10 kV柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)及控制邏輯

李 凱

(上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

目前,數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模越來越大,對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)的可靠性、安全性帶來更大挑戰(zhàn)。柴油發(fā)電機(jī)作為數(shù)據(jù)中心的后備電源,在市電故障情況下使柴油發(fā)電機(jī)更安全、可靠、節(jié)能的運(yùn)行方式投入到整個(gè)供電系統(tǒng)中,為保證數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行提供更有效的保障[1-3]。此時(shí),設(shè)置一套安全、可靠、高效的柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)控制系統(tǒng)是非常重要的。

本文結(jié)合某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,經(jīng)過項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試,簡(jiǎn)述了10 kV柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)及控制邏輯。

1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的規(guī)定

(1) 國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》。后備柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級(jí)不應(yīng)低于G3級(jí),A級(jí)數(shù)據(jù)中心發(fā)電機(jī)組應(yīng)連續(xù)和不限時(shí)運(yùn)行,發(fā)電機(jī)組的輸出功率應(yīng)滿足數(shù)據(jù)中心最大平均負(fù)荷的需要。柴油發(fā)電機(jī)配置需滿足N+X冗余。

(2) 國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA-942-A—2017《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》。各級(jí)別柴油發(fā)電機(jī)規(guī)格:級(jí)別1、2,大小僅能滿足計(jì)算機(jī)和電信系統(tǒng)中電和機(jī)械的需要;級(jí)別3,需滿足計(jì)算機(jī)和電信系統(tǒng)中電和機(jī)械的需要+1備用;級(jí)別4,全部建筑物負(fù)荷+1備用。

(3) 國際標(biāo)準(zhǔn)《Data Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology》Uptime Institute 2018。TierⅢ和Tier Ⅳ引擎式發(fā)電機(jī)系統(tǒng),應(yīng)符合可并行維護(hù)的和/或容錯(cuò)性能確認(rèn)測(cè)試。TierⅢ和TierⅣ機(jī)房的引擎式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)載滿足”N”要求時(shí),不應(yīng)存在連續(xù)運(yùn)營時(shí)數(shù)限制。在滿足“N”要求時(shí)存在連續(xù)操作時(shí)數(shù)限制的引擎式發(fā)電機(jī)適用于TierⅠ或TierⅡ。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目數(shù)據(jù)中心按A級(jí)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),并采用TierⅢ標(biāo)準(zhǔn),柴油發(fā)電機(jī)按N+1配置。項(xiàng)目包括綜合配套A和B樓、數(shù)據(jù)中心C樓、數(shù)據(jù)中心D樓、35/10.5 kV總降壓站E樓、補(bǔ)水泵房F樓、地下室U樓、柴油發(fā)電機(jī)房G樓。數(shù)據(jù)中心C樓設(shè)有IT機(jī)柜1 192臺(tái),D樓設(shè)有IT機(jī)柜1 311臺(tái),IT設(shè)備用電總?cè)萘繛?0 038 kW,其他設(shè)備用電容量為9 700 kW。

采用35 kV雙重電源供電,在35/10.5 kV總降壓站E樓內(nèi)設(shè)2臺(tái)SCZ13-35/10.5 kV-20 MVA干式變壓器;在柴油發(fā)電機(jī)房G樓內(nèi)設(shè)置12臺(tái)10 kV柴油發(fā)電機(jī)(G3級(jí)/1 800 kW/COP),當(dāng)兩路市電失電的情況下,可帶全部負(fù)荷。變電所分布及裝機(jī)容量如表1所示,裝機(jī)容量24.25 MVA,最大需量19.90 MVA。

表1 變電所分布及裝機(jī)容量

3 10 kV柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)及市電故障后的起動(dòng)及切換邏輯

3.1 柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)

該項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)房G樓內(nèi)設(shè)12臺(tái)(11用1備)10 kV柴油發(fā)電機(jī)(G3級(jí)/1 800 kW/COP)柴油發(fā)電機(jī),配置滿足N+1冗余,采用雙母線并機(jī)運(yùn)行系統(tǒng),兩段并機(jī)母線互為熱備,當(dāng)任意一路并機(jī)母線故障時(shí),切斷該母線上的所有的中壓斷路器,由另一路母線帶全部負(fù)荷。在G樓內(nèi)設(shè)并機(jī)控制室A/B,兩個(gè)并機(jī)控制室內(nèi)分別設(shè)置一套10 kV柴油機(jī)并機(jī)配電柜、并機(jī)控制柜、接地控制柜等,配置滿足2N冗余。

供電架構(gòu)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 供電架構(gòu)系統(tǒng)示意圖

3.2 兩路市電故障后,柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)及控制邏輯

柴油發(fā)電機(jī)A路并機(jī)母線PSG-A上共有A14～A18共5路輸出回路;柴油發(fā)電機(jī)B路并機(jī)母線PSG-B上有B14～B18共5路輸出回路。

柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)輸出回路編號(hào)如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)輸出回路編號(hào)

(1) A14連接的A路10 kV母線為BUS-A1,B14的連接B路10 kV母線為BUS-B1。當(dāng)A路10 kV母線BUS-A1的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),同時(shí)當(dāng)B路10 kV母線BUS-B1的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

(2) A15連接的A路10 kV母線為BUS-A2,B15連接的B路10 kV母線為BUS-B2。當(dāng)A路10 kV母線BUS-A2的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),同時(shí)當(dāng)B路10 kV母線BUS-B2的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

(3) A16連接的A路10 kV母線為BUS-A3,由于地下室10/0.4 kV公用配變電所10 kV側(cè)無母聯(lián),柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)信號(hào)取自低壓側(cè)市電進(jìn)線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)。當(dāng)BUS-A3配出的變壓器側(cè)的低壓進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上低壓母聯(lián)開關(guān)不閉合(開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

(4) B16連接的B路10 kV母線為BUS-B3,由于地下室10/0.4 kV公用配變電所10 kV側(cè)無母聯(lián),柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)信號(hào)取自低壓側(cè)市電進(jìn)線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)。當(dāng)BUS-B3配出的變壓器側(cè)的低壓進(jìn)線開關(guān)斷開(開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上低壓母聯(lián)開關(guān)不閉合(開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

(5) A17連接的A路10 kV母線為BUS-A4,B17連接的B路10 kV母線為BUS-B4。當(dāng)A路10 kV母線BUS-A4的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),同時(shí)當(dāng)B路10 kV母線BUS-B4的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

(6) A18連接的A路10 kV母線為BUS-A5,B18連接的B路10 kV母線為BUS-B5。當(dāng)A路10 kV母線BUS-A5的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),同時(shí)當(dāng)B路10 kV母線BUS-B5的市電進(jìn)線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報(bào)警信號(hào),開關(guān)輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),加上市電進(jìn)線開關(guān)柜里的PT失電(市電進(jìn)線開關(guān)柜即發(fā)出報(bào)警信號(hào),輔助觸點(diǎn)狀態(tài):NO變成NC),延時(shí)15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機(jī)組起動(dòng)。

以上6個(gè)條件只要滿足其中一個(gè),柴油發(fā)電機(jī)組立即起動(dòng)?？刂脐P(guān)系為哪個(gè)通路失敗,閉合那路輸出饋電開關(guān)。在以上6個(gè)狀態(tài)下,其中任何一個(gè)輔助觸點(diǎn)由NC變?yōu)镹O,發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)信號(hào)將被撤銷,并執(zhí)行以下步驟:① 發(fā)電機(jī)組將繼續(xù)運(yùn)行并為發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的總線供電;② 遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)手動(dòng)轉(zhuǎn)移到市電;③ 一旦所有負(fù)載傳輸?shù)绞须婋娫?在并機(jī)控制顯示屏上使用手動(dòng)控制來跳閘和停止發(fā)電機(jī);④ 所有發(fā)電機(jī)脫機(jī)后,系統(tǒng)控制PLC自動(dòng)打開真空接觸器。

3.3 并機(jī)控制:

該項(xiàng)目設(shè)置2套并機(jī)控制系統(tǒng),采用2N系統(tǒng)配置冗余,同時(shí)運(yùn)行,互為熱備。當(dāng)任一并機(jī)控制主機(jī)或線路故障時(shí),均不影響并機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

每1臺(tái)發(fā)電機(jī)組配置1個(gè)總負(fù)荷開關(guān)(手動(dòng))和2個(gè)分路中壓斷路器。并機(jī)均衡控制器安裝在12臺(tái)發(fā)電機(jī)主路負(fù)荷開關(guān)柜內(nèi)。在PSG-A的12臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)輸入柜內(nèi)安裝12個(gè)同步控制器,同樣在PSG-B的12臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)輸入柜內(nèi)安裝12個(gè)同步控制器。其控制原理:當(dāng)發(fā)電機(jī)組起動(dòng)后,若手動(dòng)選PSG-A先進(jìn)行同步,其控制先進(jìn)行PSG-A上的同步,然后同步后閉合PSG-A上的12臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)輸入斷路器,然后PSG-B的同步進(jìn)行跟隨,同時(shí)閉合PSG-B上的12臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)輸入斷路器,形成并機(jī)母線A和母線B上的電源雙活的控制。

在PSG-A和PSG-B的所有柴油發(fā)電機(jī)斷路器的輸入口和饋電斷路器的輸出口配置了接地CT,如果PSG-A上的母排發(fā)生短路,只能切斷PSG-A上的開關(guān),不能影響PSG-B上的供電。同樣,如果PSG-B上的母排發(fā)生短路,只能切斷PSG-B上的斷路器,不能影響PSG-A上的供電。

一臺(tái)機(jī)組故障也只能影響連接的2個(gè)通道,切斷A、B通道上的斷路器,不能影響其他機(jī)組的運(yùn)行和其他通道上的斷路器。

3.4 NGR接地柜控制

12臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組配置NGR-A和NGR-B 2套接地柜,每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的工作接地電纜均接入該兩臺(tái)接地柜,可手動(dòng)選擇其中一套NGR為主,另一套為輔。每套接地柜可顯示工作狀態(tài)如下:接地電阻斷開故障信號(hào),接地故障信號(hào),手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài),12個(gè)接觸器的狀態(tài)。

當(dāng)2套接地柜都選為自動(dòng)狀態(tài)下,NGR-A和NGR-B是冗余關(guān)系,互為熱備。如果其中出現(xiàn)一個(gè)電阻斷開故障,則MCP把NGR-A(故障)轉(zhuǎn)換到NGR-B(正常)上,或把NGR-B(故障)轉(zhuǎn)換到NGR-A(正常)上。如果第一臺(tái)機(jī)組同步后閉合其輸入開關(guān),同時(shí)把第一臺(tái)NGR-A機(jī)組的真空接觸器閉合。其他接地電阻柜的真空接觸器保持常開狀態(tài),如果在線的真空接觸器脫扣或其他在線開關(guān)斷開,再閉合余下的其中一個(gè)真空接觸器,即接地電阻接觸器按照單點(diǎn)接地控制,所有的24個(gè)接觸器在任何時(shí)候只有一個(gè)接觸器閉合進(jìn)行單點(diǎn)接地保護(hù)。

4 結(jié) 語

柴油發(fā)電機(jī)作為數(shù)據(jù)中心的整個(gè)供電系統(tǒng)中最后一道用電保障,其一套安全、可靠、高效的并機(jī)控制系統(tǒng)和控制邏輯可使柴油發(fā)電機(jī)組更加有效運(yùn)行,為數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行提供更有效的保障。本項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)采用雙母線并機(jī)系統(tǒng),與常規(guī)的單母線并機(jī)系統(tǒng)對(duì)比,雙母線并機(jī)系統(tǒng)的并機(jī)母線及并機(jī)控制等相關(guān)系統(tǒng),均采用2N配置。當(dāng)任一并機(jī)母線、并機(jī)控制等相關(guān)系統(tǒng)故障,均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該并機(jī)系統(tǒng)的建設(shè)成本相對(duì)較高,而且并機(jī)及控制邏輯相對(duì)復(fù)雜,對(duì)運(yùn)維人員的技術(shù)要求也更高,在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中需結(jié)合項(xiàng)目特性及業(yè)主需求等因素,來制定合理供電架構(gòu)及系統(tǒng)運(yùn)行方案。