數(shù)據(jù)中心中壓電源投切方案分析

王 昀，趙祎晨，王 超

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G等信息化時(shí)代新技術(shù)的應(yīng)用與普及，數(shù)字化經(jīng)濟(jì)正與各領(lǐng)域廣泛融合，這也推動(dòng)著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性等提出了更高的要求。

依據(jù)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》：8.1.12條規(guī)定：A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電。Uptime Institute相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 《Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology》：2.4 Tier IV：容錯(cuò)數(shù)據(jù)中心應(yīng)擁有多個(gè)獨(dú)立的物理隔離系統(tǒng)提供冗余容量組件，以及多個(gè)獨(dú)立、不同、主用的分配路徑同時(shí)為關(guān)鍵環(huán)境提供服務(wù)。冗余容量組件和不同的分配路徑配置時(shí)應(yīng)采用的原則是，任何基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障后，“N”容量均會(huì)為關(guān)鍵環(huán)境提供電力和冷卻。

參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)通常采用兩路電源分段運(yùn)行的2N冗余方式，并設(shè)置備用電源。對(duì)于關(guān)鍵負(fù)載(如中壓冷機(jī)、冷源用變壓器等)來(lái)說(shuō)，要求供電電源具有自動(dòng)投切的功能，用于保障負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行，是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可靠性倍受重視。其解決方案包括備自投裝置和中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置。

1 備自投裝置

備用電源自動(dòng)投入裝置簡(jiǎn)稱“備自投裝置”，其組成是由兩臺(tái)斷路器及綜合繼電保護(hù)裝置加一定的邏輯控制以實(shí)現(xiàn)雙電源切換。備自投裝置并非完整獨(dú)立的產(chǎn)品，而是一種能夠?qū)崿F(xiàn)在常用電源發(fā)生故障時(shí)能將備用電源自動(dòng)投入的功能的一種解決方案。

備自投裝置的更迭與繼電保護(hù)裝置一樣，經(jīng)歷了從電磁(整流)型、晶體型、集成電路型到微機(jī)型的主要發(fā)展進(jìn)程?？v觀整個(gè)衍變過(guò)程，主要是對(duì)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)算方法及邏輯功能實(shí)現(xiàn)方式上的改進(jìn)，現(xiàn)階段主流的微機(jī)型備自投裝置是將電流、電壓等模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量開展綜合邏輯分析，將分析結(jié)果作用于相應(yīng)斷路器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源自動(dòng)切換的功能。

依托于微處理技術(shù)的日趨成熟及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的長(zhǎng)足發(fā)展，應(yīng)用可編程控制器(PLC)的備用電源自動(dòng)投入裝置成為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中較為常用的一種解決方案，采用PLC搭建的備用電源自動(dòng)投入裝置控制器，具備若干改進(jìn)特性：可靠性有所提高，PLC減少了繼電器在設(shè)備中的應(yīng)用，時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等均通過(guò)程序及系統(tǒng)內(nèi)存實(shí)現(xiàn)；更具靈活性，控制邏輯通過(guò)更改程序即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需將設(shè)備拆除重新接線安裝。

2 中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)

中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備使用兩臺(tái)帶機(jī)械和電氣連鎖的真空斷路器進(jìn)行切換，既可作為帶線路故障保護(hù)功能的進(jìn)線開關(guān)和切換轉(zhuǎn)換應(yīng)用，也可獨(dú)立應(yīng)用于不具有線路選擇保護(hù)功能的切換開關(guān)，自動(dòng)監(jiān)控和管理電源狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷，快速轉(zhuǎn)換，保障設(shè)備的供電質(zhì)量和連續(xù)性。

中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的組成主要包括：承載進(jìn)線電源及開關(guān)設(shè)備的柜體、真空斷路器、智能控制器、電氣及機(jī)械連鎖等。

(1)柜體：裝設(shè)母線、電流電壓互感器、接地開關(guān)、帶電顯示器、線路保護(hù)及二次設(shè)備等。

(2)斷路器：用于閉合、開斷常用或備用電源，如與控制器分設(shè)柜體，可更好實(shí)現(xiàn)物理隔離。

(3)控制器：用于判斷和執(zhí)行設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)換、可靠動(dòng)作，具備自動(dòng)控制、就地控制及遙控轉(zhuǎn)換等方式。一般集成電源監(jiān)視、邏輯判斷、條件閉鎖、動(dòng)作輸出、事故報(bào)警、事件記錄、通訊組網(wǎng)等功能，除此之外還可以加入發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、負(fù)載逐級(jí)投切等功能。可在進(jìn)線電源端出現(xiàn)失壓、欠壓、過(guò)壓、頻率漂移、任意一相斷相等故障時(shí)控制開關(guān)部分快速切換。

(4)電氣及機(jī)械連鎖：保證了同一時(shí)間內(nèi)只有一對(duì)主觸頭可以實(shí)現(xiàn)閉合，此類連鎖獨(dú)立于控制系統(tǒng)，針對(duì)任何時(shí)候的任何操作均可實(shí)現(xiàn)直接有效的安全保障。

3 中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)與備自投裝置的對(duì)比

3.1 中壓ATS與備自投裝置的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在低壓配電系統(tǒng)中，ATS設(shè)備已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，隨著中壓ATS產(chǎn)品的技術(shù)革新，及新技術(shù)在中壓ATS設(shè)備中的不斷加入與融合，中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)相較備自投裝置更具備普遍的適用性、擴(kuò)展性及便捷的運(yùn)維特性。

中壓ATS設(shè)備具備備自投裝置所不具備的3C、CE等權(quán)威認(rèn)證。由于中壓ATS由設(shè)備廠家成套提供，區(qū)別于備自投裝置的多個(gè)設(shè)備組合，其相應(yīng)的服務(wù)體系更為完備。

備自投裝置是由幾種設(shè)備組成的一套系統(tǒng)，裝置本身的邏輯功能和參數(shù)設(shè)定直接影響了備自投的正確動(dòng)作率。目前，中壓備自投裝置應(yīng)用更為普遍，與中壓ATS裝置相比，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在更好的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 不同特性負(fù)載雙電源切換

雙電源轉(zhuǎn)換閉合過(guò)程中，電流峰值可能高于穩(wěn)態(tài)電流幅值，這取決于負(fù)載特性及閉合瞬間的電壓相位角。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)用的大量電子信息設(shè)備均為電容性負(fù)載，且傳統(tǒng)UPS(Uninterruptible Power System)在不同的負(fù)載率下阻抗特性并不一致，低負(fù)載率下可呈現(xiàn)容性，較高負(fù)載率下呈現(xiàn)感性，而市電直供PSU(Power Supply Unit)電源、高壓直流等技術(shù)，在理論上是帶有功率因數(shù)校正電路的高頻開關(guān)電源類負(fù)載，在高負(fù)載率情況下可以實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)和很好的諧波抑制，但在實(shí)際應(yīng)用中因數(shù)據(jù)中心常采用2N系統(tǒng)冗余配置，在項(xiàng)目初期負(fù)載率均較低，呈現(xiàn)出一定的容性阻抗特性。電容性負(fù)載的電氣特性類似于電容器，若在電容器未充電時(shí)合閘，產(chǎn)生的合閘涌流僅與電路阻抗有關(guān)，涌流最大值發(fā)生在合閘瞬間；若電容性負(fù)載未經(jīng)放電再次合閘，則可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的合閘涌流，開關(guān)轉(zhuǎn)換閉合過(guò)程中的合閘涌流可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，或加速電氣設(shè)備老化致其更易損壞。

對(duì)于感性負(fù)載，當(dāng)從常用電源切換至備用電源時(shí)，負(fù)載會(huì)產(chǎn)生反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)和備用電源電動(dòng)勢(shì)疊加，有可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，或?qū)е卤Ｗo(hù)動(dòng)作，負(fù)載設(shè)備受到極大的機(jī)械應(yīng)力。故轉(zhuǎn)換時(shí)間并非越快越好，尤其對(duì)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載，當(dāng)從常用電源轉(zhuǎn)換為備用電源時(shí)，進(jìn)線端的殘壓可能與正在切換給電動(dòng)機(jī)的電源不同相，電壓的相位差可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。

此外，電源切換控制器還應(yīng)對(duì)下端各路負(fù)載斷路器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，按照可設(shè)定的程序，包括時(shí)間間隔和預(yù)設(shè)順序在轉(zhuǎn)換到備用電源后，逐步投入負(fù)載，防止沖擊電流過(guò)大；并且在斷開備用電源前，逐步斷開各路負(fù)載斷路器，以利于電源電流平穩(wěn)過(guò)渡。

中壓ATS采用多種的控制系統(tǒng)組態(tài)方式，能實(shí)現(xiàn)更加精確的邏輯控制，可靈活設(shè)定特意引入延時(shí)中的暫態(tài)停留時(shí)間，便于儲(chǔ)能負(fù)載釋放能量，例如電動(dòng)機(jī)、整流器、濾波器等；且可通過(guò)控制器與饋線斷路器的配合實(shí)現(xiàn)逐步投入、斷開負(fù)載的操作。

3.3 中壓ATS與備自投裝置的部分技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

部分技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

中壓ATS與備自投裝置對(duì)比 表1

4 中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景

中壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)在數(shù)據(jù)中心的配置，依據(jù)備用電源的不同，主要有兩種應(yīng)用場(chǎng)景，以數(shù)據(jù)中心典型供配電架構(gòu)為例，如圖1所示。

4.1 場(chǎng)景一：備用電源為柴油發(fā)電機(jī)電源

目前數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中市政中壓電源與10kV柴油發(fā)電機(jī)電源的投切，較為成熟的解決方案是運(yùn)用帶有可編程控制器的備自投裝置。中壓ATS借助于其控制器亦可實(shí)現(xiàn)該切換流程。

當(dāng)兩路10kV市電同時(shí)停電時(shí)，自動(dòng)斷開兩路進(jìn)線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)，按設(shè)定邏輯依次切斷負(fù)載，中壓ATS控制器可提供一組發(fā)電機(jī)啟?？刂乒?jié)點(diǎn)發(fā)信給發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，柴油發(fā)電機(jī)完成并機(jī)后，則發(fā)電機(jī)并機(jī)母線上饋線開關(guān)合閘，中壓ATS控制器監(jiān)測(cè)到發(fā)電機(jī)電源參數(shù)指標(biāo)具備帶載條件，控制開關(guān)機(jī)構(gòu)及斷路器完成市電電源與發(fā)電機(jī)電源的切換。

圖1 數(shù)據(jù)中心典型供配電架構(gòu)圖

若發(fā)電機(jī)電源供電時(shí)，一路10kV市電電源先行恢復(fù)，則經(jīng)確認(rèn)市政電源穩(wěn)定后，發(fā)電機(jī)并機(jī)母線饋線開關(guān)分閘，發(fā)電機(jī)啟?？刂乒?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換狀態(tài)使發(fā)電機(jī)停止工作，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)退出供電，控制母聯(lián)合閘，手動(dòng)操作恢復(fù)的10kV進(jìn)線開關(guān)合閘，中壓ATS控制器監(jiān)測(cè)到市電電源恢復(fù)，控制開關(guān)機(jī)構(gòu)及斷路器完成發(fā)電機(jī)電源與市電電源的切換。由該路10kV市電電源同時(shí)為兩段母線供電。

4.2 場(chǎng)景二：備用電源為市電電源

備用電源為市電電源，通常的應(yīng)用場(chǎng)景為兩路10kV母線均以放射式向中壓冷機(jī)供電，在中壓冷機(jī)負(fù)載進(jìn)線側(cè)安裝中壓ATS以實(shí)現(xiàn)供電電源的自動(dòng)切換?？刂破魍瑫r(shí)對(duì)兩路進(jìn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)常用電源參數(shù)正常時(shí)均由常用電源為負(fù)荷供電；當(dāng)常用電源異常，觸發(fā)轉(zhuǎn)換條件時(shí)，經(jīng)過(guò)延時(shí)，切換為備用電源供電，當(dāng)常用電源故障解除，則中壓ATS能夠自動(dòng)將備用電源切斷，轉(zhuǎn)換為常用電源向負(fù)載供電。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心供電可靠性備受關(guān)注，而業(yè)界對(duì)諸如中壓ATS等此類新興產(chǎn)品的應(yīng)用存在顧慮，因此其在業(yè)界的應(yīng)用并不廣泛。