李 凱

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

目前,數(shù)據(jù)中心項目的建設(shè)規(guī)模越來越大,對整個供配電系統(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)電機更安全、可靠、節(jié)能的運行方式投入到整個供電系統(tǒng)中,為保證數(shù)據(jù)中心正常運行提供更有效的保障[1-3]。此時,設(shè)置一套安全、可靠、高效的柴油發(fā)電機并機控制系統(tǒng)是非常重要的。

本文結(jié)合某數(shù)據(jù)中心項目,經(jīng)過項目現(xiàn)場實際測試,簡述了10 kV柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)及控制邏輯。

1 現(xiàn)行標準在數(shù)據(jù)中心項目對柴油發(fā)電機的規(guī)定

(1) 國家標準GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》。后備柴油發(fā)電機組的性能等級不應(yīng)低于G3級,A級數(shù)據(jù)中心發(fā)電機組應(yīng)連續(xù)和不限時運行,發(fā)電機組的輸出功率應(yīng)滿足數(shù)據(jù)中心最大平均負荷的需要。柴油發(fā)電機配置需滿足N+X冗余。

(2) 國際標準ANSI/TIA-942-A—2017《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標準》。各級別柴油發(fā)電機規(guī)格:級別1、2,大小僅能滿足計算機和電信系統(tǒng)中電和機械的需要;級別3,需滿足計算機和電信系統(tǒng)中電和機械的需要+1備用;級別4,全部建筑物負荷+1備用。

(3) 國際標準《Data Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology》Uptime Institute 2018。TierⅢ和Tier Ⅳ引擎式發(fā)電機系統(tǒng),應(yīng)符合可并行維護的和/或容錯性能確認測試。TierⅢ和TierⅣ機房的引擎式發(fā)電機系統(tǒng)在負載滿足”N”要求時,不應(yīng)存在連續(xù)運營時數(shù)限制。在滿足“N”要求時存在連續(xù)操作時數(shù)限制的引擎式發(fā)電機適用于TierⅠ或TierⅡ。

2 項目概況

該項目數(shù)據(jù)中心按A級機房標準設(shè)計,并采用TierⅢ標準,柴油發(fā)電機按N+1配置。項目包括綜合配套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、補水泵房F樓、地下室U樓、柴油發(fā)電機房G樓。數(shù)據(jù)中心C樓設(shè)有IT機柜1 192臺,D樓設(shè)有IT機柜1 311臺,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SCZ13-35/10.5 kV-20 MVA干式變壓器;在柴油發(fā)電機房G樓內(nèi)設(shè)置12臺10 kV柴油發(fā)電機(G3級/1 800 kW/COP),當(dāng)兩路市電失電的情況下,可帶全部負荷。變電所分布及裝機容量如表1所示,裝機容量24.25 MVA,最大需量19.90 MVA。

表1 變電所分布及裝機容量

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

3.1 柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)

該項目柴油發(fā)電機房G樓內(nèi)設(shè)12臺(11用1備)10 kV柴油發(fā)電機(G3級/1 800 kW/COP)柴油發(fā)電機,配置滿足N+1冗余,采用雙母線并機運行系統(tǒng),兩段并機母線互為熱備,當(dāng)任意一路并機母線故障時,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荷。在G樓內(nèi)設(shè)并機控制室A/B,兩個并機控制室內(nèi)分別設(shè)置一套10 kV柴油機并機配電柜、并機控制柜、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)電機起動及控制邏輯

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

柴油發(fā)電機并機輸出回路編號如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機并機輸出回路編號

(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的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),同時當(dāng)B路10 kV母線BUS-B1的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

(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的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),同時當(dāng)B路10 kV母線BUS-B2的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

(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)電機起動信號取自低壓側(cè)市電進線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)。當(dāng)BUS-A3配出的變壓器側(cè)的低壓進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上低壓母聯(lián)開關(guān)不閉合(開關(guān)發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

(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)電機起動信號取自低壓側(cè)市電進線開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)。當(dāng)BUS-B3配出的變壓器側(cè)的低壓進線開關(guān)斷開(開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上低壓母聯(lián)開關(guān)不閉合(開關(guān)發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

(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的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),同時當(dāng)B路10 kV母線BUS-B4的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

(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的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),同時當(dāng)B路10 kV母線BUS-B5的市電進線開關(guān)斷開(市電開關(guān)即發(fā)出報警信號,開關(guān)輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),加上市電進線開關(guān)柜里的PT失電(市電進線開關(guān)柜即發(fā)出報警信號,輔助觸點狀態(tài):NO變成NC),延時15 s(可調(diào))柴油發(fā)電機組起動。

以上6個條件只要滿足其中一個,柴油發(fā)電機組立即起動。控制關(guān)系為哪個通路失敗,閉合那路輸出饋電開關(guān)。在以上6個狀態(tài)下,其中任何一個輔助觸點由NC變?yōu)镹O,發(fā)電機控制系統(tǒng)中的發(fā)動機起動信號將被撤銷,并執(zhí)行以下步驟:① 發(fā)電機組將繼續(xù)運行并為發(fā)電機控制系統(tǒng)的總線供電;② 遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)手動轉(zhuǎn)移到市電;③ 一旦所有負載傳輸?shù)绞须婋娫?在并機控制顯示屏上使用手動控制來跳閘和停止發(fā)電機;④ 所有發(fā)電機脫機后,系統(tǒng)控制PLC自動打開真空接觸器。

3.3 并機控制:

該項目設(shè)置2套并機控制系統(tǒng),采用2N系統(tǒng)配置冗余,同時運行,互為熱備。當(dāng)任一并機控制主機或線路故障時,均不影響并機系統(tǒng)的正常運行。

每1臺發(fā)電機組配置1個總負荷開關(guān)(手動)和2個分路中壓斷路器。并機均衡控制器安裝在12臺發(fā)電機主路負荷開關(guān)柜內(nèi)。在PSG-A的12臺發(fā)電機并機輸入柜內(nèi)安裝12個同步控制器,同樣在PSG-B的12臺發(fā)電機并機輸入柜內(nèi)安裝12個同步控制器。其控制原理:當(dāng)發(fā)電機組起動后,若手動選PSG-A先進行同步,其控制先進行PSG-A上的同步,然后同步后閉合PSG-A上的12臺發(fā)電機并機輸入斷路器,然后PSG-B的同步進行跟隨,同時閉合PSG-B上的12臺發(fā)電機并機輸入斷路器,形成并機母線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。

一臺機組故障也只能影響連接的2個通道,切斷A、B通道上的斷路器,不能影響其他機組的運行和其他通道上的斷路器。

3.4 NGR接地柜控制

12臺柴油發(fā)電機組配置NGR-A和NGR-B 2套接地柜,每臺柴油發(fā)電機的工作接地電纜均接入該兩臺接地柜,可手動選擇其中一套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,接地故障信號,手動/自動狀態(tài),12個接觸器的狀態(tài)。

當(dāng)2套接地柜都選為自動狀態(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。如果第一臺機組同步后閉合其輸入開關(guān),同時把第一臺NGR-A機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真空接觸器,即接地電阻接觸器按照單點接地控制,所有的24個接觸器在任何時候只有一個接觸器閉合進行單點接地保護。

4 結(jié) 語

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