數(shù)據(jù)中心10kV供電自動投切控制系統(tǒng)

劉 贊，孟祥宇，賈恩明，周春旭，崔慧東

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

數(shù)據(jù)中心10kV供電自動投切控制系統(tǒng)

劉 贊，孟祥宇，賈恩明，周春旭，崔慧東

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，社會各界對信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，信息和數(shù)據(jù)量呈幾何級增長，由此對數(shù)據(jù)中心的需求日益增加。因為大型數(shù)據(jù)中心在這些行業(yè)中承載著企業(yè)的核心業(yè)務(wù)，其供電系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，性能要求越來越高，自動投切控制系統(tǒng)的起到了舉足輕重的作用?？刂葡到y(tǒng)針對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)滿足Uptime Tier4標(biāo)準(zhǔn)下進行研究，采用PLC冗余配置的方法搭建系統(tǒng)，同時搭配觸摸屏，實現(xiàn)本地的在線可視化監(jiān)控?？梢员ＷC數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)滿足容錯要求和實現(xiàn)安全可靠的不間斷供電功能。

數(shù)據(jù)中心；供電系統(tǒng)；PLC冗余；自動控制

0 引言

信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得建立能夠存儲核心數(shù)據(jù)信息的大型數(shù)據(jù)中心成為許多企業(yè)的迫切需求，例如銀行、保險、網(wǎng)絡(luò)公司等等。大型數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的要求比一般的建筑設(shè)施要高，Uptime Tier4標(biāo)準(zhǔn)要求供電系統(tǒng)不應(yīng)因操作失誤、設(shè)備故障、外電源中斷、維護和檢修而導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)中斷運行。該標(biāo)準(zhǔn)要求供電系統(tǒng)采用兩路來自不同供電站的市電同時供電、N+1后備柴油發(fā)電機和兩套獨立的后備UPS系統(tǒng)的配置[1,2]。

大型數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)實時在存儲，一旦出現(xiàn)掉電的情況，企業(yè)將會遭受巨大的損失。為此數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)在10kV中壓側(cè)需要有自動投切控制系統(tǒng)保障，在低壓側(cè)有備用電源及UPS系統(tǒng)等，從每個環(huán)節(jié)保證供電的安全可靠性。如何設(shè)計好10kV側(cè)的自動投切控制系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的重要部分。

1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)概述

1.1 數(shù)據(jù)中心簡介

數(shù)據(jù)中心是提供海量數(shù)據(jù)存儲、交換和處理的平臺，它基于高速網(wǎng)絡(luò)的接入。數(shù)據(jù)中心不同于計算機房，它對環(huán)境的要求是非常嚴(yán)格的，例如溫度、濕度、噪聲、照明、磁場干擾等。

數(shù)據(jù)中心通常是指在一個物理空間內(nèi)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理，而計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、通信、存儲設(shè)備等通常認(rèn)為是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵設(shè)備。數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施是指為確保數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵設(shè)備和裝置能安全、穩(wěn)定和可靠運行而設(shè)計配置的基礎(chǔ)工程，也稱為機房工程。因為數(shù)據(jù)中心的特殊性和重要性，為了保障其運行的可靠性與穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)就顯得尤為重要[3]。

數(shù)據(jù)中心的供電范圍包括：IT設(shè)備、供電設(shè)備（包括發(fā)電機、轉(zhuǎn)換開關(guān)、變壓器、各級配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)等）、制冷系統(tǒng)（包括為適度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)）、照明系統(tǒng)和輔助設(shè)備。進行數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)的規(guī)模設(shè)計時，需要充分考慮數(shù)據(jù)中心的可持續(xù)發(fā)展功能，即能保證五年的擴展能力、改造的經(jīng)濟適用性和改造的技術(shù)可行性。

1.2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)中心要保證連續(xù)運行需要滿足兩個基本條件，即不間斷供電和連續(xù)制冷。Uptime Tier4標(biāo)準(zhǔn)要求涉及到任何供電系統(tǒng)有計劃的活動安排，都要保證數(shù)據(jù)中心中關(guān)鍵負(fù)載無中斷運行。關(guān)鍵負(fù)載是指構(gòu)成IT業(yè)務(wù)架構(gòu)的所有IT硬件組件，同時還包括相應(yīng)的安全系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。有計劃的活動安排包括供電系統(tǒng)日常維護修理、更換零部件、增加新設(shè)備或者調(diào)整部件容量、進行部件和系統(tǒng)的測試工作等。供電系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上要求同時存在兩段母線在線運行。所有關(guān)鍵負(fù)載的最大負(fù)荷總和不應(yīng)超過每段母線最大輸出容量的90%。Uptime Tier4標(biāo)準(zhǔn)要求全部IT設(shè)備硬件有具備故障容錯功能的雙電源輸入。數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)具備嚴(yán)格的故障容錯能力，可以保證數(shù)據(jù)中心維持計劃外的故障或運行錯誤時，不會出現(xiàn)機房運行過程中中斷事故。

數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)在配置兩路10kV市電的同時，還配備有柴油發(fā)電機組，且其配電線路同樣也是冗余的。在主供電電網(wǎng)故障是，柴油發(fā)電機組有10～15S的啟動時間，活動斷路器也有百毫秒級的轉(zhuǎn)換時間，但在后級UPS的支撐下，并不會對關(guān)鍵負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生影響。

1.3 供電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及局限性

目前，數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的供電方案主要針對于低壓UPS部分?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心大多采用交流UPS技術(shù)構(gòu)建電源系統(tǒng)，它能提供不間斷的、頻率和幅值誤差可控的電力。但是，交流UPS技術(shù)在供電效率、可靠性、維護和擴展能力方面存在著許多問題。為了解決交流UPS技術(shù)存在的缺陷，數(shù)據(jù)中心采用了HVDC（High-voltage direct current,高壓直流輸電）供電技術(shù)取代了交流UPS技術(shù)（此處的高壓相對于傳統(tǒng)的48V直流供電技術(shù)而言，國內(nèi)有240V、336V兩種規(guī)格）。HVDC采用高壓直流的供電方式，消除了UPS中的逆變環(huán)節(jié)，簡化了UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時提高了電能利用率，可以顯著的降低用戶投入成本。

目前，國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心管理者普遍認(rèn)為只要供電系統(tǒng)中配置了UPS設(shè)備，就能保證供電系統(tǒng)不間斷的供電，實際上情況卻并非如此。UPS依靠電池儲能并向IT設(shè)備等負(fù)載維持不間斷供電，但是UPS的電池容量是有限的，而且，其電池容量在系統(tǒng)投入運行后不允許再擴容。對于現(xiàn)代高功率密度的數(shù)據(jù)中心，UPS的電池容量只能支持市電斷電后關(guān)鍵IT設(shè)備短時間內(nèi)繼續(xù)正常運行，數(shù)據(jù)中心的制冷系統(tǒng)在市電停電后隨之停止工作，如果僅僅依靠機房空間內(nèi)存留的冷量，也只能維持IT設(shè)備繼續(xù)在運行1～2分鐘，數(shù)據(jù)中心機房存在溫度過熱產(chǎn)生的宕機故障。后備柴油發(fā)電機組在市電失電后維持高壓冷機繼續(xù)的持續(xù)制冷，與此同時，它還給UPS供電系統(tǒng)提供交流能源輸入。綜上所述，針對要求持續(xù)運行的高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心，UPS并不能從根本上解決數(shù)據(jù)中心因市電停電而導(dǎo)致的運行中斷故障。當(dāng)市電的故障修復(fù)時間比UPS備用電池支撐時間長時，數(shù)據(jù)中心的IT設(shè)備同樣宕機。所以對于高標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，在設(shè)計其供電系統(tǒng)時，必須考慮在中壓側(cè)供電方向增加冗余交流電源輸入。

2 系統(tǒng)要求

中國人壽數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)是按照Uptime Tier4標(biāo)準(zhǔn)要求建立的，10kV中壓供電由兩路分別來自不同配電所。并且每一路10kV供電都能滿足對數(shù)據(jù)中心所有負(fù)載的供電要求。正常工作時兩路10kV都投入工作，互為備用，每一路均給50%左右的負(fù)荷供電。同時供電系統(tǒng)配有發(fā)電機供電系統(tǒng)，發(fā)電機系統(tǒng)在市電失電時能夠滿足大部分主要負(fù)載的供電。供電結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在供電系統(tǒng)供電時，有可能會出現(xiàn)多種故障情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心掉電，如何在情況發(fā)生時，保證數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的不間斷供電是控制系統(tǒng)的核心問題。

例如：

1）兩路市電供電，其中一路失電的情況；

2）兩路市電都失電的情況；

3）一路進線失電，而另一路母線故障的情況；

4）市電恢復(fù)供電時；

5）正常運行時，母線故障情況；.

6）柴油發(fā)電機運行情況下，柴油機發(fā)生故障情況。

當(dāng)然，還會有其他的情況出現(xiàn)，如果出現(xiàn)上述情況，單純依靠人工操作會延誤時間，不滿足連續(xù)供電的要求。因此需要一套運行穩(wěn)定可靠的自動化控制系統(tǒng)，能夠在各種情況發(fā)生時，自動進行供電系統(tǒng)的調(diào)整。并且能夠給操作人員以及上位集成平臺信息反饋。

圖1 供電結(jié)構(gòu)示意圖

3 10kV自動投切控制系統(tǒng)設(shè)計

10kV自動投切控制系統(tǒng)需要能夠保證自身持續(xù)穩(wěn)定工作的能力，安全可靠的保障供電系統(tǒng)的連續(xù)供電要求。如果當(dāng)控制系統(tǒng)自身出現(xiàn)故障時，該系統(tǒng)應(yīng)該滿足在線的硬件設(shè)施更換，不能因為控制系統(tǒng)自身發(fā)生故障而導(dǎo)致供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題。為了能夠使控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線更換模塊，10kV自動投切控制系統(tǒng)采用冗余的結(jié)構(gòu)配置PLC。本項目中選擇了西門子CPU412-5H系列PLC作為系統(tǒng)的核心控制器，并采用從電源、CPU到I/O模塊均冗余的形式。

3.1 西門子PLC412-5H

西門子S7-400H系列即表示冗余自動化系統(tǒng)，通過將發(fā)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法，H（高可靠性）系統(tǒng)可以實現(xiàn)系統(tǒng)的不中斷工作，H系統(tǒng)冗余了PLC的工作部件，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高可靠性。冗余自動化系統(tǒng)可用來降低生產(chǎn)損失風(fēng)險，與該損失是由系統(tǒng)出錯或者是維護系統(tǒng)所導(dǎo)致無關(guān)。H系統(tǒng)不會因為其中單個的CPU故障問題導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)的癱瘓。H系統(tǒng)內(nèi)各冗余部件實現(xiàn)無擾動切換，PLC不會丟失任何信息。排除故障的時間成本越高，越有必要使用冗余系統(tǒng)。通過避免數(shù)據(jù)中心的運行中斷所造成的損失，可以快速收回冗余系統(tǒng)所占用的較高的投資成本。西門子S7-400H冗余自動化系統(tǒng)適用于無需維護人員人為監(jiān)視或執(zhí)行操作的工作場合。

冗余自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在有冗余設(shè)計的容錯自動化系統(tǒng)中，在容錯技術(shù)下用于需要高可靠性的場合，如再啟動或停機將會造成較大損失的生產(chǎn)領(lǐng)域、需要少量管理和維護的工廠等。

冗余自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：

1）使系統(tǒng)具有冗余的中央功能。

2）加強I/O 的可用性：可自動切換I/O 的配置。

3）熱備功能：在故障事件發(fā)生時自動地切換到備用單元。

4）采用2個單獨的或1個分隔的中央機架配置，使連接到冗余PROFIBUS-DP 上的可切換I/O實現(xiàn)在線更換維修。

因此選擇西門子S400系列的PLC，412-5H能夠滿足本控制系統(tǒng)的要求。

3.2 冗余配置

S7-400H系統(tǒng)冗余原理是兩個CPU同時工作，CPU之間切換不需要時間。I/O為2oo2（2 out of 2）主動冗余，同時工作。

1）CPU冗余

10kV自動投切控制系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心高壓側(cè)供電連續(xù)可靠的保證，為了更好的提高其可靠性，在系統(tǒng)中使用CPU冗余的方式。兩臺CPU412-5H之間通過光纖連接，實現(xiàn)工作的同步，如圖2所示。當(dāng)一臺CPU出現(xiàn)問題時，另外一臺CPU會自動投入使用?？梢栽谙到y(tǒng)運行時，更換其中的一臺CPU，不會影響系統(tǒng)運行。

圖2 CPU冗余結(jié)構(gòu)圖

2）I/O冗余

系統(tǒng)采集現(xiàn)場進線、母聯(lián)、饋出、發(fā)電機等狀態(tài)信息進入PLC，同時PLC根據(jù)情況判斷進行輸出控制相關(guān)斷路器的動作。為了保證系統(tǒng)的可靠性采用I/O冗余的方式。I/O冗余一般有點冗余和模塊冗余，點冗余是在同一個模塊上兩個點是冗余的。當(dāng)兩個單獨的模塊以冗余對的方式被組態(tài)使用時，采用的是冗余I/O方式。這種方式可以使PLC控制系統(tǒng)達到最高的可靠性，因為單個CPU和單個信號模塊發(fā)生故障對于控制系統(tǒng)正常工作均無影響。冗余I/O是通過使用功能塊庫“function I/O redundancy”來執(zhí)行的。這些功能塊只能在S7-400H系統(tǒng)中使用。

本系統(tǒng)是采用相鄰兩個模塊冗余。數(shù)字量輸入通過西門的MTA DI模塊，把一個數(shù)字量輸入點轉(zhuǎn)換為2點并進入相鄰兩個模塊的輸入點。同樣的，PLC輸出點在相鄰兩個模塊同時輸出，通過MTA DO模塊轉(zhuǎn)換為一個輸出控制量控制現(xiàn)場設(shè)備。通過MTA AI模塊進行模擬量輸入的冗余。輸入輸出量進行I/O模塊冗余后可以實現(xiàn)在線的更換I/O模塊而不影響系統(tǒng)的正常運行，保證系統(tǒng)的連續(xù)工作，進而保證供電系統(tǒng)的連續(xù)可靠運行。

3）電源冗余

I/O信號采集的供電采用冗余的方式，兩路供電通過西門子24V電源模塊轉(zhuǎn)換為24V，通過冗余模塊后給I/O供電，當(dāng)其中任何一路電源失電或者其中任何一個電源故障時都不會影響24V電源供電，供電電路如圖3所示。

3.3 觸摸屏設(shè)計

圖3 冗余電源電路圖

系統(tǒng)中觸摸屏作為人機交換的介質(zhì)，取代了按鈕、指示燈的傳統(tǒng)操作方式。操作人員可以直接在觸摸屏上進行操作，簡單方便。選用西門子HMI設(shè)備MP377 15''Touch觸摸屏，與PLC品牌一致。觸摸屏上可以開發(fā)友好的人機界面，本地在線展示斷路器工作狀態(tài)、進線、窺出等電壓、電流，并且可以根據(jù)情況選擇PLC的工作模式，更改程序延時時間參數(shù)。

4 程序設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 PLC程序開發(fā)

中壓PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)中壓自動投切的功能，主要是在硬件架構(gòu)形成的基礎(chǔ)上依靠PLC的運行程序來實現(xiàn)各種故障情況下的控制功能。按照要求有以下八種控制要求。

1）#1進線失電情況；

設(shè)計流程圖如圖4所示。

2）#2進線失電情況；

3）兩路進線失電情況；

4）#1進線失電，2段母線故障情況；

5）#2進線失電，1段母線故障情況；

6）恢復(fù)市電供電；

7）正常運行情況下，母線故障情況；

8）柴油發(fā)電機運行情況下，柴油機發(fā)生故障情況。

根據(jù)第一種情況的程序流程圖，其他七種情況都可以用PLC的軟件程序來實現(xiàn)。通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)，可以考慮多種情況，不影響整體方案的改動。功能中的延時時間T11,T13,T14,T15,T16都可以在觸摸屏上設(shè)置。

在PLC控制機柜上設(shè)有選擇開關(guān)，設(shè)為自投自復(fù)、自投手復(fù)、解除。當(dāng)兩路市電供電，而其中一路失電情況下：

圖4 設(shè)計流程圖

如果選擇為自投自復(fù)，那么PLC自動投切控制系統(tǒng)會自動檢測到一路失電，而自動斷開失電母排的出現(xiàn)斷路器，自動合上母聯(lián)，再自動合上負(fù)荷斷路器；當(dāng)失電恢復(fù)正常時，備自投PLC控制系統(tǒng)會自動切除母聯(lián)，恢復(fù)兩路市電供電的狀態(tài)。

如果選擇自投手復(fù)，那么PLC自動投切控制系統(tǒng)會自動檢測到一路失電，而自動斷開失電母排的出現(xiàn)斷路器，自動合上母聯(lián)，再自動合上負(fù)荷斷路器；當(dāng)失電恢復(fù)正常時，PLC自動投切控制系統(tǒng)不會自動恢復(fù)原來線路供電，而是要靠人為手動恢復(fù)失電線路的供電。

解除功能，選擇解除功能，PLC自動投切控制系統(tǒng)功能將被屏蔽。

4.2 觸摸屏程序

系統(tǒng)中觸摸屏取代了按鈕、指示燈的傳統(tǒng)操作方式。觸摸屏上可以本地在線展示斷路器分合閘狀態(tài)、故障報警，進線、窺出等電壓、電流，母線工作狀態(tài)。并且可以根據(jù)情況選擇PLC的工作模式，更改程序延時時間參數(shù)。觸摸屏界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏界面示意圖

5 結(jié)束語

10kV自動投切控制系統(tǒng)采用西門子可編程控制器412-5H為核心控制器，CPU與I/O雙冗余的方式，可靠的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)功能需求。通過實際調(diào)試，人為模擬各種用電情況，系統(tǒng)能夠自動進行供電模式的切換。通過現(xiàn)場觸摸屏的操作，可以清晰的展示中壓供電系統(tǒng)進線、發(fā)電機、母線、各路饋出的工作狀態(tài)。通過調(diào)整系統(tǒng)切換時各路饋出投切的延時時間，可以達到優(yōu)化供電的目的。系統(tǒng)可以通過Modbus方式與上位機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。整個系統(tǒng)滿足了數(shù)據(jù)中心中壓供電側(cè)連續(xù)供電的需求，對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)發(fā)展起到了積極的作用。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》[S].北京:中國計劃出版社.

[2] Telecommunications Industry Association. ANSI/TIA-942-2005《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》[S].U.S.A:TELECOMMUNICATIONS INDUSTRY ASSOCIATION Standards and Technology Department.

[3] 張廣明,陳冰,張彥和.數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計與建設(shè)[M].電子工業(yè)出版社,2012.06.

[4] 陳茂英.備用電源自動投入裝置的應(yīng)用[J].廣東電力,2007,20(12):55-59.

[5] 張廣明,陳冀生.現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的要求和存在的問題[J].智能建筑與城市信息,2013(6).

[6] 西門子自動化.S7-400用戶手冊[Z].2004:8.

Automatic switching control system of 10kV power supply in data center

LIU Zan, MENG Xiang-Yu, JIA En-Ming, ZHOU Chun-xu, CUI Hui-dong

TM762

：B

1009-0134(2017)06-0031-05

2017-04-10

劉贊（1990 -），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為自動控制與檢測。