一種交流電源不間斷割接解決方案

王 虎

（中國移動通信集團安徽有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心、電信運營商機房內(nèi)安裝有大量交流用電設(shè)備，要求7×24 h不間斷供電。設(shè)備上游安裝有大量不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）設(shè)備，在UPS設(shè)備替換、配電設(shè)備負荷轉(zhuǎn)移、供電路由變更時均要求進行不斷電在線割接[1]。目前，主流的交流電不斷電割接技術(shù)需要先將割接前后的電源調(diào)整為同一電源輸入，并將UPS設(shè)備全部設(shè)置為旁路供電模式，但大型數(shù)據(jù)中心、核心機樓均有多路市電輸入且配置多臺變壓器，無法保證相同電源間割接。此外，UPS設(shè)備設(shè)置為旁路模式將失去蓄電池后備保護，一旦割接過程中市電中斷，將直接導(dǎo)致用電設(shè)備宕機。而基于并網(wǎng)同步技術(shù)的交流電源不間斷割接解決方案具備輸入檢測、負載同步、輸出檢測、輸出控制、采樣跟蹤、故障保護以及操作提示等全面完善的應(yīng)用功能，特別適用于大型數(shù)據(jù)中心、核心機樓等具備多路市電輸入、多臺變壓器以及多套UPS系統(tǒng)的割接場景[2]。

1 設(shè)計方案

該交流電源不間斷割接解決方案中，割接裝置可采集割接前后的電源電能參數(shù)，包括輸入電壓、輸入頻率、輸入相序以及輸入諧波含量等。裝置內(nèi)部具有鎖相同步電路，可以在UPS正常逆變工作模式下完成割接操作，一旦割接過程中市電出現(xiàn)異常，蓄電池可作為后備保護，負載不會斷電，安全性較傳統(tǒng)UPS旁路模式割接大大提高，同時開創(chuàng)了不同交流電源間不斷電割接的技術(shù)先河。利用電源設(shè)備和中間分配柜的冗余開關(guān)將割接裝置接入系統(tǒng)，使割接前和割接后的電源設(shè)備并網(wǎng)且同時為用電設(shè)備供電，進而通過相應(yīng)的倒閘操作實現(xiàn)割接全過程用電設(shè)備不斷電。

本文所提方案最大的優(yōu)勢在于不要求割接前后電源必須相同，僅需相序一致即可進行割接操作。方案包括割接步驟提示功能，提示割接人員操作流程并有閉鎖保護，杜絕割接過程誤操作。與此同時，具備電源質(zhì)量檢測告警系統(tǒng)，一旦割接過程中電源質(zhì)量劣化或超出跟蹤范圍，便發(fā)出聲光告警終止割接操作。

2 割接裝置

2.1 裝置組成

不同源交流電在線割接裝置組成如圖1所示。

圖1 割接裝置外觀

割接前A/B/C/N相輸入端子通過電纜與割接后交流電源設(shè)備連接，同時用于接收割接后交流電源設(shè)備的輸入信息，包括電壓、頻率、相序以及諧波含量。割接后A/B/C/N相輸入端子通過電纜與用電設(shè)備前級配電柜空余端子連接，同時用于接收割接前交流電源設(shè)備的輸入信息，包括電壓、頻率、相序以及諧波含量。為了方便理解，后續(xù)將割接前的電源簡稱為第一電源，將割接后的電源簡稱為第二電源。

2.2 電路結(jié)構(gòu)

割接電路設(shè)置于割接裝置內(nèi)部，用于接收第一電源與第二電源的輸入信息，通過內(nèi)部鎖相變換電路使第二電源輸出與第一電源設(shè)備同步，并在合閘按鈕按下時控制第一電源與第二電源導(dǎo)通，以實現(xiàn)兩路電源間的不斷電割接。割接裝置電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 割接裝置電路結(jié)構(gòu)

輸入檢測單元用于檢測第一電源輸入信息和第二電源設(shè)備輸入信息。為了實現(xiàn)對電能質(zhì)量的準(zhǔn)確檢測，采用基于時域的對稱分量檢測方法，將采樣波形轉(zhuǎn)換為時序分量信息后再進行判斷[3]。

在第一電源與第二電源不同步時，監(jiān)控單元能夠發(fā)送同步控制信號給負載同步單元。此外，監(jiān)控單元還能接收合閘觸發(fā)信號，在確定第一電源與第二電源設(shè)備同步時發(fā)送合閘命令給輸出控制單元。

負載同步單元用于接收監(jiān)控單元的同步控制信號，根據(jù)同步控制信號及第一電源的當(dāng)前信息，由過零點檢測電路、鎖相環(huán)電路、計數(shù)器邏輯電路以及相位檢測電路對第二電源的輸入信息進行處理，得到與第一電源同步的電能參數(shù)[4]。其中，電能參數(shù)包括輸入電壓、輸入頻率、輸入相序以及輸入諧波含量等。

輸出控制單元由交流接觸器與合閘信號控制組成，人工按下輸出合閘按鍵，當(dāng)監(jiān)控單元檢測第一電源與第二電源同步且具備合閘條件后發(fā)送合閘命令，此時交流接觸器閉合，第一電源與第二電源并聯(lián)供電。

采樣跟蹤單元用于在割接裝置內(nèi)部交流接觸器合閘前檢測第一電源輸入信息，將結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控單元。與此同時，在內(nèi)部交流接觸器合閘前后，檢測第一電源與第二電源是否同步，如果不同步則發(fā)送信號至保護單元[5]。

保護單元主要接收監(jiān)控單元發(fā)送的電壓超范圍告警、頻率超范圍告警、相序接反告警以及諧波超范圍告警等不同步告警信號，執(zhí)行相應(yīng)的保護動作[6]。

3 割接步驟

該交流電源不間斷割接解決方案實現(xiàn)了在不斷電的情況下，將第一交流電源設(shè)備替換為第二交流電源設(shè)備，為用電設(shè)備供電。割接裝置接線如圖3所示。

圖3 割接裝置接線

在未割接前，第一交流電源設(shè)備通過電源分配柜與用電設(shè)備連接，為用電設(shè)備供電。割接裝置作為中間媒介實現(xiàn)不斷電割接，最終使第二交流電源設(shè)備替代第一交流電源設(shè)備來通過電源分配柜為用電設(shè)備供電。第一交流電源設(shè)備和第二交流電源設(shè)備分別具有蓄電池功能，均可以是UPS設(shè)備。本割接裝置輸入端子通過電纜與第二電源輸出端子連接，輸出端子通過電纜與輸出分配柜的空閑端子連接。電纜連接時端子對應(yīng)的所有斷路器均斷開，能夠防止觸電。

步驟1：閉合第二電源輸出端子上的斷路器，此時割接裝置得電啟動，并檢測第二電源電能參數(shù)，若無告警則進入下一步。

步驟2：閉合電源分配柜輸入端子上的斷路器，通過電源分配柜與第一電源導(dǎo)通。但此時第一電源與第二電源還未同步，因此第二電源與電源分配柜之間還未導(dǎo)通。

步驟3：利用割接裝置確定第一電源與第二電源是否同步，若不同步，則對第二電源參數(shù)進行處理，使其跟蹤第一電源參數(shù)并鎖相，此時顯示屏提示割接裝置具備合閘條件。

步驟4：操作人員按下裝置合閘按鈕，內(nèi)部接觸器吸合，此次第二電源經(jīng)割接裝置轉(zhuǎn)換后與第一電源同步，同時為負載供電。

步驟5：斷開第一電源輸出端子上的斷路器，斷開電源分配柜輸入端子上的斷路器，此時第一電源完全與電源分配柜及負載脫離，第二電源通過割接裝置單獨為負載供電。由于割接裝置檢測不到第一電源參數(shù)，因此轉(zhuǎn)為直通模式供電。

步驟6：將電源分配柜左側(cè)電纜的一端由第一電源的輸出端子割接至第二電源的輸出端子，如圖4所示。

圖4 割接過程中的接線

步驟7：閉合第二電源輸出端子及電源分配柜輸入端子，此時第二電源分別通過割接裝置及直連電纜同時為用電設(shè)備供電。

步驟8：按下割接裝置上的分閘按鈕，裝置內(nèi)部接觸器斷開。斷開第二電源端子、電源分配柜端子，此時割接裝置完全失電。將割接裝置兩端的電纜均拆除，從裝置中移除系統(tǒng)，從而完成割接。

4 結(jié) 論

綜上所述，提出不同交流電源間的不間隔割接技術(shù)，特別適用于大型數(shù)據(jù)中心、核心機樓等割接場景。主備UPS均在正常逆變工作模式下進行割接，割接過程簡單、安全性高。主功率電路接通及斷開由控制單元驅(qū)動交流接觸器動作來取代以往的人工操作，避免誤操作及人身傷害風(fēng)險。程序內(nèi)嵌割接步驟邏輯，違反邏輯將無法接通電路，避免系統(tǒng)短路或設(shè)備意外掉電，具有較強的實用性。