數(shù)據(jù)中心備用電源系統(tǒng)特點(diǎn)及自動(dòng)控制

張瑞杰

（北京中測(cè)信通科技發(fā)展有限公司，北京 100055）

0 引 言

在信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，信息系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的信息量也呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì),對(duì)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求越來越高。為了能夠更好地發(fā)揮出數(shù)據(jù)中心的作用，結(jié)合實(shí)際對(duì)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)和備用電源應(yīng)用問題進(jìn)行探究。

1 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)

A級(jí)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要有3種架構(gòu)，即2N、DR和RR?！稊?shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）在附錄“電氣”中規(guī)定：A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)滿足容錯(cuò)要求，可采用2N系統(tǒng)，也可采用其他避免單點(diǎn)故障的系統(tǒng)配置[1]。

1.2 2N系統(tǒng)

2N供配電系統(tǒng)由兩個(gè)供配電單元組成，每個(gè)單元均能滿足全部負(fù)載的用電需要。兩個(gè)單元同時(shí)工作，互為備用。正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)單元向負(fù)載提供50%的電能，當(dāng)一個(gè)單元故障停止運(yùn)行時(shí)，另一個(gè)單元向負(fù)載提供100%的電能。

1.3 分布冗余系統(tǒng)

分布冗余系統(tǒng)由N（N≥3）個(gè)配置相同的供配電單元組成，N個(gè)單元同時(shí)工作。將負(fù)載均分為N組，每個(gè)供配電單元為本組負(fù)載和相鄰負(fù)載供電，形成“手拉手”供電方式。當(dāng)供配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，其對(duì)應(yīng)負(fù)載由相鄰供配電單元繼續(xù)供電。

1.4 后備冗余系統(tǒng)

后備冗余系統(tǒng)由多個(gè)供配電單元組成，其中一個(gè)單元作為其他運(yùn)行單元的備用。當(dāng)一個(gè)運(yùn)行單元發(fā)生故障時(shí)，通過電源切換裝置促使備用單元繼續(xù)為負(fù)載供電。

2 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)備用電源的選擇

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照用途、定額以及性能可以將發(fā)電機(jī)組的性能具體劃分為G1、G2、G3、G4這4個(gè)等級(jí)。G1級(jí)連接的設(shè)備僅僅規(guī)定了基本電壓和頻率的參數(shù)信息，適合應(yīng)用在照明和電氣負(fù)載中；G2級(jí)連接的設(shè)備電壓特性與電網(wǎng)類似，在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電壓和頻率可以出現(xiàn)些許的偏差；G3、G4級(jí)連接的設(shè)備對(duì)發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率、波形有著較高的要求。

考慮到數(shù)據(jù)中心對(duì)發(fā)電機(jī)組輸出頻率、電壓、波形等的要求，發(fā)電機(jī)組在使用時(shí)其性能等級(jí)不能低于G3級(jí)。G3級(jí)要求柴油發(fā)電機(jī)組突加50%負(fù)載時(shí)，頻率降小于7%，電壓降小于15%。在發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，如果數(shù)據(jù)中心的柴油發(fā)電機(jī)組突加100%的負(fù)載，這時(shí)則需要選擇超過G3級(jí)別的柴油發(fā)電機(jī)組[2,3]。

根據(jù)發(fā)電機(jī)組用途、定額、性能的要求，發(fā)電機(jī)組的輸出功率可以分為持續(xù)功率（Continuous Power，COP）、基本功率（Basic Power，PRP）、限時(shí)運(yùn)行功率（time Limit operation Power，LTP）、應(yīng)急備用功 率（Emergency Standby Power，ESP）。COP無 運(yùn)行時(shí)間限制，為恒定負(fù)載持續(xù)供電的最大功率。PRP無運(yùn)行時(shí)間限制，為可變負(fù)載持續(xù)供電的最大功率。LTP為恒定負(fù)載供電，年運(yùn)行時(shí)間小于500 h。ESP為可變負(fù)載供電，年運(yùn)行時(shí)間小于200 h[4]。

3 備用電源系統(tǒng)的自動(dòng)控制

數(shù)據(jù)中心的備用電源系統(tǒng)容量有限，會(huì)導(dǎo)致備用電源系統(tǒng)存在許多不足。一方面，應(yīng)急系統(tǒng)運(yùn)行中，如果出現(xiàn)一定數(shù)量的機(jī)組故障，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅下降。如果不進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)，則一定延時(shí)后必將低頻停機(jī)，導(dǎo)致備用電源系統(tǒng)徹底崩潰。另一方面，數(shù)據(jù)中心通常對(duì)備用電源系統(tǒng)的裝機(jī)容量有一定冗余要求，如果不考慮負(fù)載率，所有的應(yīng)急機(jī)組一同運(yùn)行就會(huì)導(dǎo)致備用電源系統(tǒng)出現(xiàn)輕載運(yùn)行，增加應(yīng)急發(fā)電的成本。而如果負(fù)載率長(zhǎng)時(shí)間低于30%運(yùn)行，會(huì)嚴(yán)重影響備用發(fā)電機(jī)組的使用壽命。為了確保滿足數(shù)據(jù)中心正常的備用電源需求，不僅需要可靠的發(fā)配電一次系統(tǒng)，而且也離不開具備基本監(jiān)控功能的備用電源二次系統(tǒng)[5]。

數(shù)據(jù)中心備用電源控制系統(tǒng)由系統(tǒng)主控制器、機(jī)組控制器、斷路器輔助開關(guān)、控制電纜等硬件以及相關(guān)監(jiān)控軟件等組成，可以對(duì)配電系統(tǒng)中市電、發(fā)電機(jī)組、并聯(lián)斷路器、應(yīng)急母排、系統(tǒng)主斷路器以及饋線開關(guān)柜等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，確保整個(gè)應(yīng)急備用電源系統(tǒng)正常運(yùn)行。備用電源控制系統(tǒng)不但需要具備市電系統(tǒng)常規(guī)的監(jiān)控功能，而且還必須具有自動(dòng)加減載、自動(dòng)增減機(jī)組的監(jiān)控功能。

3.1 備用電源系統(tǒng)的自動(dòng)加載控制

如果市電失電，控制系統(tǒng)會(huì)開啟備用電源，并監(jiān)測(cè)其輸出電壓和頻率。當(dāng)某機(jī)組的輸出電壓和頻率最先達(dá)到額定值的90%時(shí)，系統(tǒng)控制其并聯(lián)斷路器直接合閘，并將其他機(jī)組向母排送電的方式由直接合閘改為同步并聯(lián)。與此同時(shí)，系統(tǒng)控制應(yīng)急主斷路器合閘，控制優(yōu)先級(jí)最高的饋線斷路器合閘送電。當(dāng)?shù)诙_(tái)機(jī)組同步并上母排后，系統(tǒng)控制第二級(jí)負(fù)載送電。依此類推，當(dāng)所有機(jī)組都并上應(yīng)急母排時(shí)，系統(tǒng)按優(yōu)先級(jí)依次延時(shí)控制剩余饋線送電，直到所有負(fù)載啟動(dòng)運(yùn)行[6]。

3.2 備用電源系統(tǒng)的自動(dòng)減載控制

當(dāng)系統(tǒng)總負(fù)載容量超過應(yīng)急母排上機(jī)組容量的一定比例時(shí)，應(yīng)急母排出現(xiàn)過載。若持續(xù)一段時(shí)間后母排仍然過載，則會(huì)導(dǎo)致備用電源系統(tǒng)頻率永久性下降。此時(shí)，為了防止整個(gè)備用電源系統(tǒng)崩潰并保證重要負(fù)載的正常供電，備用電源會(huì)自行終止相對(duì)較高且不重要的負(fù)載，控制系統(tǒng)繼續(xù)檢測(cè)應(yīng)急母排上總負(fù)載狀況。如果過載狀況消失，則系統(tǒng)立即停止自動(dòng)減載；如果過載狀態(tài)繼續(xù)維持且系統(tǒng)過載持續(xù)的時(shí)間仍然超過正常波動(dòng)時(shí)間，繼續(xù)控制第二級(jí)不重要的負(fù)載卸載。以此類推，直到備用電源系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在用戶負(fù)載可接受的范圍內(nèi)[7]。

3.3 備用電源系統(tǒng)的自動(dòng)增減機(jī)組控制

一般數(shù)據(jù)中心具有可靠性的冗余設(shè)計(jì)，實(shí)際備用機(jī)組裝機(jī)容量一定程度上大于負(fù)載的滿載運(yùn)行容量，系統(tǒng)容易出現(xiàn)長(zhǎng)期輕載運(yùn)行，而這會(huì)加速發(fā)動(dòng)機(jī)老化，提高發(fā)電成本。因此，數(shù)據(jù)中心備用電源控制系統(tǒng)必須具有根據(jù)負(fù)載自動(dòng)增減機(jī)組的功能，即根據(jù)應(yīng)急母排上在線機(jī)組容量與實(shí)際負(fù)載容量的偏差自動(dòng)退出在線運(yùn)行機(jī)組或自動(dòng)啟動(dòng)冷備用機(jī)組上線運(yùn)行。備用電源控制系統(tǒng)的自動(dòng)增減機(jī)組不僅能夠延長(zhǎng)備用機(jī)組的使用壽命，而且還能有效降低備用電源系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。數(shù)據(jù)中心備用電源控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)急母排負(fù)載實(shí)際容量自動(dòng)增減在線運(yùn)行機(jī)組時(shí)，需要先確定自動(dòng)增減機(jī)組的優(yōu)先級(jí)。自動(dòng)增減機(jī)組的優(yōu)先級(jí)可根據(jù)數(shù)據(jù)中心的具體情況按機(jī)組運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)確定，也可直接采用固定優(yōu)先級(jí)[8]。

如圖1所示，按固定優(yōu)先級(jí)方式自動(dòng)增減機(jī)組時(shí)，運(yùn)行人員需根據(jù)備用電源系統(tǒng)所有機(jī)組的現(xiàn)有狀況指定自動(dòng)增加和自動(dòng)退出機(jī)組的次序，自動(dòng)增加機(jī)組的次序與自動(dòng)退出機(jī)組的次序相反。

圖1 數(shù)據(jù)中心備用電源系統(tǒng)自動(dòng)增減機(jī)組控制

根據(jù)圖1，#1機(jī)組始終在線運(yùn)行,自動(dòng)增加機(jī)組的優(yōu)先次序是#2、#3、#4機(jī)組,自動(dòng)退出機(jī)組的次序是#4、#3、#2機(jī)組。按機(jī)組運(yùn)行時(shí)間確定機(jī)組增減優(yōu)先級(jí)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間即時(shí)自動(dòng)確定系統(tǒng)自動(dòng)增加機(jī)組和自動(dòng)退出機(jī)組的次序。需要增加機(jī)組時(shí)，運(yùn)行時(shí)間最短的冷備用機(jī)組優(yōu)先啟動(dòng)運(yùn)行；需要退出運(yùn)行機(jī)組（系統(tǒng)在線運(yùn)行機(jī)組容量超過負(fù)載實(shí)際容量一定數(shù)值）時(shí)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的在線機(jī)組優(yōu)先離線停機(jī)[9]。

數(shù)據(jù)中心市電失電時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)所有應(yīng)急機(jī)組運(yùn)行，而后自動(dòng)控制負(fù)載。按加載優(yōu)先級(jí)依次送電，經(jīng)過一定穩(wěn)定運(yùn)行延時(shí)后，備用電源控制系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)增減機(jī)組監(jiān)控。如果退出一臺(tái)在線運(yùn)行機(jī)組時(shí)，應(yīng)急母排的負(fù)載率小于系統(tǒng)設(shè)置的自動(dòng)減少在線機(jī)組的負(fù)載率（案例中為60%）且持續(xù)時(shí)間超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，則系統(tǒng)將按自動(dòng)增減機(jī)組優(yōu)先級(jí)控制一臺(tái)在線機(jī)組離線停機(jī)并繼續(xù)監(jiān)測(cè)應(yīng)急母排負(fù)載率。如果實(shí)際負(fù)載率上升超過應(yīng)急系統(tǒng)增加機(jī)組的負(fù)載率（案例中為80%）且持續(xù)時(shí)間超過系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，則系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的自動(dòng)增加機(jī)組優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)一臺(tái)冷備用機(jī)組并聯(lián)到應(yīng)急母排運(yùn)行。依此類推，控制系統(tǒng)通過自動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)急母排上的負(fù)載率自動(dòng)控制機(jī)組的啟動(dòng)運(yùn)行和離線退出，直到市電恢復(fù)供電后備用電源系統(tǒng)退出運(yùn)行為止[10]。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)研究了備用電源系統(tǒng)控制的幾種方式，對(duì)數(shù)據(jù)中心能源管理進(jìn)行了深入探討，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)主控制器負(fù)載需求和自動(dòng)加減載功能的重要性，對(duì)備用電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)際工程應(yīng)用具有重要的借鑒意義。