A級數(shù)據(jù)中心10 kV自動切換模式探討

摘 要：針對A級數(shù)據(jù)中心對供電可靠性的要求，結(jié)合目前在運維過程中的無人值守模式，對數(shù)據(jù)中心的雙路市電及備用柴油發(fā)電機電源自動切換模式提出了3種不同的方案，對各方案的切換邏輯進行了介紹，對各方案的特點進行分析、總結(jié)和對比，有助于選擇更可靠簡便的切換方式，以保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；電源切換；供配電；2N系統(tǒng)；自動切換；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TU855? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）13-0023-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.006

0? ? 引言

信息技術、網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，使得建立能夠存儲核心數(shù)據(jù)信息的大型數(shù)據(jù)中心成為許多企業(yè)的迫切需求，例如銀行、保險公司、網(wǎng)絡公司等[1]。數(shù)據(jù)中心是指同時具有較大規(guī)模的服務器、存儲/網(wǎng)絡設備等及其他相關硬件設備的集中設施，為更好地保證設備正常運行，務必要保證電力系統(tǒng)正常安全運行，由此可見，大型數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的要求比一般的建筑設施要高。GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》規(guī)定，A級數(shù)據(jù)中心要求供電系統(tǒng)不應因操作失誤、設備故障、外電源中斷、維護和檢修而導致電子信息系統(tǒng)中斷運行[2]。該規(guī)范要求供電系統(tǒng)采用兩路來自不同供電站的市電同時供電、N+1后備柴油發(fā)電機作為后備電源和兩套獨立的后備UPS系統(tǒng)作為不間斷電源的配置，保證A級數(shù)據(jù)中心整體供電的穩(wěn)定性和可靠性。

A級大型數(shù)據(jù)中心一般的電源結(jié)構(gòu)形式為2N雙路市電供電外加柴油發(fā)電機作為備用電源，結(jié)合A級大型數(shù)據(jù)中心的電源結(jié)構(gòu)特征，加上其在運維時一般為無人值守模式，故數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)在10 kV中壓側(cè)需要有自動切換控制系統(tǒng)來保證在10 kV市電出現(xiàn)故障時能快速可靠地切換至應急電源，在10 kV市電恢復時能按照要求切換至市電電源[3]。因此，穩(wěn)定可靠的10 kV中壓側(cè)自動切換控制系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的重要組成部分。

1? ? 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)概述

1.1? ? 數(shù)據(jù)中心簡介

數(shù)據(jù)中心的基礎設施是指為確保數(shù)據(jù)中心的關鍵設備和裝置能安全、穩(wěn)定和可靠運行而設計配置的基礎設施工程，也稱為“機房工程”。鑒于數(shù)據(jù)中心的特殊性和重要性，為了保障其運行的可靠性與穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)就顯得尤為重要[4]。

數(shù)據(jù)中心的供電范圍包括：IT設備、暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和輔助設備，為此所有的供配電設備，包括發(fā)電機、變壓器、各級配電系統(tǒng)、不間斷電源系統(tǒng)等均需要穩(wěn)定可靠運行，將電輸送到最末端的設備是數(shù)據(jù)中心供電最重要的任務[5]。

1.2? ? 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)

A級數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)在配置雙重10 kV市電電源的同時，還配備有10 kV柴油發(fā)電機組作為備用應急電源，在兩路10 kV市電均發(fā)生故障時，柴油發(fā)電機組作為備用電源啟動來給數(shù)據(jù)中心提供電源[6]。

經(jīng)過變壓器變換電壓后，在低壓側(cè)末端配置UPS作為不間斷電源來進行供電，避免中壓或低壓的切換需要一定的時間造成末端的服務器、交換機、存儲等數(shù)據(jù)設備斷電。

2? ? 10 kV側(cè)自動切換模式

A級數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)模式一般為單母線分段，配10 kV柴油發(fā)電機組作為應急電源，發(fā)生市電故障時，一般優(yōu)先對10 kV中壓側(cè)電源進行切換，保證供電穩(wěn)定可靠，因此10 kV側(cè)自動切換邏輯和模式需要嚴格設計，避免中低壓反復切換造成斷路器多次動作，導致一些不必要的故障。

當僅一路市電出現(xiàn)故障或恢復時，兩路市電進行備自投切換，此過程相對比較簡單，一般用綜合保護繼電裝置即可實現(xiàn)。在僅一路母線出現(xiàn)問題，另外一路市電正常供電時，因為目前負載全部加載到無故障的10 kV市電側(cè)，兩路市電備自投切換時無須斷開饋線斷路器，故障路市電恢復后的切換不會出現(xiàn)大量負載突然加載的情況，因此此種切換方式?jīng)]有問題。

基于以上原因，本文僅討論當10 kV側(cè)兩路市電均失電情況下的自動切換模式，此種切換模式需要綜合考慮10 kV側(cè)供電架構(gòu)、低壓側(cè)變配電架構(gòu)、UPS的配置等情況，但是大型數(shù)據(jù)中心的典型供配電架構(gòu)基本一致，具有代表性。

本文按照最典型的A級數(shù)據(jù)中心的變配電架構(gòu)進行討論，圖1為2N模式的典型架構(gòu)圖，以單路10 000 kVA容量為例，配置4臺2 500 kVA變壓器，每臺變壓器后端配置4臺600 kVA不間斷電源為整體供電；設置7臺10.5 kV/1 800 kW（主用）快速自啟動柴油發(fā)電機組作為自備應急電源，按6+1方式并機運行。

自動切換邏輯的主要斷路器狀態(tài)參照表1。

目前自動切換模式主要有以下3種模式：1）饋線斷路器全動作模式；2）市電恢復饋線斷路器不動作、油機供電饋線斷路器動作模式；3）饋線斷路器不動作模式。

2.1? ? 饋線斷路器全動作模式

饋線斷路器全動作模式即市電失電切至柴油發(fā)電機供電，或市電恢復后供電從柴油發(fā)電機切回至市電供電時中壓側(cè)的饋線斷路器全部斷開再合閘供電。此種切換模式能夠大大降低突然合閘加載對柴油發(fā)電機和市電電網(wǎng)的影響，但是此種模式操作過程復雜，整體切換時間較長，容易出現(xiàn)切換問題。

此種模式下，市電從失電到恢復供電的控制邏輯如下：

1）市電斷電：斷開市電進線斷路器（201/202/245）及所有饋線斷路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；2）發(fā)送油機啟動信號，油機啟動成功后并機輸出至油機進線柜；3）油機進線柜合閘（E201/E202）；4）油機供電：饋線斷路器間隔一定時間依次合閘（211/212/213/214/221/222/223/224）；5）市電恢復：斷開油機進線斷路器（E201/E202/245）及所有饋線斷路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；6）市電進線斷路器合閘（201/202）；7）饋線斷路器依次合閘（211/212/213/214/221/222/223/224）。

2.2? ? 市電恢復饋線斷路器不動作、油機供電饋線斷路器動作模式

市電恢復饋線斷路器不動作、油機供電饋線斷路器動作模式即當兩路市電均出現(xiàn)故障時，需要啟動柴油發(fā)電機供電時中壓側(cè)的饋線斷路器全部斷開再合閘供電；市電恢復后供電從柴油發(fā)電機切回至市電供電時，中壓側(cè)的饋線斷路器不動作。此種切換模式一定程度上降低了切換邏輯的復雜性，能夠減少突然合閘加載對柴油發(fā)電機的影響。由于10 kV上級一般為35 kV或110 kV或220 kV變電站，市電容量相對較大，對市電電網(wǎng)的沖擊基本上不大，市電也可以接受此種切換方式。

市電失電再恢復供電的控制邏輯如下：

1）市電斷電斷開市電進線斷路器（201/202/245）及所有饋線斷路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；2）發(fā)送油機啟動信號，油機啟動成功后并機輸出至油機進線柜；3）油機進線柜合閘（E201/E202）；4）油機供電：饋線斷路器間隔一定時間依次合閘（211/212/213/214/221/222/223/224）；5）市電恢復：斷開油機進線斷路器（E201/E202/245）；6）市電進線斷路器合閘（201/202）。

2.3? ? 饋線斷路器不動作模式

由于在市電停電切換至油機供電或油機供電切回至市電供電的過程中有短暫的時間是處于中壓停電狀態(tài)的，此時末端設備是由UPS通過電池進行供電，因此可以利用UPS的聯(lián)合供電功能進一步簡化切換邏輯。

UPS聯(lián)合供電模式指的是UPS從電池供電切換到主路供電時并不是立刻切換過來，而是按照慢慢降低電池帶載的比例、提高主路帶載的比例，直至由電池供電切換到完全主路供電。整個過程持續(xù)10～20 s，主路電流是平穩(wěn)增加的，在切換至油機供電時，油機的帶載率是慢慢提高的，并沒有突然增加到100%，可以有效降低油機的壓力。

由這個模式供電，可以在切換中只對市電進線斷路器、油機進線斷路器、母聯(lián)斷路器5個斷路器進行操作，饋線斷路器無須操作。此種模式可以大大降低切換系統(tǒng)的復雜性，提高可靠性和穩(wěn)定性。

市電失電再恢復供電的控制邏輯如下：

1）市電失電：斷開市電進線斷路器（201/202/245）；2）發(fā)送油機啟動信號，油機啟動成功后并機輸出至油機進線柜；3）油機供電：油機進線柜合閘（E201/

E202，負載由電池慢慢轉(zhuǎn)至油機側(cè)）；4）市電恢復：斷開油機進線斷路器（E201/E202/245）；5）市電進線斷路器合閘（201/202，負載由電池慢慢轉(zhuǎn)至市電側(cè)）。

3? ? 切換模式比較

表2對幾種切換模式進行了對比分析。

通過以上對比可以發(fā)現(xiàn)，如果UPS支持聯(lián)合供電模式，即可在中壓饋線斷路器不斷開的情況下實現(xiàn)市電失電切換至油機供電、市電恢復切回至市電供電的切換過程。

4? ? 結(jié)束語

不同的自動切換模式對整體供電穩(wěn)定性有一定的影響，因此選擇最合適且可靠的切換模式，可以更好地保證10 kV中壓側(cè)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

在UPS具備聯(lián)合供電功能時，可在中壓饋線斷路器不斷開的情況下實現(xiàn)市電失電切換至油機供電、市電恢復切回至市電供電的切換過程。此種模式可以僅對市電進線斷路器、母聯(lián)斷路器、油機進線斷路器進行切換，大大降低了邏輯的復雜程度，大幅度提高了切換系統(tǒng)和切換過程的可靠性及穩(wěn)定性，是一種值得推廣的自動切換模式。

[參考文獻]

[1] 于智勇，徐義.數(shù)據(jù)中心10 kV供配電系統(tǒng)切換自動化工程實踐[J].智能建筑電氣技術，2019，13（3）：79-82.

[2] 數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范：GB 50174—2017[S].

[3] 王海東，苗曉春.數(shù)據(jù)中心10 kV供電系統(tǒng)雙電源切換逐級投切的應用研究[J].電信工程技術與標準化，2019，32（7）：12-14.

[4] 鐘景華，朱利偉，曹播，等.新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 劉林.某A級數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代建筑電氣，2021，12（8）：29-32.

[6] 秦琿.大數(shù)據(jù)中心高壓油機供電模式探討[J].通信電源技術，2020，37（1）：120-121.

收稿日期：2023-02-16

作者簡介：劉藝偉（1986—），男，山東濰坊人，工程師，主要從事數(shù)據(jù)中心電氣架構(gòu)及設計工作。