某數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)切換邏輯分析

王 亮

(中元國際(上海)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200127)

0 概述

數(shù)據(jù)中心是指為集中放置的電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的建筑場(chǎng)所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分。數(shù)據(jù)中心的電子信息、空調(diào)、建筑機(jī)電等設(shè)備的主要?jiǎng)恿δ茉礊殡娏δ茉矗瑪?shù)據(jù)中心的主要生產(chǎn)工作是靠電力驅(qū)動(dòng)的，所以電力系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)運(yùn)營的核心架構(gòu)。

GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于各等級(jí)數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)配置的具體要求詳見表1，各級(jí)電源系統(tǒng)的配置組成詳見表2。

數(shù)據(jù)中心的完整電力系統(tǒng)是由電源、鏈路和終端三部分組成，其中鏈路部分是由各類硬件設(shè)備和控制策略來實(shí)現(xiàn)的?？刂撇呗跃褪歉鶕?jù)設(shè)定好的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)電源系統(tǒng)的切換選擇，最終保證電力系統(tǒng)安全可靠地持續(xù)運(yùn)行，滿足各種工況的需求。接下來本文將以某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目為案例，模擬各類運(yùn)維場(chǎng)景，著重分析10kV供電系統(tǒng)的切換邏輯，以期讀者能對(duì)數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)控制策略有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

1 案例背景

該建筑面積10萬m2，分A、B兩個(gè)機(jī)房區(qū)域，機(jī)柜總數(shù)量約7 500個(gè)，總用電容量50 000kVA。數(shù)據(jù)中心等級(jí)為A級(jí)，常、備用電源選擇兩路110kV市電，采用2N配置，選擇2臺(tái)6.3MW主變，區(qū)域內(nèi)設(shè)置110/10kV變電站。應(yīng)急電源選擇10kV柴油發(fā)電機(jī)組，采用N+1配置，共13臺(tái)。110/10kV變電站與柴油發(fā)電機(jī)房結(jié)合集中設(shè)置，在數(shù)據(jù)中心機(jī)房區(qū)域設(shè)置10/0.4kV變電站和UPS設(shè)備。項(xiàng)目設(shè)置一套電力監(jiān)控自動(dòng)化操作系統(tǒng)。項(xiàng)目配電系統(tǒng)框架圖詳見圖1。

各級(jí)數(shù)據(jù)中心電氣技術(shù)要求 表1

數(shù)據(jù)中心各級(jí)電源常見配置 表2

2 10kV供電系統(tǒng)切換邏輯說明

2.1 10kV供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

10kV供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖詳見圖2。

圖2 10kV供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 系統(tǒng)描述

(1)柴油發(fā)電機(jī)組G1-1～13向發(fā)電機(jī)并機(jī)母線YJ-A1和YJ-B1各通過13臺(tái)進(jìn)線斷路器(常開，G1-AH1～G1-AH13, G1-BH1～G1-BH13)分別供電，兩段并機(jī)母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)斷路器G1-AH16和隔離手車G1-BH17。

(2)發(fā)電機(jī)應(yīng)急備用電源通過并機(jī)母線輸出斷路器G1-AH15，G1-BH16和市電側(cè)進(jìn)線斷路器1107，2207輸入到兩段10kV市電母線DL-A1和DL-B1。

(3)兩路10kV市電通過主進(jìn)線斷路器1108和2208分別輸入到兩段10kV市電母線DL-A1和DL-B1，兩段市電母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)斷路器1124和隔離手車2224。

(4)兩段市電母線DL-A1和DL-B1分別以放射式電纜線路向各臺(tái)終端變壓器供電。

2.3 五臺(tái)斷路器(1107、1108、2207、2208、1124)之間的聯(lián)鎖關(guān)系

根據(jù)電氣系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基本要求及操作規(guī)程，并結(jié)合供電部門的常規(guī)性安全用電要求，對(duì)此五臺(tái)斷路器提出如下聯(lián)鎖要求。

(1)市電進(jìn)線斷路器1108或2208合閘時(shí)，油機(jī)進(jìn)線斷路器1107和2207均不能合閘；反之，油機(jī)進(jìn)線斷路器1107或2207合閘時(shí)，市電進(jìn)線斷路器1108和2208均不能合閘。

(2)市電進(jìn)線斷路器1108、2208和聯(lián)絡(luò)斷路器1124之間設(shè)置電氣聯(lián)鎖，三臺(tái)斷路器只能同時(shí)合兩臺(tái)。

(3)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107、2207和市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器1124之間設(shè)置電氣聯(lián)鎖，三臺(tái)斷路器只能同時(shí)合兩臺(tái)。

首先，要把創(chuàng)業(yè)教育納入教學(xué)課程內(nèi)容。黨的十七大提出了“實(shí)施擴(kuò)大就業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，促進(jìn)以創(chuàng)業(yè)帶動(dòng)就業(yè)”的總體部署。為此，要在大學(xué)生中開展創(chuàng)業(yè)教育和培訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)技能與開拓精神，以適應(yīng)全球化、知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的挑戰(zhàn)，并將創(chuàng)業(yè)作為未來職業(yè)的一種選擇，轉(zhuǎn)變他們的就業(yè)觀念。其次，要在獨(dú)立學(xué)院的一些專業(yè)適當(dāng)開展實(shí)訓(xùn)課，讓學(xué)生更早地與企業(yè)建立聯(lián)系，更多地接觸工作的崗位，達(dá)到實(shí)踐的鍛煉，這將有利于他們更好地就業(yè)。開設(shè)就業(yè)指導(dǎo)課，幫助學(xué)生確立正確、科學(xué)的就業(yè)觀；開展大學(xué)生職業(yè)生涯教育，提升學(xué)生職業(yè)能力，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的崗位技能[5]。

(4)市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器1124和油機(jī)側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器G1-AH16之間設(shè)置電氣聯(lián)鎖，兩臺(tái)斷路器只能同時(shí)合一臺(tái)。

(5)聯(lián)絡(luò)斷路器1124與其相對(duì)應(yīng)的隔離手車2224加聯(lián)鎖，當(dāng)隔離手車2224處于合位時(shí)，1124才可合閘，當(dāng)1124分閘后，隔離手車2224才可以抽出。

(6)進(jìn)線斷路器1108與其相對(duì)應(yīng)的隔離手車及計(jì)量手車聯(lián)鎖，當(dāng)隔離手車處于合位及計(jì)量手車運(yùn)行位置，1108才可合閘；當(dāng)1108分閘后，隔離手車及本段計(jì)量手車才可以抽出。

(7)進(jìn)線斷路器2208與其相對(duì)應(yīng)的隔離手車及計(jì)量手車聯(lián)鎖，當(dāng)隔離手車處于合位及計(jì)量手車運(yùn)行位置，2208才可合閘；當(dāng)2208分閘后，隔離手車及本段計(jì)量手車才可以抽出。

(8)所有聯(lián)鎖功能均通過斷路器的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

2.4 10kV系統(tǒng)的運(yùn)行模式

本數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)電源系統(tǒng)采用市電優(yōu)先原則，只有當(dāng)雙路市電均失電的情況下，才啟用柴油發(fā)電機(jī)后備電源系統(tǒng)。

正常運(yùn)行情況下，兩路市電獨(dú)立供電，柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)控制系統(tǒng)、10kV控制系統(tǒng)、0.4kV控制系統(tǒng)和0.4kV ATS均在預(yù)設(shè)狀態(tài)下待命。

當(dāng)一路市電失電，電源自動(dòng)投切優(yōu)先級(jí)順序?yàn)?0kV控制系統(tǒng)→0.4kV控制系統(tǒng)→0.4kV ATS動(dòng)作。所以各級(jí)控制系統(tǒng)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定原則為：10kV聯(lián)絡(luò)斷路器投入時(shí)間和饋線斷路器逐級(jí)投入時(shí)間總和(t1)<0.4kV控制系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間(t2)<0.4kV末端ATS動(dòng)作時(shí)間(t3)。

當(dāng)雙路市電失電，柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)延時(shí)(t4)啟動(dòng)，并機(jī)成功后自動(dòng)給兩段10kV市電母線同時(shí)供電。兩段市電母線同時(shí)得電后，10kV聯(lián)絡(luò)斷路器、0.4kV控制系統(tǒng)、0.4kV ATS均保持原有狀態(tài)不動(dòng)作。

2.5 運(yùn)維場(chǎng)景模擬

正常運(yùn)行情況下，兩路市電獨(dú)立供電，兩段市電母線各承擔(dān)50%負(fù)載。

2.5.2 單路市電失電情況

(1)當(dāng)市電B失電時(shí)(判定依據(jù)為：市電B路電源進(jìn)線無壓，DL-B1段母線無壓，市電B進(jìn)線斷路器2208無流，延時(shí)3s，跳開市電B進(jìn)線斷路器2208；DL-A1段進(jìn)線有壓，DL-A1段母線有壓)，延時(shí)5s，由電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)合上聯(lián)絡(luò)斷路器1124并確認(rèn)其處于合位。當(dāng)確認(rèn)聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于合位后，電力監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器(B路市電后則失壓脫扣)，這樣整個(gè)DL-B1母線段下的負(fù)載均由A路電源承擔(dān)。

(2)當(dāng)市電A失電時(shí)(判定依據(jù)為：市電A路電源進(jìn)線無壓，DL-A1段母線無壓，市電A進(jìn)線斷路器1108無流，延時(shí)3s，跳開市電A進(jìn)線斷路器1108；DL-B1段進(jìn)線有壓，DL-B1段母線有壓)，延時(shí)5s，由電力監(jiān)控系統(tǒng)控制器(以下簡(jiǎn)稱“控制器”)自動(dòng)合上聯(lián)絡(luò)斷路器1124并確認(rèn)其處于合位。當(dāng)確認(rèn)聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于合位后，控制器再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器(A路市電后則失壓脫扣)，這樣整個(gè)DL-A1母線段下的負(fù)載均由B路電源承擔(dān)。

(3)單路市電失電的情況下，整個(gè)電源系統(tǒng)的切換是由電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制完成，電源系統(tǒng)的投切原則為自投不自復(fù)。

2.5.3 雙路市電失電情況

(1)在正常運(yùn)行情況下，或只有一路市電帶電的情況下，當(dāng)檢測(cè)到兩路市電均失電(檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在市電A、B路電源進(jìn)線斷路器上端口)，延時(shí)3s，跳開市電A進(jìn)線斷路器1108、市電B進(jìn)線斷路器2208及聯(lián)絡(luò)斷路器1124，所有負(fù)載饋線斷路器失壓脫扣。同時(shí)發(fā)送發(fā)電機(jī)啟動(dòng)命令給柴發(fā)并機(jī)控制系統(tǒng)。確認(rèn)發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線斷路器1107和2207上端口帶電，同時(shí)確認(rèn)市電A進(jìn)線斷路器1108、市電B進(jìn)線斷路器2208和聯(lián)絡(luò)斷路器1124及所有負(fù)載饋線斷路器均處于分位后，延時(shí)3s合上1107、2207。確認(rèn)1107和2207處于合位后，電力監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器。

(2)在柴油發(fā)電機(jī)送電過程中，若有其中一路柴發(fā)電源送電不成功，則邏輯說明：在并機(jī)控制系統(tǒng)接收到啟動(dòng)信號(hào)后，逐臺(tái)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)并機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到其中一段并機(jī)母線電源不達(dá)標(biāo)，則不發(fā)出合閘本段輸出斷路器G1-AH15或G1-BH16的命令。即其中一段柴發(fā)并機(jī)母線電源故障，可按以下預(yù)設(shè)方案進(jìn)行操作。

第一方案：首先確認(rèn)油機(jī)側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器G1-AH16和市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位，再由并機(jī)控制系統(tǒng)合上油機(jī)電源達(dá)標(biāo)段的輸出斷路器G1-AH15或G1-BH16。此時(shí)市電側(cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107或2207上端口帶電，延時(shí)3s，由電力監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)合上油機(jī)進(jìn)線斷路器1107或2207，再延時(shí)3s，確認(rèn)市電DL-A1段或DL-B1段母線有壓后合上聯(lián)絡(luò)斷路器1124。確認(rèn)聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于合位后，電力監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器。

第二方案：如果第一方案投切不成功(如市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器故障)，先確認(rèn)并機(jī)母線的發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器(常開，G1-AH1～G1-AH13或G1-BH1～G1-BH13)處于分位，再確認(rèn)市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位(否則人工手動(dòng)分閘)，然后人工手動(dòng)合閘油機(jī)側(cè)的聯(lián)絡(luò)斷路器G1-AH16，再人工手動(dòng)合閘油機(jī)側(cè)輸出斷路器G1-AH15合G1-BH16，此時(shí)市電側(cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107和2207上端口帶電，最后人工手動(dòng)依次合閘市電側(cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107和2207，并根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器。

2.5.4 恢復(fù)市電供電

(1)當(dāng)整個(gè)電源系統(tǒng)是由柴油發(fā)電機(jī)正常供電時(shí)，兩路市電同時(shí)恢復(fù)供電后，由人工手動(dòng)分?jǐn)嗍须妭?cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107和2207，并確認(rèn)市電側(cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107、2207以及聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位后，人工手動(dòng)合上市電A進(jìn)線斷路器1108和市電B進(jìn)線斷路器2208，在確認(rèn)1108和2208處于合位后，電力監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器。待市電投入且穩(wěn)定運(yùn)行后(此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組仍保持運(yùn)行)，柴油發(fā)電機(jī)組的停機(jī)程序另行參照相關(guān)控制邏輯。

(2)若只有一路市電恢復(fù)供電，先由人工手動(dòng)分?jǐn)嗍须妭?cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107和2207，并確認(rèn)市電側(cè)油機(jī)進(jìn)線斷路器1107、2207以及聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位后，再合上有電側(cè)進(jìn)線斷路器1108或2208和聯(lián)絡(luò)斷路器1124，在確認(rèn)1108或2208和聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于合位后，電力監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)逐級(jí)合上至變壓器負(fù)載的饋線斷路器。待市電投入且穩(wěn)定運(yùn)行后(此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組仍保持運(yùn)行)，柴油發(fā)電機(jī)組的停機(jī)程序另行參照相關(guān)控制邏輯。

(3)停機(jī)命令判定依據(jù)為：市電A路電源進(jìn)線有壓或市電B路電源進(jìn)線有壓或市電A/B路電源進(jìn)線同時(shí)有壓，且三臺(tái)斷路器1108、2208、1124中有兩臺(tái)處于合位。但需要考慮在延時(shí)發(fā)送停機(jī)命令到發(fā)電機(jī)組停機(jī)過程中，若市電再次中斷供電，應(yīng)能保證柴油發(fā)電機(jī)仍處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

(4)待柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)急電源退出運(yùn)行后，油機(jī)側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器G1-AH16，并機(jī)母線上的發(fā)電機(jī)進(jìn)線斷路器G1-AH1～G1-AH13和G1-BH1～G1-BH13以及側(cè)輸出斷路器G1-AH15和G1-BH16均處于分閘狀態(tài)(復(fù)位至常規(guī)狀態(tài))。

2.5.5 市電正常運(yùn)行情況下一些故障情況操作(二次故障)

(1)在兩路市電正常運(yùn)行狀況下，若其中一段市電母線發(fā)生故障，則相應(yīng)的進(jìn)線保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作，并發(fā)出市電A或市電B進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，系統(tǒng)收到該信號(hào)后，延時(shí)0.5s，然后跳開故障母線上的所有進(jìn)線、饋線斷路器。此時(shí)整個(gè)電源系統(tǒng)可由0.4kV系統(tǒng)自動(dòng)切換或由運(yùn)維值班人員按預(yù)設(shè)方案手動(dòng)完成切換操作。

(2)在一路市電運(yùn)行情況下，若市電側(cè)聯(lián)絡(luò)斷路器1124發(fā)生故障，此時(shí)整個(gè)電源系統(tǒng)可由0.4kV系統(tǒng)自動(dòng)切換或由運(yùn)維值班人員按預(yù)設(shè)方案手動(dòng)完成切換操作。

(3)市電A進(jìn)線失電，市電B段母線故障情況：建議由運(yùn)維值班人員按預(yù)設(shè)方案手動(dòng)完成切換操作。預(yù)設(shè)方案為：人工手動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，由柴發(fā)并機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成并機(jī)輸出后，在確認(rèn)市電進(jìn)線斷路器1108、聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位后，由人工手動(dòng)合閘市電DL-A1段油機(jī)進(jìn)線斷路器1107，再由人工按負(fù)荷級(jí)別合閘至變壓器的饋線斷路器。這樣，柴油發(fā)電機(jī)電源通過市電A段母線給末端負(fù)載供電，當(dāng)A段市電母線下端變壓器得電后，低壓側(cè)總進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)斷路器按預(yù)設(shè)方案自動(dòng)進(jìn)行投切。

(4)市電B進(jìn)線失電，市電A段母線故障情況：建議由運(yùn)維值班人員按預(yù)設(shè)方案手動(dòng)完成切換操作。預(yù)設(shè)方案為：人工手動(dòng)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，由柴發(fā)并機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成并機(jī)輸出后，在確認(rèn)市電進(jìn)線斷路器2208、聯(lián)絡(luò)斷路器1124處于分位后，由人工手動(dòng)合閘市電DL-B1段油機(jī)進(jìn)線斷路器2207，再由人工按負(fù)荷級(jí)別合閘至變壓器的饋線斷路器。這樣，柴油發(fā)電機(jī)電源通過市電B段母線給末端負(fù)載供電，當(dāng)B段市電母線下端變壓器得電后，低壓側(cè)總進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)斷路器按預(yù)設(shè)方案自動(dòng)進(jìn)行投切。

2.5.6 柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況下，柴油機(jī)發(fā)生故障情況

在柴油發(fā)電機(jī)組正常供電的情況下，若有一臺(tái)或多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)自身發(fā)生故障，將由并機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制退出故障機(jī)組，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)指令給電力監(jiān)控系統(tǒng)，由電力監(jiān)控系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的甩負(fù)載方案，將市電側(cè)相應(yīng)的饋線斷路器進(jìn)行切除。

3 結(jié)束語