10 kV配電系統(tǒng)自動運行控制在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

陳 碩，魏 華，楊 青

（北京電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100048）

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們對“大數(shù)據(jù)”業(yè)務(wù)需求不斷增長，為了滿足日益增長的應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模也在向超大型、園區(qū)級數(shù)據(jù)中心方向發(fā)展。通信、金融、商業(yè)等行業(yè)，面對未來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長需求，都在積極做出調(diào)整，提前布局，為在未來的競爭中取得先機，在發(fā)展的浪潮中處于領(lǐng)先地位，園區(qū)級數(shù)據(jù)中心的建設(shè)在很多領(lǐng)域相繼展開。

園區(qū)級數(shù)據(jù)中心，動輒承載幾十萬千瓦IT負(fù)荷，注定擁有規(guī)模龐大的電力基礎(chǔ)設(shè)施，而供電的連續(xù)性和可靠性，又是數(shù)據(jù)中心核心品質(zhì)的基本保障，面對龐大的園區(qū)規(guī)模，如何在保證安全連續(xù)供電的前提下，提高電源系統(tǒng)自動化運行程度，降低維護管理成本，將是每一位數(shù)據(jù)中心建設(shè)者及管理者迫切面臨的問題。

本文以某數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)設(shè)計方案為例，介紹工程中10 kV配電系統(tǒng)的構(gòu)成及運行方式，分析其自投控制原理及實現(xiàn)方式，希望可以從工程設(shè)計的角度提高數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)的自動化程度。

1 數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)

（1）配電系統(tǒng)構(gòu)成

某數(shù)據(jù)中心概況如下：機房樓IT及空調(diào)、建筑等負(fù)荷合計約9 800 kVA，遵照國標(biāo) GB50174《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》A級標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，交流變配電系統(tǒng)按2N方式配置，配置10 kV配電系統(tǒng)1套，低壓變配電系統(tǒng)4套（每套包含2 500 kVA變壓器2套，低壓配電設(shè)備1套）。電源系統(tǒng)框架如圖1所示。

（2）系統(tǒng)運行要求

10 kV配電系統(tǒng)采用單母線分段帶聯(lián)絡(luò)方式運行，配置10 kV柴油發(fā)電機組作為后備電源，與市電電源在10 kV側(cè)進行切換。正常運行時，母聯(lián)開關(guān)斷開，兩路市電電源分別供電于兩段高壓母線，8臺2 500 kVA變壓器分別接入兩段高壓母線；當(dāng)1路市電發(fā)生故障，閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另外1路電源供電于整個模組。當(dāng)兩路10 kV市電電源均發(fā)生故障，由備用柴油發(fā)電機組為兩段高壓母線供電。10 kV電源優(yōu)先級依次為10 kV高壓雙電源、10 kV高壓單電源、高壓發(fā)電機組。

電源投切具備自動運行方式，也可手動進行操作。市電進線與母聯(lián)開關(guān)之間，市電進線與油機進線開關(guān)之間，分別設(shè)置運行方式選擇裝置，方便選擇。

自動運行狀態(tài)下高壓系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)如表1所示。

表1 高壓系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)表

2 配電系統(tǒng)自動控制

2．1 自動控制應(yīng)用技術(shù)

圖1 數(shù)據(jù)中心交流變配電一次系統(tǒng)圖

為實現(xiàn)配電系統(tǒng)自動投切控制，傳統(tǒng)方式采用各種繼電器、接觸器、開關(guān)觸點，根據(jù)不同的運行方式構(gòu)成相應(yīng)的電源自動投切二次回路，其特點是二次回路設(shè)計復(fù)雜，元器件使用種類多且用量大，可靠性低。隨著電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，特別是數(shù)據(jù)中心對電源連續(xù)供電的高品質(zhì)要求，傳統(tǒng)的電源自動控制裝置已經(jīng)很難滿足使用需求。

可編程序控制器（PLC）是近幾十年發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器，由于它編程靈活，功能齊全，相比傳統(tǒng)繼電器系統(tǒng)具有控制簡單、抗干擾力強、工作壽命長、可靠性高、免維護等特點。使用PLC內(nèi)部的軟繼電器簡化繼電器電路的復(fù)雜中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)軟接線邏輯構(gòu)成系統(tǒng)，方便集中控制。此外，PLC還具有自診斷、故障報警、故障報警種類顯示及網(wǎng)絡(luò)通訊功能，便于操作和維修人員檢查。

目前，配電系統(tǒng)自動運行控制優(yōu)選通過可編程控制器實現(xiàn)，為了實現(xiàn)復(fù)雜的自動運行方式，本工程采用可編程控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器二次系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制功能。

2．2 基于可編程控制器的自控系統(tǒng)

構(gòu)建基于PLC的控制系統(tǒng)，以PLC作為整個系統(tǒng)的控制中樞，根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯關(guān)系對PLC進行編程，使其內(nèi)部虛擬繼電器連接構(gòu)成預(yù)定邏輯關(guān)系電路。通過采集外部（綜合繼電保護裝置、斷路器、PT、CT、手車等）大量的模擬量及開關(guān)量信息，經(jīng)邏輯電路進行判斷，滿足條件后發(fā)出動作指令。

為防止誤動作造成兩路電源并網(wǎng)，必須滿足電氣閉鎖關(guān)系。通過將發(fā)出的分、合閘控制信號接入斷路器二次控制回路，即便誤發(fā)動作信號，由于二次回路其它閉鎖條件（電氣連接硬接點）不成立，可以有效避免誤動作發(fā)生，保障系統(tǒng)安全運行。

2．3 信號的采集

配電系統(tǒng)自動運行控制一般采用中小型可編程控制器，裝置采用模塊化配置。一般裝置本體配置有數(shù)十個IO／IB端口，通過擴展模塊可以提供更多IO／IB端口，經(jīng)編程定義端口內(nèi)容，采集信息詳見圖2。

圖2 高壓配電系統(tǒng)采集信息

2．4 自動控制邏輯原理

為滿足10 kV配電系統(tǒng)自投、自復(fù)的使用功能，自動控制邏輯原理（如圖3）主要從3方面考慮。

（1）市電供電時，兩路市電進線與母聯(lián)開關(guān)（201、202、245）之間的自投、自復(fù)，詳見表2。

表2 市電及母聯(lián)開關(guān)自投、自復(fù)邏輯原理

圖3 市電及母聯(lián)開關(guān)自投、自復(fù)邏輯原理圖

（2）市電停電時，備用柴油發(fā)電機組自啟動，備用發(fā)電機進線開關(guān)（211、212）自投如圖4，詳見表3。

表3 備用電源自啟及開關(guān)自投邏輯原理

圖4 備用電源自啟及開關(guān)自投邏輯原理圖

（3）市電恢復(fù)時，備用發(fā)電機進線開關(guān)（211、212）分閘，市電進線開關(guān)（201、202）自復(fù)如圖5，詳見表4。

表4 備用電源開關(guān)自復(fù)及市電開關(guān)自投邏輯原理

圖5 備用電源開關(guān)自復(fù)及市電開關(guān)自投邏輯原理圖

3 改進與應(yīng)用

通過上述邏輯判斷，已基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)的自控要求，但仍需不斷的調(diào)試與改進，一方面，進一步增強系統(tǒng)的可靠性，避免誤動發(fā)生。另一方面結(jié)合用戶使用習(xí)慣及現(xiàn)場應(yīng)用條件，做出調(diào)整。

（1）為保障柴發(fā)電源的有效性，增加變壓器出線分路自動分、合閘功能

市電正常供電時，配電系統(tǒng)兩段母線同時為負(fù)荷供電。當(dāng)兩路市電均停電，系統(tǒng)轉(zhuǎn)由備用柴油發(fā)電機組供電。應(yīng)避免備用柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)因單步加載負(fù)荷容量過大，造成備用電源失效或并機解列，無法滿足預(yù)期帶載要求，給用戶造成重大損失。這個問題對10 kV配電系統(tǒng)的自動控制提出了進一步要求，在配電系統(tǒng)自動運行狀態(tài)下，當(dāng)市電失電轉(zhuǎn)由備用柴油發(fā)電機供電時，變壓器出線柜逐臺自動合閘（合閘時間可調(diào)）恢復(fù)供電，以降低單步加載對柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)的影響如圖6。邏輯關(guān)系詳見表5。

表5 變壓器出線柜自動分、合閘邏輯原理

（2）為增加供電系統(tǒng)可靠性，考慮可編程控制器（PLC）冗余配置

可編程控制器是整套自動控制系統(tǒng)中樞核心，信號及動作指令均由其判斷并出發(fā)，需由專業(yè)的技術(shù)人員進行編程與調(diào)試。為增加供電系統(tǒng)可靠性，減短故障排查時間，盡快恢復(fù)配電系統(tǒng)自動控制，采用可編程控制器冗余配置是避免配電系統(tǒng)單點故障的有效方法。

圖6 兩路市電停電備用發(fā)電機組供電，變壓器出線柜自動分、合閘邏輯原理圖

（3）為增加供電系統(tǒng)運行靈活性，考慮采用多套應(yīng)用邏輯控制程序

自數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)初期至終期負(fù)荷滿載運行的過程中，用電負(fù)荷隨著IT設(shè)備的增加不斷增長，可以根據(jù)供電系統(tǒng)負(fù)載率變化情況，分期（初、終期）設(shè)置配電系統(tǒng)的運行方式。對于采用傳統(tǒng)繼電器搭接而成的二次回路，分期設(shè)置運行方式將會使二次電路變得更為復(fù)雜，而使用可編程控制器，通過選擇預(yù)制的邏輯控制程序，實現(xiàn)運行方式的轉(zhuǎn)換，增加了使用與維護的靈活性。

采用分期設(shè)置配電系統(tǒng)運行方式時，在負(fù)荷初期，兩路市電容量可以滿足冗余供電要求，當(dāng)1路市電電源失電，優(yōu)先選用另1路電源作為后備電源；在負(fù)荷終期（負(fù)載容量超過單路市電供電容量），超出部分可轉(zhuǎn)由備用發(fā)電機組供電，直至兩路市電均恢復(fù)正常供電；在兩路市電均正常供電的情況下，則可以進一步提高市電電源利用率。

（4）有效利用采集信息，構(gòu)建高效維護管理平臺

為了滿足邏輯判斷需要，使用可編程控制器構(gòu)建的配電系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)采集了大量模擬量、開關(guān)量信息，如電壓、電流、綜合繼電保護裝置、斷路器狀態(tài)、手車狀態(tài)等。這些信息除了作為邏輯判斷的依據(jù)，還可進一步加以利用，簡化電力監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集量，降低監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)成本，減少重復(fù)的采集設(shè)備，簡化監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建高效的監(jiān)控平臺系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與發(fā)展使得進一步提高配電系統(tǒng)自動化運行能力成為發(fā)展趨勢，低壓配電系統(tǒng)自動運行的應(yīng)用已較為普遍。而對于10 kV系統(tǒng)的自動運行，由于各地供電局對于只能采用電氣閉鎖的方式認(rèn)可程度不一（擔(dān)心電氣閉鎖失效，向電網(wǎng)反送電，因此只批準(zhǔn)手動運行方式），這在一定程度上影響了10 kV系統(tǒng)自動運行的廣泛應(yīng)用。然而，配電自動控制系統(tǒng)的不斷完善與進步，10 kV系統(tǒng)自動運行將在提高供電可靠性、提升維護管理水平方面發(fā)揮更大作用。

［1］ 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院．工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第三版）［M］．北京：中國電力出版社，2005．

［2］ 鐘景華，朱利偉，曹 播，丁麟鋼．新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2010．