淺析新型數(shù)據(jù)中心電力監(jiān)控設計

李昌旺 豐剛明 吳遠培

【摘要】 為了實現(xiàn)大型數(shù)據(jù)中心高低壓配電設備的安全、可靠、自動化運行，提出了融入傳統(tǒng)配電自動化技術的新型數(shù)據(jù)中心電力監(jiān)控設計。新型監(jiān)控系統(tǒng)是集計算機技術、數(shù)據(jù)傳輸、自動化控制技術、智能管理于一體的綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅提高整個數(shù)據(jù)中心的安全性、可靠性、靈活性，而且對提升數(shù)據(jù)中心的運維管理水平有很大的幫助。

【關鍵詞】 數(shù)據(jù)中心 電力監(jiān)控 控制 自動化

隨著信息化技術和IT技術的發(fā)展，各行業(yè)的業(yè)務和數(shù)據(jù)從分散部署走向集中，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量、規(guī)模也在不斷的增長，配套的電力基礎設施也日益增多，因此，傳統(tǒng)的監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足大型數(shù)據(jù)中心電力設備的運維需求，新的電力監(jiān)控系統(tǒng)需以標準性、可靠性、可用性、安全性、先進性為技術原則，采用標準化和開放式設計，同時實現(xiàn)配電設備遠程控制及就地自動化。

一、電力監(jiān)控系統(tǒng)結構設計

新型電力監(jiān)控系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的工業(yè)自動化與IT技術相結合方式，以標準化、集成化、智能化、國際化、組件化設計理念，支持數(shù)據(jù)中心各個智能設備的集成監(jiān)控。其中系統(tǒng)將采用分層、分布、開放式式雙以太網(wǎng)通訊結構，由站控層、間隔層及網(wǎng)絡設備組成，雙網(wǎng)均能同時進線數(shù)據(jù)通信，能實現(xiàn)網(wǎng)絡無縫切換，確保監(jiān)控系統(tǒng)的高可靠性。

站控層采用雙以太網(wǎng)冗余結構，根據(jù)需要可設置數(shù)據(jù)庫服務器、電氣操作員站、電氣工程師站、打印機以及負責與其它系統(tǒng)通信的管理裝置，形成電氣系統(tǒng)監(jiān)控、管理中心。整個監(jiān)控系統(tǒng)采用面向對象、模塊化設思想，遵循國際標準，符合開放性系統(tǒng)的設計要求。

網(wǎng)絡層主要由通信管理單元、交換機等組成。對于10kV綜保裝置，可采用以太網(wǎng)方式直接接入交換機；對于低壓智能儀表、UPS、空調、變壓器、直流屏、精密配電柜等裝置，采用通信管理單元實現(xiàn)規(guī)約轉換和裝置通信。通過“功能插件”可獲得強大的擴展功能，實現(xiàn)即插即用。

間隔層可由就地各變電所，劃分成變電所（一）、變電所（二）、變電所（三）、變電所（四）等子站構成。在站控層網(wǎng)絡失效的情況下，間隔層須能獨立完成間隔層的監(jiān)測和斷路器的就地控制功能。其中保護測控裝置、通訊管理機通過以太網(wǎng)口直接接入系統(tǒng)雙網(wǎng)。（圖1）

二、電力監(jiān)控系統(tǒng)功能設計

電力監(jiān)控系統(tǒng)需要充分考慮電力設備自動化系統(tǒng)的各中應用需求，采用一體化設計，構建開放、強大的集成化平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)配置管理、實時數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡通訊管理、圖像管理、權限管理、告警服務、報表功能、一體化五防、操作票管理、程序化控制、保護信息管理、WEB信息發(fā)布、操作員仿真培訓等數(shù)據(jù)中心電力設備日常運維所需功能。具體功能設計如下：

1）具備程序化操作功能：可在監(jiān)控室監(jiān)控平臺上實現(xiàn)對開關柜的自定義操作控制。

2）具備OPC接口及開放相關協(xié)議，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心其它系統(tǒng)連接。

3）監(jiān)控系統(tǒng)軟件應包括但不限于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、支撐軟件、應用軟件等所有必備軟件。

4）顯示畫面：包括主接線圖、設備分畫面、實時狀態(tài)參數(shù)、保護信息、報警信息等，其中接線圖中的帶電設備須具有顏色標識。

5）數(shù)據(jù)采集與處理：模擬量主要包括電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度、溫度等；開關量包括開關位置、事故信號和預告信號、自動裝置投入及退出信號、開關當?shù)?遠動操作位置信號、變壓器溫度報警信號、超溫跳閘信號等；事件信號包括開關狀態(tài)的變位、綜合保護裝置動作信號、控制操作及操作后狀態(tài)變化等以及事件發(fā)生的時刻、事件性質和名稱。

6）操作控制功能：提供完備的操作控制功能，包括遙控、遙調、保護壓板投退、保護定值整定、信號復歸等。同時控制支持閉鎖功能。

7）報警處理：報警應能分層、分級、分類處理，起到事件的過濾作用，能現(xiàn)場自定義配置報警的處理方式。設置預告信號和事故信號，并產(chǎn)生不同的音響報警及閃光，自動推出相應畫面，對應事故、故障設備的圖形發(fā)生閃動變位，窗口提示事件內容及處理指導。報警信號可在監(jiān)控主機上人工確認復歸。報警同時啟動事件打印輸出功能。

8）事故追憶及顯示畫面：動作發(fā)生時，系統(tǒng)自動啟動相關的測量數(shù)據(jù)記錄，供系統(tǒng)進行事故追憶。要求系統(tǒng)可追憶事故前后全站各個間隔的測量數(shù)據(jù)。并提供曲線、表格等形式選擇想要查看的事故追憶數(shù)據(jù)。

9）歷史數(shù)據(jù)存儲：系統(tǒng)主站設有歷史數(shù)據(jù)庫，記錄實時參數(shù)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、變位、報警、操作記錄等，并能保存一年以上。同時支持歷史數(shù)據(jù)以移動存儲設備方式進行備份。

10）數(shù)據(jù)報表：能提供功能強大、靈活自如的報表編輯工具。能提供典型報表模板，支持自定義編輯及Excel格式導出。報表可顯示數(shù)據(jù)包括：各種歷史采樣數(shù)據(jù)；各種統(tǒng)計值，如最大值、最小值、平均值、峰谷平值等。報表顯示支持數(shù)值、曲線、棒圖、餅圖等。

11）能耗管理：按設備、變電所統(tǒng)計顯示能耗情況，同時可實時顯示數(shù)據(jù)中心PUE值，顯示方式包括折線圖、餅狀圖、柱狀圖等（PUE值=設備總能耗/IT設備能耗）。

12）保護定值修改：監(jiān)控主機能顯示各線路的保護配置并能對所有保護定值進行設置和修改，也能對各保護功能進行投退，以適應開關所內保護多種運行方式，修改時必須輸入相應密碼才能執(zhí)行。

13）諧波分析功能：能對電壓、電流諧波分析，奇次、偶次、總諧波越限等多種啟動方式，顯示諧波頻譜圖以及總諧波畸變率等。

14）一體化五防功能：可根據(jù)運行要求完成操作票的生成、預演、打印、執(zhí)行、記錄；對操作口令、操作權限不符的操作具有閉鎖功能，并在屏幕上顯示拒絕執(zhí)行的原因；操作過程中應能實時、準確采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，保證與實際一次設備狀態(tài)的一致性。

15）安全性管理：系統(tǒng)軟件設置支持多種權限分區(qū)和密級設置，為系統(tǒng)管理員、工程師、一般值班操作人員等提供分級密碼，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，可建立良好的反事故措施。

16）系統(tǒng)對時：監(jiān)控系統(tǒng)配置衛(wèi)星時鐘設備，以接收GPS的標準授時信號，對站控層各工作站及間隔層各單元等有關設備的時鐘進行校正。

17）WEB瀏覽功能：實現(xiàn)WEB方式實時瀏覽設備狀態(tài)、采集參數(shù)、報警信息等，并與電力監(jiān)控系統(tǒng)作正向隔離。

18）聯(lián)動功能：通過與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)視頻聯(lián)動；通過與門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)變電所相關門禁信息查詢。

19）系統(tǒng)滿足如下性能指標：

系統(tǒng)遙信響應時間≤2s

遙測響應時間≤3s

遙控響應時間≤3s

站內事件順序記錄分辨率≤2ms

畫面實時數(shù)據(jù)更新≤3s

控制操作正確率=100%

遙控動作成功率≥99.99%

系統(tǒng)平均無故障間隔時間（MTBF）≥20000h

三、數(shù)據(jù)中心自動化控制設計

電力設備自動化控制在傳統(tǒng)的工業(yè)領域已經(jīng)廣泛應用，例如在火電廠，不但提高了電廠的自動化運轉，更加強了其管理，提升了系統(tǒng)可靠性，避免人為誤操作事故等。因此，加強對大型數(shù)據(jù)中心電力電氣自動化的技術運用，將成為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)“安全、可靠、節(jié)能”運轉的前提之一。以標準的兩段母線分列運行的數(shù)據(jù)中心為例，自動化控制設計如下：1）數(shù)據(jù)中心10KV母線電源在市電正常、一路市電斷電、兩路市電斷電工況下開關的自動化切換，其中一期市電進線開關、發(fā)電機進線開關、母聯(lián)開關分合閘狀態(tài)如下：

2）數(shù)據(jù)中心在10KV母線在兩路市電斷電后，切除所有變壓器出線開關，待應急發(fā)電供電時，各變壓器出線開關能分級自動合閘，以便柴油發(fā)電機組分階加載，從而實現(xiàn)柴油發(fā)電機的正常供電，避免因啟動負荷太大導致油機宕機的事故。

四、智能設備監(jiān)控需求設計

隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，基礎設施設備的數(shù)量也在不斷的增加，電力監(jiān)控系統(tǒng)需將所有設備有效的集中監(jiān)控起來，實時跟蹤各個設備的狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)中心安全、可靠地運行。

1）柴油發(fā)電機并機管理系統(tǒng)監(jiān)控需求：

柴油發(fā)電機組電壓、電流、頻率、轉速、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、機油壓力、水溫、發(fā)電機繞組/渦輪溫度、電池電壓、運行小時等運行參數(shù)

機組手動/自動、運行/停機/自動/負載試驗等工作狀態(tài)

燃油低位、發(fā)動機低溫、機油低壓發(fā)動機高溫、電池低壓、電池高壓、起動失敗、超速、機油低壓、發(fā)動機高溫、發(fā)電機電壓過高/低、頻率過高/低、過電流、逆功率、同步失敗、發(fā)電機內部相間短路、開關不在自動位告警等報警信號

2）測試負載監(jiān)控需求：

電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)

手動/自動、運行/停機等工作狀態(tài)

系統(tǒng)短路、風機故障、高溫故障、急停、過電壓、過電流等報警信號

3）埋地油罐及油泵系統(tǒng)監(jiān)控需求：

日用油箱和埋地油罐油位顯示、液位報警和油溫

供油泵工作和故障狀態(tài)等信息

4）UPS不間斷電源監(jiān)控需求：

輸入電壓/電流/功率、輸出電壓/電流/功率、電池電壓、THD、UPS運行狀態(tài)以

過流/過壓/過溫報警等信號

5）UPS蓄電池組巡檢儀監(jiān)控需求：

電池電壓、溫度、充放電電流等參數(shù)及報警信號

6）直流屏監(jiān)控需求：

輸入輸出電壓、電池電壓/電流等參數(shù)

過/欠壓、絕緣下降等報警信號

浮充、均充運行狀態(tài)

7）變壓器監(jiān)控需求：實時監(jiān)測溫度、報警信號等。

8）空調監(jiān)控需求：實時監(jiān)測溫度、濕度、運行/停機狀態(tài)、報警信號等。

9）電容補償柜監(jiān)控需求：實時監(jiān)測電流、功率、功率因數(shù)、溫度、報警信號等。

10）低壓智能儀表監(jiān)控需求：實時監(jiān)測每一回路的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等。

五、結束語

數(shù)據(jù)中心電力監(jiān)控系統(tǒng)采用自動化控制技術是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)的重大變革，其技術水平將不斷提高，監(jiān)控網(wǎng)絡結構也在不斷地改進。應在滿足運維需求的條件下，不斷開拓設計思路，運用新原理、新技術，優(yōu)化設備工藝，以滿足數(shù)據(jù)中心不斷發(fā)展的需求。

參 考 文 獻

[1]黃益莊. 變電站綜合自動化技術 中國電力出版社

[2]秦建華. 變電站綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡技術的研究和應用 四川大學

[3]金午橋. 變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展策略 電力系統(tǒng)自動化

[4]GB50062-92 《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規(guī)范》

[5]DL5003-91 《電力系統(tǒng)高度自動化設計技術規(guī)程》