某数据中心供电系统切换逻辑分析
0概述
数据中心是指为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，可以是一栋或几栋建筑物，也可以是一栋建筑物的一部分。数据中心的电子信息、空调、建筑机电等设备的主要动力能源为电力能源，数据中心的主要生产工作是靠电力驱动的，所以电力系统是数据中心生产运营的核心架构。
GB 50174-2017《数据中心设计规范》中关于各等级数据中心电力系统配置的具体要求详见表1，各级电源系统的配置组成详见表2。
数据中心的完整电力系统是由电源、链路和终端三部分组成，其中链路部分是由各类硬件设备和控制策略来实现的。控制策略就是根据设定好的逻辑关系实现对各级电源系统的切换选择，最终保证电力系统安全可靠地持续运行，满足各种工况的需求。接下来本文将以某数据中心项目为案例，模拟各类运维场景，着重分析10k V供电系统的切换逻辑，以期读者能对数据中心电力系统控制策略有一个清晰的认识。
1 案例背景
该建筑面积10万m2，分A、B两个机房区域，机柜总数量约7 500个，总用电容量50 000k VA。数据中心等级为A级，常、备用电源选择两路110k V市电，采用2N配置，选择2台6.3MW主变，区域内设置110/10k V变电站。应急电源选择10k V柴油发电机组，采用N+1配置，共13台。110/10k V变电站与柴油发电机房结合集中设置，在数据中心机房区域设置10/0.4k V变电站和UPS设备。项目设置一套电力监控自动化操作系统。项目配电系统框架图详见图1。
表1 各级数据中心电气技术要求
表2 数据中心各级电源常见配置
图1 配电系统框架图
2 10k V供电系统切换逻辑说明
2.1 10k V供电系统简图
10k V供电系统简图详见图2。
2.2 系统描述
(1)柴油发电机组G1-1～13向发电机并机母线YJ-A1和YJ-B1各通过13台进线断路器(常开，G1-AH1～G1-AH13,G1-BH1～G1-BH13)分别供电，两段并机母线之间设置联络断路器G1-AH16和隔离手车G1-BH17。
(2)发电机应急备用电源通过并机母线输出断路器G1-AH15,G1-BH16和市电侧进线断路器1107,2207输入到两段10k V市电母线DL-A1和DL-B1。
(3)两路10k V市电通过主进线断路器1108和2208分别输入到两段10k V市电母线DL-A1和DL-B1，两段市电母线之间设置联络断路器1124和隔离手车2224。
图2 10k V供电系统简图
(4)两段市电母线DL-A1和DL-B1分别以放射式电缆线路向各台终端变压器供电。
2.3 五台断路器(1107、1108、2207、2208、1124)之间的联锁关系
根据电气系统安全可靠运行的基本要求及操作规程，并结合供电部门的常规性安全用电要求，对此五台断路器提出如下联锁要求。
(1)市电进线断路器1108或2208合闸时，油机进线断路器1107和2207均不能合闸;反之，油机进线断路器1107或2207合闸时，市电进线断路器1108和2208均不能合闸。
(2)市电进线断路器1108、2208和联络断路器1124之间设置电气联锁，三台断路器只能同时合两台。
(3)油机进线断路器1107、2207和市电侧联络断路器1124之间设置电气联锁，三台断路器只能同时合两台。
(4)市电侧联络断路器1124和油机侧联络断路器G1-AH16之间设置电气联锁，两台断路器只能同时合一台。
(5)联络断路器1124与其相对应的隔离手车2224加联锁，当隔离手车2224处于合位时，1124才可合闸，当1124分闸后，隔离手车2224才可以抽出。
(6)进线断路器1108与其相对应的隔离手车及计量手车联锁，当隔离手车处于合位及计量手车运行位置，1108才可合闸;当1108分闸后，隔离手车及本段计量手车才可以抽出。
(7)进线断路器2208与其相对应的隔离手车及计量手车联锁，当隔离手车处于合位及计量手车运行位置，2208才可合闸;当2208分闸后，隔离手车及本段计量手车才可以抽出。
(8)所有联锁功能均通过断路器的辅助触点实现。
2.4 10k V系统的运行模式
本数据机房内电源系统采用市电优先原则，只有当双路市电均失电的情况下，才启用柴油发电机后备电源系统。
正常运行情况下，两路市电独立供电，柴油发电机并机控制系统、10k V控制系统、0.4k V控制系统和0.4k V ATS均在预设状态下待命。
当一路市电失电，电源自动投切优先级顺序为10k V控制系统→0.4k V控制系统→0.4k V ATS动作。所以各级控制系统动作延时设定原则为:10k V联络断路器投入时间和馈线断路器逐级投入时间总和(t1)<0.4k V控制系统动作时间(t2)<0.4k V末端ATS动作时间(t3)。
当双路市电失电，柴油发电机组经延时(t4)启动，并机成功后自动给两段10k V市电母线同时供电。两段市电母线同时得电后，10k V联络断路器、0.4k V控制系统、0.4k V ATS均保持原有状态不动作。
2.5 运维场景模拟
2.5.1 正常运行
正常运行情况下，两路市电独立供电，两段市电母线各承担50%负载。
2.5.2 单路市电失电情况
(1)当市电B失电时(判定依据为:市电B路电源进线无压，DL-B1段母线无压，市电B进线断路器2208无流，延时3s，跳开市电B进线断路器2208;DL-A1段进线有压，DL-A1段母线有压)，延时5s，由电力监控系统自动合上联络断路器1124并确认其处于合位。当确认联络断路器1124处于合位后，电力监控系统再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器(B路市电后则失压脱扣)，这样整个DL-B1母线段下的负载均由A路电源承担。
(2)当市电A失电时(判定依据为:市电A路电源进线无压，DL-A1段母线无压，市电A进线断路器1108无流，延时3s，跳开市电A进线断路器1108;DL-B1段进线有压，DL-B1段母线有压)，延时5s，由电力监控系统控制器(以下简称“控制器”)自动合上联络断路器1124并确认其处于合位。当确认联络断路器1124处于合位后，控制器再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器(A路市电后则失压脱扣)，这样整个DL-A1母线段下的负载均由B路电源承担。
(3)单路市电失电的情况下，整个电源系统的切换是由电力监控系统自动控制完成，电源系统的投切原则为自投不自复。
2.5.3 双路市电失电情况
(1)在正常运行情况下，或只有一路市电带电的情况下，当检测到两路市电均失电(检测点设在市电A、B路电源进线断路器上端口)，延时3s，跳开市电A进线断路器1108、市电B进线断路器2208及联络断路器1124，所有负载馈线断路器失压脱扣。同时发送发电机启动命令给柴发并机控制系统。确认发电机电源进线断路器1107和2207上端口带电，同时确认市电A进线断路器1108、市电B进线断路器2208和联络断路器1124及所有负载馈线断路器均处于分位后，延时3s合上1107、2207。确认1107和2207处于合位后，电力监控系统再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器。
(2)在柴油发电机送电过程中，若有其中一路柴发电源送电不成功，则逻辑说明:在并机控制系统接收到启动信号后，逐台启动柴油发电机组，当并机控制系统检测到其中一段并机母线电源不达标，则不发出合闸本段输出断路器G1-AH15或G1-BH16的命令。即其中一段柴发并机母线电源故障，可按以下预设方案进行操作。
第一方案:首先确认油机侧联络断路器G1-AH16和市电侧联络断路器1124处于分位，再由并机控制系统合上油机电源达标段的输出断路器G1-AH15或G1-BH16。此时市电侧油机进线断路器1107或2207上端口带电，延时3s，由电力监控系统自动合上油机进线断路器1107或2207，再延时3s，确认市电DL-A1段或DL-B1段母线有压后合上联络断路器1124。确认联络断路器1124处于合位后，电力监控系统再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器。
第二方案:如果第一方案投切不成功(如市电侧联络断路器故障)，先确认并机母线的发电机进线断路器(常开，G1-AH1～G1-AH13或G1-BH1～G1-BH13)处于分位，再确认市电侧联络断路器1124处于分位(否则人工手动分闸)，然后人工手动合闸油机侧的联络断路器G1-AH16，再人工手动合闸油机侧输出断路器G1-AH15合G1-BH16，此时市电侧油机进线断路器1107和2207上端口带电，最后人工手动依次合闸市电侧油机进线断路器1107和2207，并根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器。
2.5.4 恢复市电供电
(1)当整个电源系统是由柴油发电机正常供电时，两路市电同时恢复供电后，由人工手动分断市电侧油机进线断路器1107和2207，并确认市电侧油机进线断路器1107、2207以及联络断路器1124处于分位后，人工手动合上市电A进线断路器1108和市电B进线断路器2208，在确认1108和2208处于合位后，电力监控系统再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器。待市电投入且稳定运行后(此时柴油发电机组仍保持运行)，柴油发电机组的停机程序另行参照相关控制逻辑。
(2)若只有一路市电恢复供电，先由人工手动分断市电侧油机进线断路器1107和2207，并确认市电侧油机进线断路器1107、2207以及联络断路器1124处于分位后，再合上有电侧进线断路器1108或2208和联络断路器1124，在确认1108或2208和联络断路器1124处于合位后，电力监控系统再根据负荷的优先级逐级合上至变压器负载的馈线断路器。待市电投入且稳定运行后(此时柴油发电机组仍保持运行)，柴油发电机组的停机程序另行参照相关控制逻辑。
(3)停机命令判定依据为:市电A路电源进线有压或市电B路电源进线有压或市电A/B路电源进线同时有压，且三台断路器1108、2208、1124中有两台处于合位。但需要考虑在延时发送停机命令到发电机组停机过程中，若市电再次中断供电，应能保证柴油发电机仍处于正常运行状态。
(4)待柴油发电机组应急电源退出运行后，油机侧联络断路器G1-AH16，并机母线上的发电机进线断路器G1-AH1～G1-AH13和G1-BH1～G1-BH13以及侧输出断路器G1-AH15和G1-BH16均处于分闸状态(复位至常规状态)。
2.5.5 市电正常运行情况下一些故障情况操作(二次故障)
(1)在两路市电正常运行状况下，若其中一段市电母线发生故障，则相应的进线保护装置会动作，并发出市电A或市电B进线保护动作信号，系统收到该信号后，延时0.5s，然后跳开故障母线上的所有进线、馈线断路器。此时整个电源系统可由0.4k V系统自动切换或由运维值班人员按预设方案手动完成切换操作。
(2)在一路市电运行情况下，若市电侧联络断路器1124发生故障，此时整个电源系统可由0.4k V系统自动切换或由运维值班人员按预设方案手动完成切换操作。
(3)市电A进线失电，市电B段母线故障情况:建议由运维值班人员按预设方案手动完成切换操作。预设方案为:人工手动启动柴油发电机组，由柴发并机控制系统自动完成并机输出后，在确认市电进线断路器1108、联络断路器1124处于分位后，由人工手动合闸市电DL-A1段油机进线断路器1107，再由人工按负荷级别合闸至变压器的馈线断路器。这样，柴油发电机电源通过市电A段母线给末端负载供电，当A段市电母线下端变压器得电后，低压侧总进线、联络断路器按预设方案自动进行投切。
(4)市电B进线失电，市电A段母线故障情况:建议由运维值班人员按预设方案手动完成切换操作。预设方案为:人工手动启动柴油发电机组，由柴发并机控制系统自动完成并机输出后，在确认市电进线断路器2208、联络断路器1124处于分位后，由人工手动合闸市电DL-B1段油机进线断路器2207，再由人工按负荷级别合闸至变压器的馈线断路器。这样，柴油发电机电源通过市电B段母线给末端负载供电，当B段市电母线下端变压器得电后，低压侧总进线、联络断路器按预设方案自动进行投切。
2.5.6 柴油发电机运行情况下，柴油机发生故障情况
在柴油发电机组正常供电的情况下，若有一台或多台柴油发电机自身发生故障，将由并机控制系统自动控制退出故障机组，同时发出相应指令给电力监控系统，由电力监控系统按预先设定的甩负载方案，将市电侧相应的馈线断路器进行切除。
3 结束语
综上，通过实际工程案例，对10k V供电系统的切换逻辑做了详细的介绍和说明，同时对于柴油发电机系统的控制策略、0.4k V供电系统切换逻辑等也做了简单介绍。从中可知一个完整的供电系统控制策略的制定，需要考虑的因素很多，其中最主要的几个因素就是电源的配置情况、正常运行工况、一次故障运行工况、二次故障运行工况、故障恢复流程以及各子系统的运行策略之间的衔接等。一个真正好的控制策略是电力系统的灵魂，它应该是简单的、可靠的、易操作且响应及时的。衡量一个控制策略的好坏，就看它是否能够真正成为运维人员的工具和助手，真正地为电力系统的安全可靠和可持续运行保驾护航!
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