數(shù)據(jù)中心市電電源和柴油發(fā)電機備用電源的切換控制邏輯設計

楊 旭，張文利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

關鍵字：柴油發(fā)電機系統(tǒng)；市電電源與備用電源切換邏輯；數(shù)據(jù)中心；安全可靠性

0 引 言

隨著當前大中型數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模、等級以及供電系統(tǒng)的復雜程度越來越高，柴油發(fā)電機組作為備用電源，是保障數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)安全可靠的最后一道防線。市電電源和備用電源的切換控制邏輯更是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全可靠運行的指揮中樞，起到至關重要的作用。

本文以某A級數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)架構(gòu)圖為例，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、監(jiān)控配置、聯(lián)鎖控制以及逐級切換管理等方面探討數(shù)據(jù)中心市電電源與備用電源切換控制邏輯的設計理念及其重要性。

1 一次系統(tǒng)說明

1.1 市電電源配置

如圖1所示，市電電源兩兩一組（1#和2#為一組，3#和4#為一組），同組兩路電源同時工作、互為備用，兩組市電電源采用分段單母線的接線形式，兩段母線間設置母聯(lián)開關。

圖1 某A級數(shù)據(jù)中心10kV配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 備用電源配置

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》要求，備用電源采用12臺10 kV柴油發(fā)電機組，按照11+1冗余配置，在一段母線上并機運行[1]。

2 自動監(jiān)控配置

2.1 備用電源監(jiān)控

備用電源設置并機控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對整個備用電源系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

2.2 市電電源監(jiān)控

每段市電配電母線處設置一臺控制器，控制功能可由PLC實現(xiàn)，也可由綜保繼電器實現(xiàn)?？刂破骶邆渥詣雍褪謩庸δ埽瑐溆秒娫聪到y(tǒng)啟動監(jiān)控功能。同組兩臺控制設置通信，以實現(xiàn)相互監(jiān)視運行和故障狀態(tài)，同步控制信號，確保同組兩段母線相同電源類型的進線開關和饋電至同樓層的兩個饋電開關同時分閘或合閘。

控制器監(jiān)視和控制功能至少應包括以下11點，以控制PLC-A為例，其他與此相同。一是監(jiān)測市電電源進線前PT201A的狀態(tài)，通過PT201A監(jiān)測市電電源進線狀態(tài)。二是監(jiān)測市電電源進線開關S201A的手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S201A分合閘。三是監(jiān)測備用電源進線前PT211A的狀態(tài)，通過PT211A監(jiān)測備用電源進線狀態(tài)。四是監(jiān)測備用電源進線開關S211A的手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S211A分合閘。五是監(jiān)測母聯(lián)開關S245A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S245A分合閘。六是監(jiān)測母線電壓PT4A。七是監(jiān)測饋線開關S212A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S212A分合閘。八是監(jiān)測饋線開關S213A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S213A分合閘。九是監(jiān)測饋線開關S214A手車位置（試驗、工作）、開關位置狀態(tài)（閉合、分斷），開關保護動作分閘信號、故障狀態(tài)，控制S214A分合閘。十是控制器PLC-A和發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)狀態(tài)的相互監(jiān)視。十一是控制器PLC-A向發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)發(fā)送啟動機組的信號[2]。

3 市電電源和備用電源切換控制邏輯

每段市電電源進線前端的PT狀態(tài)由本段母線上的控制器進行監(jiān)測，當兩路市電的PT均失電，且市電進線開關未分閘（開關無保護分閘）時，延時4 s對兩路市電開關進行分閘，分閘后延時2 s對發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)發(fā)出啟動機組的信號。

當同時收到任意一組內(nèi)兩臺控制器發(fā)來的啟動信號時，柴油發(fā)電機并機控制系統(tǒng)發(fā)出指令啟動所有發(fā)電機組，并在應急（并機）母線上進行逐臺并機。當發(fā)電機組并機臺數(shù)達到11臺（可根據(jù)負荷調(diào)整數(shù)量）時，機組完成并機，并機控制系統(tǒng)再次發(fā)出指令閉合應急母線上的饋電開關，應急母線向市電母線輸出電能。

當市電母線上的備用電源進線開關前端的PT被檢測到帶電，且監(jiān)測市電無壓后，斷開本段母線上3個（二、三、四層）饋電變壓器的饋電開關（一層饋電變壓器的饋電開關不斷開）。首先延時2 s，閉合本段母線上的備用電源進線開關；其次延時5 s，閉合本段母線上饋電至二層變壓器的饋電開關；再次延時5 s，閉合本段母線上饋電至三層變壓器的饋電開關；最后延時5 s，閉合本段母線上饋電至四層變壓器的饋電開關。此時，完成市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載的過程，另一段母線控制要求同上。

市電電源恢復后，運維人員手動逐級切換恢復至市電電源供電狀態(tài)，同時要求具備自動恢復功能，當設置為自動恢復時，要求如下。市電電源恢復后，10 kV自動切換裝置會讀取綜保參數(shù)，判斷市電電源已符合電源正常條件時，先控制跳開發(fā)電機組進線開關，確認跳開信號后（若未得到跳開信號應立即發(fā)出報警信號并聯(lián)鎖暫停下一步操作），跳開饋線至變壓器的輸出開關，再合上市電電源10 kV進線開關，之后按照5 s步距，逐步閉合市電電源母線上饋電至每層變壓器的輸出開關，并在設定的發(fā)電機組停機延時時間到后發(fā)出機組停機命令。自動狀態(tài)下，在柴發(fā)并機完成，備用電源開關尚未閉合前，若市電電源來電，則終止柴發(fā)帶載邏輯，切換至市電側(cè)帶載。

一路市電失電后由另一路市電帶兩段母線時，此時如果第二路市電再失電，則斷開母線開關，并延時4 s后斷開第二路市電進線開關，再延時5 s后向發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)發(fā)出啟動機組的信號。逐步完成市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載的過程。若油機測試時兩路市電失電，此時為手動操作，不涉及控制邏輯。

4 市電電源之間的切換控制邏輯

每段市電電源進線前端的PT狀態(tài)由本段母線上的控制器進行監(jiān)測，當兩路市電電源中的任意一路市電電源進線前端的PT失電（假設#1市電失電），且市電進線開關未分閘（開關無保護分閘），而另外一路市電電源（#2市電）進線前端的PT被檢測到帶電時，延時5 s斷開失電的一路市電電源（#1市電）母線上饋電至所有變壓器的輸出開關。再斷開此市電電源（#1市電）進線開關，然后閉合母聯(lián)開關，按照5 s步距，分步閉合失電的市電電源（#1市電）母線上饋電至變壓器的輸出開關。

當失電的市電電源恢復供電時，至少經(jīng)過3 min，手動斷開母聯(lián)，恢復兩路市電供電。同時要求具備自動恢復功能，設置為自動恢復時，要求如下。當市電電源恢復后，10 kV自動切換裝置會讀取綜保數(shù)據(jù)，判斷市電電源已符合電源正常條件時，先跳開饋線至變壓器的輸出開關，再合市電10 kV進線開關，之后按照5 s步距，逐步閉合市電電源母線上饋電至每層變壓器的輸出開關。

5 閉鎖要求

同組兩路市電進線開關柜、兩路發(fā)電機進線開關柜以及母聯(lián)開關柜的斷路器之間設電氣聯(lián)鎖，只有兩只市電電源進線開關及母聯(lián)開關均斷開時，才能閉合發(fā)電機進線開關。反之，只有兩只發(fā)電機進線開關均斷開時，才能閉合市電進線開關和母線開關。由于兩只市電電源進線開關和母聯(lián)開關間設置有電氣聯(lián)鎖，因此3只開關同一時間最多只能有兩只開關閉合。

6 系統(tǒng)配置

發(fā)電機組設備供應商、10 kV開關柜設備供應商以及控制器集成商應根據(jù)切換邏輯的要求進行深化設計，實現(xiàn)本文中要求的功能。

切換過程中控制設備、信號設備或被控設備發(fā)生故障時，應報警并轉(zhuǎn)為手動操作。

控制器向發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機組啟動信號前，若本段母線市電電源進線開關因保護分閘發(fā)出告警信號，則本段母線上市電電源和備用電源的切換、備用電源分步加載的自動邏輯終止（控制器仍需向并機控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機組啟動信號），由運維人員排除故障后，手動操作實現(xiàn)切換和分步加載。

控制器向發(fā)電機組并機控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機組啟動信號前，若本段母線上的某個饋電開關處于分閘狀態(tài)，則不能向該開關發(fā)出閉合信號，相對應的另一段母線上饋線至和該變壓器同樓層的另一臺變壓器的饋線開關不受影響。

控制器采用綜保繼電器時，綜保繼電器應具備足夠的輸入和輸出端口，具有靈活的編程工程，以滿足要求。控制器應具備通信接口，能將控制內(nèi)數(shù)據(jù)上傳是動環(huán)系統(tǒng)（電力監(jiān)控）。

市電電源向備用電源的切換和備用電源分步加載的過程建議在3 min內(nèi)完成，該時間還包括發(fā)電機組的啟動、并機以及電能輸出。所有延時時間均滿足0～60 s可調(diào)。

7 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心市電電源和柴油發(fā)電機備用電源的切換控制邏輯非常重要，適用于多種情況下的市電失電及市電恢復等情形，會隨著數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模和等級的不同而復雜多樣。它是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的安全、可靠以及長久的強力保障，對提高數(shù)據(jù)中心整個系統(tǒng)的可靠性起到深遠意義。