楊 旭，張文利

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

關(guān)鍵字：柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)前大中型數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模、等級(jí)以及供電系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，柴油發(fā)電機(jī)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(yùn)行的指揮中樞，起到至關(guān)重要的作用。

本文以某A級(jí)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(jí)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(shè)計(jì)理念及其重要性。

1 一次系統(tǒng)說(shuō)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(shí)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(shè)置母聯(lián)開(kāi)關(guān)。

圖1 某A級(jí)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(shè)計(jì)規(guī)范》要求，備用電源采用12臺(tái)10 kV柴油發(fā)電機(jī)組，按照11+1冗余配置，在一段母線上并機(jī)運(yùn)行[1]。

2 自動(dòng)監(jiān)控配置

2.1 備用電源監(jiān)控

備用電源設(shè)置并機(jī)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(shè)置一臺(tái)控制器，控制功能可由PLC實(shí)現(xiàn)，也可由綜保繼電器實(shí)現(xiàn)?？刂破骶邆渥詣?dòng)和手動(dòng)功能，備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)監(jiān)控功能。同組兩臺(tái)控制設(shè)置通信，以實(shí)現(xiàn)相互監(jiān)視運(yùn)行和故障狀態(tài)，同步控制信號(hào)，確保同組兩段母線相同電源類(lèi)型的進(jìn)線開(kāi)關(guān)和饋電至同樓層的兩個(gè)饋電開(kāi)關(guān)同時(shí)分閘或合閘。

控制器監(jiān)視和控制功能至少應(yīng)包括以下11點(diǎn)，以控制PLC-A為例，其他與此相同。一是監(jiān)測(cè)市電電源進(jìn)線前PT201A的狀態(tài)，通過(guò)PT201A監(jiān)測(cè)市電電源進(jìn)線狀態(tài)。二是監(jiān)測(cè)市電電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)S201A的手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S201A分合閘。三是監(jiān)測(cè)備用電源進(jìn)線前PT211A的狀態(tài)，通過(guò)PT211A監(jiān)測(cè)備用電源進(jìn)線狀態(tài)。四是監(jiān)測(cè)備用電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)S211A的手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵_(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S211A分合閘。五是監(jiān)測(cè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)S245A手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S245A分合閘。六是監(jiān)測(cè)母線電壓PT4A。七是監(jiān)測(cè)饋線開(kāi)關(guān)S212A手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S212A分合閘。八是監(jiān)測(cè)饋線開(kāi)關(guān)S213A手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵_(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S213A分合閘。九是監(jiān)測(cè)饋線開(kāi)關(guān)S214A手車(chē)位置（試驗(yàn)、工作）、開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)（閉合、分?jǐn)啵?，開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作分閘信號(hào)、故障狀態(tài)，控制S214A分合閘。十是控制器PLC-A和發(fā)電機(jī)組并機(jī)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(jī)組并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)機(jī)組的信號(hào)[2]。

3 市電電源和備用電源切換控制邏輯

每段市電電源進(jìn)線前端的PT狀態(tài)由本段母線上的控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)兩路市電的PT均失電，且市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)未分閘（開(kāi)關(guān)無(wú)保護(hù)分閘）時(shí)，延時(shí)4 s對(duì)兩路市電開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘，分閘后延時(shí)2 s對(duì)發(fā)電機(jī)組并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)組的信號(hào)。

當(dāng)同時(shí)收到任意一組內(nèi)兩臺(tái)控制器發(fā)來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令啟動(dòng)所有發(fā)電機(jī)組，并在應(yīng)急（并機(jī)）母線上進(jìn)行逐臺(tái)并機(jī)。當(dāng)發(fā)電機(jī)組并機(jī)臺(tái)數(shù)達(dá)到11臺(tái)（可根據(jù)負(fù)荷調(diào)整數(shù)量）時(shí)，機(jī)組完成并機(jī)，并機(jī)控制系統(tǒng)再次發(fā)出指令閉合應(yīng)急母線上的饋電開(kāi)關(guān)，應(yīng)急母線向市電母線輸出電能。

當(dāng)市電母線上的備用電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)前端的PT被檢測(cè)到帶電，且監(jiān)測(cè)市電無(wú)壓后，斷開(kāi)本段母線上3個(gè)（二、三、四層）饋電變壓器的饋電開(kāi)關(guān)（一層饋電變壓器的饋電開(kāi)關(guān)不斷開(kāi)）。首先延時(shí)2 s，閉合本段母線上的備用電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)；其次延時(shí)5 s，閉合本段母線上饋電至二層變壓器的饋電開(kāi)關(guān)；再次延時(shí)5 s，閉合本段母線上饋電至三層變壓器的饋電開(kāi)關(guān)；最后延時(shí)5 s，閉合本段母線上饋電至四層變壓器的饋電開(kāi)關(guān)。此時(shí)，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(guò)程，另一段母線控制要求同上。

市電電源恢復(fù)后，運(yùn)維人員手動(dòng)逐級(jí)切換恢復(fù)至市電電源供電狀態(tài)，同時(shí)要求具備自動(dòng)恢復(fù)功能，當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)恢復(fù)時(shí)，要求如下。市電電源恢復(fù)后，10 kV自動(dòng)切換裝置會(huì)讀取綜保參數(shù)，判斷市電電源已符合電源正常條件時(shí)，先控制跳開(kāi)發(fā)電機(jī)組進(jìn)線開(kāi)關(guān)，確認(rèn)跳開(kāi)信號(hào)后（若未得到跳開(kāi)信號(hào)應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并聯(lián)鎖暫停下一步操作），跳開(kāi)饋線至變壓器的輸出開(kāi)關(guān)，再合上市電電源10 kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)，并在設(shè)定的發(fā)電機(jī)組停機(jī)延時(shí)時(shí)間到后發(fā)出機(jī)組停機(jī)命令。自動(dòng)狀態(tài)下，在柴發(fā)并機(jī)完成，備用電源開(kāi)關(guān)尚未閉合前，若市電電源來(lái)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(shí)，此時(shí)如果第二路市電再失電，則斷開(kāi)母線開(kāi)關(guān)，并延時(shí)4 s后斷開(kāi)第二路市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)，再延時(shí)5 s后向發(fā)電機(jī)組并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)組的信號(hào)。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(guò)程。若油機(jī)測(cè)試時(shí)兩路市電失電，此時(shí)為手動(dòng)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(jìn)線前端的PT狀態(tài)由本段母線上的控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)兩路市電電源中的任意一路市電電源進(jìn)線前端的PT失電（假設(shè)#1市電失電），且市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)未分閘（開(kāi)關(guān)無(wú)保護(hù)分閘），而另外一路市電電源（#2市電）進(jìn)線前端的PT被檢測(cè)到帶電時(shí)，延時(shí)5 s斷開(kāi)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(kāi)關(guān)。再斷開(kāi)此市電電源（#1市電）進(jìn)線開(kāi)關(guān)，然后閉合母聯(lián)開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)。

當(dāng)失電的市電電源恢復(fù)供電時(shí)，至少經(jīng)過(guò)3 min，手動(dòng)斷開(kāi)母聯(lián)，恢復(fù)兩路市電供電。同時(shí)要求具備自動(dòng)恢復(fù)功能，設(shè)置為自動(dòng)恢復(fù)時(shí)，要求如下。當(dāng)市電電源恢復(fù)后，10 kV自動(dòng)切換裝置會(huì)讀取綜保數(shù)據(jù)，判斷市電電源已符合電源正常條件時(shí)，先跳開(kāi)饋線至變壓器的輸出開(kāi)關(guān)，再合市電10 kV進(jìn)線開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)。

5 閉鎖要求

同組兩路市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、兩路發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜以及母聯(lián)開(kāi)關(guān)柜的斷路器之間設(shè)電氣聯(lián)鎖，只有兩只市電電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)及母聯(lián)開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)時(shí)，才能閉合發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)。反之，只有兩只發(fā)電機(jī)進(jìn)線開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)時(shí)，才能閉合市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)和母線開(kāi)關(guān)。由于兩只市電電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)和母聯(lián)開(kāi)關(guān)間設(shè)置有電氣聯(lián)鎖，因此3只開(kāi)關(guān)同一時(shí)間最多只能有兩只開(kāi)關(guān)閉合。

6 系統(tǒng)配置

發(fā)電機(jī)組設(shè)備供應(yīng)商、10 kV開(kāi)關(guān)柜設(shè)備供應(yīng)商以及控制器集成商應(yīng)根據(jù)切換邏輯的要求進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)本文中要求的功能。

切換過(guò)程中控制設(shè)備、信號(hào)設(shè)備或被控設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)報(bào)警并轉(zhuǎn)為手動(dòng)操作。

控制器向發(fā)電機(jī)組并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)前，若本段母線市電電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)因保護(hù)分閘發(fā)出告警信號(hào)，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(dòng)邏輯終止（控制器仍需向并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)），由運(yùn)維人員排除故障后，手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)切換和分步加載。

控制器向發(fā)電機(jī)組并機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)信號(hào)前，若本段母線上的某個(gè)饋電開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，則不能向該開(kāi)關(guān)發(fā)出閉合信號(hào)，相對(duì)應(yīng)的另一段母線上饋線至和該變壓器同樓層的另一臺(tái)變壓器的饋線開(kāi)關(guān)不受影響。

控制器采用綜保繼電器時(shí)，綜保繼電器應(yīng)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?？刂破鲬?yīng)具備通信接口，能將控制內(nèi)數(shù)據(jù)上傳是動(dòng)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(guò)程建議在3 min內(nèi)完成，該時(shí)間還包括發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、并機(jī)以及電能輸出。所有延時(shí)時(shí)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(jī)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(fù)等情形，會(huì)隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模和等級(jí)的不同而復(fù)雜多樣。它是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的安全、可靠以及長(zhǎng)久的強(qiáng)力保障，對(duì)提高數(shù)據(jù)中心整個(gè)系統(tǒng)的可靠性起到深遠(yuǎn)意義。