   • 冷却系统问题：冷却水温度过低（北京冬季可能低至-20℃），柴油粘度增大难以着火。需要预热系统（水套加热器）工作正常
   • 进气系统问题：空气滤清器严重堵塞
   • 起动马达故障：马达本身故障或接线松动
   • 控制器故障：控制器信号异常

4. 弱电工程师应做：

   • 立即生成事件告警工单，通知电气运维团队
   • 在动环系统中标记A-29#为"故障"状态
   • 检查A-29#最近的维保记录（是否错过了定期试机）
   • 检查A-29#的起动电池电压监控数据——如果最近电压趋势下降，说明电池老化未被及时发现（监控系统的告警阈值是否设置合理？）
   • 生成事件分析报告，包含完整时序记录
   • 建议：加强柴发月度带载试机的执行和记录

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题目3：燃油储备计算

场景：某B级数据中心，柴发总容量为10,000kW（ESP），使用2台5000kW机组。燃油消耗率为220g/kWh，柴油密度0.84kg/L。按GB50174要求配置燃油储备。

问题：

1. 需要多少升燃油？
2. 需要多大的储油罐？

参考答案：

B级数据中心 → 最低储备8小时

Step 1：实际运行功率（假设75%负载率）
运行功率 = 10,000 × 0.75 = 7,500 kW

Step 2：每小时燃油消耗
每小时消耗 = 7,500 × 220 / 840
           = 7,500 × 0.262
           = 1,964 L/h

Step 3：8小时储备量
储备量 = 1,964 × 8 = 15,714 L ≈ 15.7 m³

Step 4：安全余量（+10%）
实际储备 = 15.7 × 1.1 = 17.3 m³

Step 5：选择油罐
建议选用20 m³储油罐（标准规格）

验算：20,000L / 1,964L/h = 10.2小时 > 8小时 ✓

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题目4：并机故障分析

场景：3台柴发尝试并机运行。1#和2#成功并机后运行正常。3#尝试并机时，同步检测器显示"频率偏差超标"，无法合闸。

问题：

1. 频率偏差超标意味着什么？
2. 如果强行合闸会怎样？
3. 如何排查和解决？

参考答案：

1. 频率偏差超标意味着3#柴发的输出频率与母线频率不同步。可能是3#的发动机转速偏高或偏低（转速直接决定频率：f = n × P / 60，P为极对数）。频率差通常要求在±0.5Hz以内才允许并机。

2. 强行合闸后果严重：

   • 频率差等价于两台发电机之间存在"速度差"
   • 合闸瞬间会产生巨大的有功功率冲击——快的机组被"拉住"，慢的机组被"拖动"
   • 可能导致：发电机绕组过流过热、轴和联轴器承受巨大扭矩冲击（可能断裂）、断路器跳闸保护、甚至发动机机械损坏
   • 绝对不允许在不满足四同条件时强行并机

3. 排查和解决：

   • 检查调速器：3#柴发的电子调速器是否正常工作。调速器通过控制喷油量来调节发动机转速
   • 检查转速传感器：如果转速反馈信号异常，调速器无法正确控制转速
   • 手动调节：部分控制器支持手动微调转速（升速/降速按钮），尝试将3#频率手动调到与母线一致
   • 检查发动机：是否有机械问题导致转速不稳（如喷油器故障、气缸工作不均匀）
   • 临时方案：如果29台柴发已满足负载需求（N+1冗余），可以暂时不并入3#，待市电恢复后检修

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题目5：HVDC绝缘故障

场景：动环监控系统显示某HVDC系统的"正极对地绝缘电阻"从正常的200kΩ突然降至50kΩ，触发告警。

问题：

1. 这意味着什么？
2. 此时系统还能正常运行吗？
3. 如果不处理会怎样？
4. 弱电工程师应该做什么？

参考答案：

1. 正极绝缘电阻下降意味着正极导体与大地之间的绝缘性能下降。可能原因：

   • 电缆绝缘层被机械损伤（如被尖锐物划伤或被重物压伤）
   • 接线端子处受潮或凝露
   • 电缆老化绝缘下降
   • 设备内部绝缘故障

2. 系统目前还能正常运行。DC系统采用IT接地方式（正负极均不接地），单极绝缘下降不会形成短路回路，系统可以继续供电。但这是预警状态。

3. 如果不处理的后果：

   • 绝缘继续恶化，正极可能完全接地
   • 如果此时负极也发生绝缘故障（哪怕是轻微的），正极接地+负极接地=两极通过大地形成回路=短路
   • 短路可能导致：电弧火灾、设备损坏、供电中断
   • 这就是"两点接地"事故——DC系统最危险的故障模式

4. 弱电工程师应该做：

   • 立即确认告警信息准确性（排除传感器故障）
   • 升级为高优先级告警
   • 通知电气工程师立即排查
   • 在动环系统中记录绝缘电阻的变化趋势（是逐渐下降还是突然下降——突然下降通常意味着机械损伤，逐渐下降可能是受潮或老化）
   • 加密监控频率（从正常的每30秒采集改为每5秒采集）
   • 同时检查负极绝缘电阻是否也有异常
   • 如果两极绝缘电阻都下降，需要评估是否需要紧急切换到冗余系统并停机检修

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附录A：柴发月度试机检查表（弱电工程师配合版）

数据中心柴发通常每月进行一次带载试机（有的项目每周一次空载试机+每月一次带载试机）。弱电工程师需要配合记录以下数据：

试机前

• 确认动环系统中柴发监控数据正常采集
• 记录试机前各台柴发的累计运行时间
• 记录主油罐和日用油箱液位
• 确认所有柴发告警已清除

试机中

• 记录启动时间（从发出启动指令到转速稳定）
• 记录并机过程和时间
• 记录带载后各台柴发的：
  • 三相电压
  • 三相电流
  • 有功功率（确认均载是否平衡）
  • 频率
  • 冷却水温度
  • 机油压力
  • 排烟温度
• 记录ATS切换过程
• 确认UPS在切换过程中状态正常

试机后

• 记录停机过程（冷却时间、停机时间）
• 确认所有系统恢复正常状态
• 更新动环系统中的柴发运行记录
• 记录主油罐液位变化（计算实际油耗）
• 生成试机报告

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本章小结：

1. HVDC通过省掉逆变环节提高效率2-5%，是智算中心的技术趋势
2. HVDC需要关注绝缘监测（DC系统特有的安全要求）
3. 柴发是数据中心供电的最后防线，启动时序约15-25秒
4. 柴发选型按**ESP（备用功率）**计算，燃油储备A级≥12小时
5. 并机必须满足四同条件（电压、频率、相位、相序）
6. 市电恢复后不能立即回切，需5-15分钟延时确认
7. 平谷项目需要约60台高压柴发和440m³柴油储备

下一章预告：M2-04 高密度供电与电气综合——AI时代的供电新挑战