數(shù)據(jù)中心中壓供電系統(tǒng)自動投切實例研究

徐 欽，王定軍，張 倩，張友全

（1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.中博信息技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇通信置業(yè)管理有限公司，江蘇 南京 210009；4.中通服網(wǎng)盈科技有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響和數(shù)字經(jīng)濟(jì)、新基建等國家政策的支持，我國的數(shù)據(jù)中心建設(shè)連續(xù)多年保持高速增長，其供電系統(tǒng)的可靠性要求愈加凸顯；而數(shù)據(jù)中心集群化、區(qū)域化的要求，使得數(shù)據(jù)中心單體規(guī)模越來越大[1]。作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施最重要的組成部分，供電系統(tǒng)越來越需要進(jìn)行自動化、智慧化的管理[2]。

本文對某A級數(shù)據(jù)中心10 kV中心供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析其如何利用不同廠家之間的中壓自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（Automatic Transfer Switching，ATS）及備自投母聯(lián)系統(tǒng)實現(xiàn)多種場景下多路市電及柴油發(fā)電機(jī)組之間自投自復(fù)的過程。

1 中壓供電系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB50174—2017），A級數(shù)據(jù)中心機(jī)房應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源[3]。本案例使用兩段10 kV中壓系統(tǒng)，分別從110 kV變電站不同變壓器段引電，每段10 kV中壓系統(tǒng)中包括進(jìn)線柜、出線柜、電壓互感器柜（Potential Transformer，PT）柜以及ATS柜（市電進(jìn)線柜、油機(jī)進(jìn)線柜、ATS控制柜），兩段系統(tǒng)通過中壓母聯(lián)相互聯(lián)絡(luò)，每段10 kV系統(tǒng)通過中壓ATS與柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)出線端切換后輸出。其具體10 kV配電系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 某A級數(shù)據(jù)中心10 kV配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 市電掉電或故障的操作序列

（1）進(jìn)線柜（外市電）、市電進(jìn)線柜、油機(jī)電進(jìn)線柜、母聯(lián)柜，斷路器邏輯說明。

中壓ATS及備自投母聯(lián)邏輯概述：在自投自復(fù)模式下，中壓進(jìn)線單路失電及恢復(fù)，母聯(lián)及饋線等開關(guān)動作；兩路先后失電再恢復(fù)，母聯(lián)、饋線、柴發(fā)進(jìn)線等開關(guān)動作。

（2）進(jìn)線柜（外市電）、市電進(jìn)線柜、油機(jī)電進(jìn)線柜、母聯(lián)柜斷路器間的邏輯關(guān)系。斷路器間的邏輯關(guān)系如表1所示。

表1 斷路器間的邏輯關(guān)系

3 中壓配電系統(tǒng)自動切換工作順序

3.1 任意一路市電失電（復(fù)電）工作順序

3.1.1 兩路市電供電，其中一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電（柴發(fā)不啟動）

（1）正常運行狀態(tài)，市電進(jìn)線開關(guān)QF1、市電進(jìn)線開關(guān)QF2合位，母聯(lián)開關(guān)QF3分位。

（2）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電， 延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（3）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，延時6 s，園區(qū)內(nèi)110 kV變電站備自投動作，自動合母聯(lián)斷路器；

（4）其中任意一路市電（如：市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，如園區(qū)內(nèi)110 kV變電站備自投異常，未自動合母聯(lián)斷路器，延時8 s（上述延時6 s基礎(chǔ)，再延時2 s），1號樓10 kV開關(guān)站備自投動作，自動合母聯(lián)斷路器QF3（QF3合閘判據(jù)之一：檢測失電側(cè)出線柜斷路器開關(guān)量狀態(tài)，出線斷路器合閘位≤兩臺--允許合閘，出線斷路器合閘位大于兩臺--終止合閘，需手動恢復(fù)供電）。

（5）失電的市電（市電1）母線段，通過備自投母聯(lián)帶電，有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

其中任意一路市電（市電2）失電，另一路市電（市電1）有電，邏輯同理。

3.1.2 兩路市電供電，其中一路市電失電（市電1），又恢復(fù)供電

（1）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，失電的市電（市電1）進(jìn)線又恢復(fù)供電（QF1下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動分母聯(lián)斷路器，延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（2）延時5 s（自備自投動作，自動分母聯(lián)斷路器開始計算），備自投動作，自動合市電進(jìn)線斷路器（QF1）。

（3）有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

兩路市電供電，其中一路市電失電（市電2），又恢復(fù)供電，邏輯同理。

3.2 任意一路市電失電，另一路市電也失電時工作順序

其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）也失電（柴發(fā)啟動）。

（1）正常運行狀態(tài)，市電進(jìn)線開關(guān)QF1、市電進(jìn)線開關(guān)QF2合位，母聯(lián)開關(guān)QF3分位。

（2）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，失電的市電母線段，通過備自投母聯(lián)帶電。此時，若另一路市電（市電2）同時失電，ATS控制柜發(fā)出油機(jī)啟動信號，延時3 s，備自投動作，自動分市電進(jìn)線斷路器（QF2）；母聯(lián)開關(guān)QF3分位；延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（3）中壓ATS控制柜發(fā)出油機(jī)啟動信號。

（4）延時8 s（時間可調(diào)），備自投動作，自動分市電進(jìn)線斷路器（QF2）、母聯(lián)斷路器QF3。

（5）柴油發(fā)電機(jī)組啟動并機(jī)輸入至中壓ATS（QF5/QF7下端電纜帶電），有壓延時30 s，ATS控制柜自動合油機(jī)進(jìn)線斷路器（QF5/QF7），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

其中任意一路市電（市電2）失電，另一路市電（市電1）也失電（柴發(fā)啟動），邏輯同理。

3.3 兩路市電失電，任一路市電恢復(fù)供電（順序恢復(fù)1）

（1）柴發(fā)供電狀態(tài)，其中任意一路市（市電1）電恢復(fù)供電（QF1下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動合市電進(jìn)線斷路器（QF1），延時3 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（每隔2 s分1臺，逐級減載，每段共4臺出線柜），減載完成后，ATS控制柜自動分油機(jī)電進(jìn)線斷路器（QF5/QF7）。

（2）有壓延時30 s，ATS控制柜自動合市電進(jìn)線斷路器（QF4），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

（3）市電優(yōu)先：延時10 s（時間可調(diào)），備自投動作，自動合母聯(lián)斷路器QF3（QF3合閘判據(jù)之一：檢測失電側(cè)出線柜斷路器開關(guān)量狀態(tài)，出線斷路器合閘位≤兩臺--允許合閘，出線斷路器合閘位大于兩臺--終止合閘，需手動恢復(fù)供電）。

（4）有壓延時30 s，ATS控制柜自動合市電進(jìn)線斷路器（QF6），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

柴發(fā)供電狀態(tài)，其中任意一路市（市電2）電恢復(fù)供電，邏輯同理。

3.4 當(dāng)兩路市電一路市電帶載后，另一路市電恢復(fù)供電（順序恢復(fù)2）

（1）第一路市電（市電1）有電，失電的市電（市電2）進(jìn)線又恢復(fù)供電（QF2下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動分母聯(lián)斷路器，延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（2）延時5 s（自備自投動作，自動分母聯(lián)斷路器開始計算），備自投動作，自動合市電進(jìn)線斷路器（QF2）。

（3）有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

當(dāng)兩路市電一路市電帶載后，另一路市電（市電1）恢復(fù)供電，邏輯同理。

4 兩路市電自投自復(fù)情景描述

4.1 兩路市電供電，其中一路市電失電，另一路市電有電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電；

（2）2#市電失電，1#市電有電。

4.2 兩路市電供電，其中一路市電失電，又恢復(fù)供電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，由2#市電帶全載，1#市電恢復(fù)供電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，由1#市電帶全載，2#市電恢復(fù)供電。

4.3 兩路市電先后順序失電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，2#市電又失電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，1#市電又失電。

4.4 兩路市電先后順序失電，又陸續(xù)恢復(fù)供電（4種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，2#市電又失電，1#市電先恢復(fù)供電，2#市電再恢復(fù)供電；

（2）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，2#市電又失電，2#市電先恢復(fù)供電，1#市電再恢復(fù)供電；

（3）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，1#市電又失電，1#市電先恢復(fù)供電，2#市電再恢復(fù)供電；

（4）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，1#市電又失電，2#市電先恢復(fù)供電，1#市電再恢復(fù)供電。

4.5 兩路市電先后順序失電，同時恢復(fù)供電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，2#市電又失電，1#市電及2#市電同時恢復(fù)供電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯(lián)合位，1#市電又失電，1#市電及2#市電同時恢復(fù)供電。

4.6 兩路市電同時失電（1種）

1#市電、2#市電同時失電。

4.7 兩路市電同時失電，陸續(xù)恢復(fù)供電（2種）

（1）1#市電、2#市電同時失電，1#市電恢復(fù)供電，備自投動作，母聯(lián)合位，2#市電又恢復(fù)供電；

（2）1#市電、2#市電同時失電，2#市電恢復(fù)供電，備自投動作，母聯(lián)合位，1#市電又恢復(fù)供電。

4.8 兩路市電同時失電，同時恢復(fù)供電（1種）

1#市電、2#市電同時失電，1#市電、2#市電同時恢復(fù)供電。

5 各級備自投動作時間及油機(jī)啟停邏輯

5.1 各級備自投動作時間

（1）園區(qū)內(nèi)110 kV變電站10 kV側(cè)為第一級，備自投時間為6 s；1號樓10 kV開關(guān)站備自投第二級，備自投時間為8 s；1號樓低壓母聯(lián)第三級，備自投時間分別為1樓低壓配電室50 s，2樓低壓配電室60 s，4樓低壓配電室70 s。

（2）備自投投入順序為：第一級＞第二級＞第三級。

5.2 油機(jī)啟動/停止邏輯

2路市電同時失電，由ATS發(fā)信號油機(jī)啟動；當(dāng)任一路市電來電，由ATS發(fā)信號油機(jī)停機(jī)[4,5]。

6 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心中壓供電系統(tǒng)具備自動投切能力非常重要，一是能快速應(yīng)對緊急事件的發(fā)生，提高系統(tǒng)可靠性；二是減少人員的投入，節(jié)約大量的運維人力成本。不同于使用PLC控制器實現(xiàn)各類斷路器分合閘操作的供電系統(tǒng)，本文案例中設(shè)計的中壓供電系統(tǒng)采用的是獨立的中壓ATS、備自投母聯(lián)，通過對各類場景和運行邏輯的設(shè)計，以實現(xiàn)供電系統(tǒng)自投自復(fù)的功能，減少了對PLC控制器的依賴，是一種以可靠小系統(tǒng)實現(xiàn)大系統(tǒng)穩(wěn)定性的典型做法。在對整個供電系統(tǒng)做拓?fù)浞治龊完P(guān)鍵節(jié)點可靠性分析時，能很好地體現(xiàn)其優(yōu)勢。