婁潔良，周 堅

（中國電信股份有限公司 上海分公司，上海 200120）

0 引 言

高等級數(shù)據(jù)中心的負載一般要求提供兩路互為冗余的市電加自備油機電源予以保障，由此數(shù)據(jù)中心一般都會引入兩路市電，當兩路市電均正常時，每路市電各承擔部分負載，當一路市電故障時，由另一路市電承擔全部負荷，當兩路市電全部故障時則由油機進行供電。因此，兩路市電中單路的平均負載率必須控制在50%以下。

某數(shù)據(jù)中心引入3路市電，通過一定的策略使3路市電和自備油機電源相互配合，為負載提供兩路市電加油機電的保障。運行模式為當3路市電正常時，每路市電各承擔數(shù)據(jù)中心的1/3負載；當一路市電故障時，另兩路市電分擔全部負載；當兩路市電故障時，由剩余一路市電和自備油機分擔全部負載；3路市電全部故障時，再由油機對全部負載進行供電。由此，每路市電的經(jīng)常性負載率理論上可以提升至67%，3個主變壓器也因此運行在其高效區(qū)內(nèi)。該供電模式在不降低負載供電保障等級的前提下提升了市電資源利用率和變壓器的運行能效，給數(shù)據(jù)中心的運營帶來了極大的益處[1]。

本文闡述了該數(shù)據(jù)中心3路市電變配電系統(tǒng)的設計策略、運行策略以及自動控制策略，并對這3個方面所涉及的關鍵技術進行研究。

1 變配電供電系統(tǒng)設計策略

某數(shù)據(jù)中心按國標A級標準進行設計，全機樓規(guī)劃負載接近40 000 kV·A，機樓內(nèi)絕大部分負載都要求兩路市電加油機電源保障。經(jīng)與供電部門充分溝通后，從前級不同的35 kV開關站引入3路獨立的市電電源，每路容量為20 000 kV·A。數(shù)據(jù)中心內(nèi)設置20 000 kV·A的35 kV/10 kV主變壓器3臺,主用功率2 000 kW的10 kV柴油發(fā)電機20臺，油機與市電間的切換在35 kV變電站內(nèi)10 kV側進行。35 kV變電站內(nèi)的供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 35 kV變電站供電系統(tǒng)圖

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心負載提供兩路市電加油機電源的高等級供電保障，在35 kV/10 kV的供電方案設計中采取了如下策略：

（1）每臺主變壓器下掛兩段獨立母線，不同主變壓器下相鄰兩段母線之間設聯(lián)絡開關，通過聯(lián)絡開關可將3臺主變壓器下的6段母線環(huán)形相連。平時聯(lián)絡開關分閘運行，當某一段母線失電時，其下掛負載可通過聯(lián)絡開關的閉合由其他母線進行供電。

（2）每段母線引入油機電源。20油機分成了A、B兩組，每10臺油機為一組并機運行。油機群A供母線1、母線3和母線5，油機群B供母線2、母線4和母線6，即每個油機群承載3段母線的下接負載。

（3）數(shù)據(jù)中心內(nèi)的所有負載分成功率相近的3組，每組負載由兩臺主變壓器下相鄰的可聯(lián)絡的兩段母線上各取一路電源進行供電。為使供電系統(tǒng)更具靈活性，這兩路電源在機樓后級的配電系統(tǒng)中也設置了切換裝置，通過切換裝置可選擇任一路電源進行供電，切換裝置的動作延時時間設定為35 kV變電站內(nèi)對應的聯(lián)絡開關合閘耗時再加5 s。

（4）油機啟停的控制策略為：單路市電故障時油機不啟動，當任意兩路或三路市電都出現(xiàn)故障時，油機群A和油機群B同時啟動。當有兩路或三路市電恢復正常后，油機群A和油機群B同時停機。

（5）為防止操作失誤導致同一段母線下出現(xiàn)多個電源并列運行，同段母排下的市電受電開關和油機開關間設置電氣聯(lián)鎖，確保兩個開關不能同時合閘；油機開關和該段母排的聯(lián)絡開關間設置電氣聯(lián)鎖，確保兩個開關不能同時合閘；兩臺主變壓器下相鄰兩段母線的市電受電開關與該兩段母線之間的聯(lián)絡開關進行電氣聯(lián)鎖，確保3個開關只能同時合閘兩個[2]。

從35 kV變電站供電系統(tǒng)的設計策略中可以看出其中的關鍵技術點：

（1）為充分利用市電資源，引入的三路市電的容量宜相等。數(shù)據(jù)中心的負載最大可以達到引入市電（主變壓器）總容量的2/3，市電容量上實現(xiàn)用二備一的運行模式。

（2）將數(shù)據(jù)中心總負載分成功率相近的3組后，每組負載由兩段母線冗余供電，日常應均衡運行在這兩段母線下，即每段母線承載總負載的1/6，單臺主變壓器帶載其額定容量的2/3。當一段母線失電需要互為冗余的另一段母線進行供電時，聯(lián)絡開關合閘，數(shù)據(jù)中心的一組負載將由那一段母線全部帶載，此時對應的主變壓器將滿載。

（3）負載的兩路市電保障，可以在35 kV變電站內(nèi)10 kV側通過母線聯(lián)絡實現(xiàn)，也可以在后級的供電系統(tǒng)中切換。當供電系統(tǒng)中設置了多處切換功能時，應確定切換優(yōu)先級，防止多級電源切換裝置的頻繁動作影響負載的正常運行。

（4）自備發(fā)電機的容量應能滿足三路市電全部故障時的最不利場景。油機群進行分組供電是為了減少油機的并機數(shù)量，提供安全性，與市電引入兩路或三路無關。

（5）為杜絕同段母線下不同電源的沖突運行，除了制定正確的運行策略外，在相關開關柜之間還必須設置聯(lián)鎖裝置。

2 變配電供電系統(tǒng)運行策略

相比較于兩路市電加一路油機電源的常規(guī)供電系統(tǒng)，三路市電加兩個油機電源的供電系統(tǒng)運行模式相對復雜。以三路市電的正常與否作為場景的判斷依據(jù)，在不同場景下35 kV變電站內(nèi)各母線段的市電受電開關、油機開關以及母線聯(lián)絡開關的開合閘狀態(tài)如表1所示。

表1 市電受電開關、油機開關和母線聯(lián)絡開關開合閘狀態(tài)組合表

表1中各類開關的開合閘狀態(tài)的確定原則是：

（1）當三路市電正常時，六段母線都由各自對應的市電供電，油機不啟動。

（2）當一路市電故障時，其下掛的兩段母線由其他兩路市電供電，油機不啟動。

（3）當兩路市電故障時，第三路市電和兩個油機群各承載數(shù)據(jù)中心的一半負載。市電受電開關、油機開關和聯(lián)絡開關狀態(tài)會出現(xiàn)兩種組合，以甲乙市電發(fā)生故障為例，丙路市電可以承載母線1、母線5、母線6，也可以承載母線4、母線5、母線6。

（4）當三路市電同時故障時，油機群A、油機群B承載所有負載。

（5）三路市電同時故障時由油機供電給全部負載，當恢復一路市電后，該路市電承載兩段母線，其余4段母線由油機群A、油機群B承載。

在運行策略中，除了要做好在各種場景下各個開關的分合閘狀態(tài)選擇外，還需確定在場景切換時，各開關的投切順序以及負載的延時投切，前者是要避免在切換過程中出現(xiàn)同一母線下多個電源的并列運行現(xiàn)象，后者是因為35 kV變配電系統(tǒng)的后接負載除了10 kV高壓冷水機組外，均為10 kV/380 V變壓器。為避免多個變壓器同時投入時產(chǎn)生的勵磁涌流對市電受電開關或油機開關的干擾，以及突加減負載過大對油機的沖擊，每段母線下各個負載的饋線開關需要間隔數(shù)秒以上延時再動作[3]。

在各種場景轉換時，各個開關的分合閘操作順序應遵循以下規(guī)律：

（1）若場景發(fā)生轉換時原先給母線供電的電源失電，需要轉由新的電源進行供電，則應將前一場景中對母線供電的市電受電開關或油機開關或聯(lián)絡開關先分閘，再將全部饋線開關同時分閘，然后合閘新的供電電源開關，最后將饋線開關逐個延時合閘。

（2）若場景發(fā)生轉換時原先給母線供電的電源仍處于有電狀態(tài)，但需要對供電電源進行更換，如果原來的供電電源是市電，則將前一場景中對母線供電的市電受電開關或聯(lián)絡開關先分閘，再將全部饋線開關同時分閘。如果原來的供電電源是油機電源，則先將饋線開關逐個延時分閘，再分閘前一場景中對母線供電的油機開關，然后合閘新的供電電源開關，最后將饋線開關逐個延時合閘[4]。

綜上所述可以看出，三路市電供電系統(tǒng)的運營策略較為復雜，在梳理其規(guī)律后可以總結出其中的關鍵技術點：

（1）每段母線都可以通過市電受電開關、油機開關以及聯(lián)絡開關進行供電，但各種場景下只能有一個供電電源，所以在每種場景下，這15個開關只能有6個處于合閘位置，而在不同變壓器下相鄰的兩段母線中只能有兩個處于合閘位置。

（2）由于相鄰的兩段母線分別由兩組油機群供電，且兩組油機群同時啟動，因此在油機開關合閘時相鄰的母線聯(lián)絡開關必須分閘。

（3）兩路市電故障時，15個市電受電開關、油機開關以及聯(lián)絡開關有兩種分合閘狀態(tài)的組合，優(yōu)先選擇哪種組合的原則是從前一場景轉換至這一場景時改變開關分合閘狀態(tài)數(shù)量較小的那個組合。

（4）不同的場景轉換過程中需考慮各開關的投切順序以及負載的延時投切。

3 變配電供電系統(tǒng)自控策略

三路市電的正常與否組合構成了供電系統(tǒng)的14種運行場景，每種場景間的切換涉及幾十個開關的操作。如果靠維護人員手動操作，不但易發(fā)生誤判及誤操作，而且耗時會很長，難以滿足數(shù)據(jù)中心持續(xù)供電供冷的要求，所以該數(shù)據(jù)中心利用可編程邏輯控制器PLC技術建設了一套自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)在市電工況出現(xiàn)變動的情況下對供電系統(tǒng)進行自動操控，及時進行不同電源間的切換以及負載的投切，保證了數(shù)據(jù)中心的供電連續(xù)性[5]。

3.1 在PLC自控系統(tǒng)的建設中采用的策略

3.1.1 PLC控制裝置輸入輸出信號的選擇

PLC控制裝置的信號輸入用于判斷供電電源以及10 kV開關柜、油機群的運行狀態(tài)。檢測供電電源狀態(tài)的信號包括10 kV市電進線電壓和電流、油機進線電壓、10 kV母線電壓；檢測10 kV開關柜及油機群狀態(tài)的信號包括手車工作位/試驗位、開關分閘位/合閘位、接地刀閘位、遠方/本地控制位、綜保裝置保護總信號、油機運行狀態(tài)。

PLC控制裝置的信號輸出用于操控10 kV開關柜內(nèi)開關及油機群的啟停。輸出控制信號包括開關合閘、開關分閘、油機啟動、油機停機。

3.1.2 供電電源正常與否的判斷

（1）市電電源失電、有電判據(jù)。市電進線同時滿足無電壓無電流且持續(xù)5 s判定為市電電源失電。3個線電壓中出現(xiàn)兩個及以上無壓信號判定為無壓，3個相電流中出現(xiàn)兩個及以上無流信號判定為無流。市電進線出現(xiàn)有壓信號或有流信號即判定為市電電源有電。3個線電壓出現(xiàn)兩個及以上有壓信號且持續(xù)5 s判定為有壓，3個相電流中出現(xiàn)兩個及以上有流信號且持續(xù)5 s判定為有流。

（2）油機電源失電、有電判據(jù)。油機進線3個線電壓中出現(xiàn)兩個及以上無壓信號且持續(xù)5 s判定為油機電源失電，出現(xiàn)兩個及以上有壓信號且持續(xù)5 s判定為油機電源有電。

（3）母線失電、有電判據(jù)。母線3個線電壓中出現(xiàn)兩個及以上無壓信號且持續(xù)5 s判定為母線失電，出現(xiàn)兩個及以上有壓信號且持續(xù)5 s判定為母線有電。

3.1.3 開關所處分合閘位置的判斷

同時采集每個開關的分閘位和合閘位信號，再進行相互校驗。

3.1.4 允許開關執(zhí)行分合閘動作的條件判斷

允許開關執(zhí)行分合閘動作必須同時滿足場景判據(jù)和閉鎖條件，場景判據(jù)是指在表1中列出的14種供電場景，各類開關的閉鎖條件除了必須處于工作位及遠方控制位以外，其他如下文所述。

（1）市電受電開關。合閘：母線聯(lián)絡開關、油機開關、市電受電開關處均處于分位，母線失電。分閘：市電受電開關處于合位。

（2）油機開關。合閘：母線聯(lián)絡開關、油機開關、市電受電開關均處于分位，油機電源有電，市電電源失電，母線失電。分閘：油機開關處于合位。

（3）母線聯(lián)絡開關。合閘：聯(lián)絡的兩條母線中有一條母線的油機開關和市電受電開關均處于分位，油機電源和市電電源失電，母線失電，該聯(lián)絡開關處于分位。分閘：該聯(lián)絡開關處于合位。

（4）饋線開關。合閘：饋線開關和接地刀處于分位。分閘：饋線開關處于合位，接地刀處于分位。

3.1.5 油機啟停的條件判斷

發(fā)出油機啟動信號的條件為兩路及以上的市電失電，發(fā)出停機信號的條件為兩路及以上的市電有電。

3.1.6 非正常場景下的應對方案

（1）如果系統(tǒng)正處于場景切換過程中，三路市電供電狀況又發(fā)生了新的變化，自控系統(tǒng)將終止原流程中尚未執(zhí)行的步驟，跳轉重新執(zhí)行新場景下的流程步驟。

（2）PLC在發(fā)出每一步控制信號前，先對發(fā)出的前一控制信號對應的開關或油機執(zhí)行返回狀態(tài)進行檢查，一旦檢測到市電受電開關、油機開關、母線聯(lián)絡開關、油機啟動任一項控制信號的執(zhí)行發(fā)生故障，系統(tǒng)將發(fā)出告警，并終止繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)流程，如檢測到饋線開關或油機停機的控制信號發(fā)生故障，系統(tǒng)在發(fā)出告警后，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)流程直至結束。

（3）若10 kV開關因綜合繼電保護裝置發(fā)出指令而發(fā)生保護跳閘動作，則PLC控制裝置對開關的分合閘控制信號失效。

3.2 關鍵技術點

對如此復雜的供電系統(tǒng)進行自動操控，安全可靠是關鍵。該數(shù)據(jù)中心利用PLC技術建設自控系統(tǒng)，其關鍵的技術點如下文 所述。

（1）PLC控制系統(tǒng)的輸入采集信號以及輸出控制信號，都應通過電氣硬接線的方式保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

（2）PLC控制系統(tǒng)自身的故障不能影響供電系統(tǒng)的安全運行，主要部件如中央處理單元（CPU）、電源模塊等的冗余配置、熱備方式運行、自檢發(fā)現(xiàn)故障時發(fā)出告警信號等都是有效手段。

（3）對關系到場景切換的信號采集采取冗余互校機制，避免由于單一檢測元件故障或開關機械故障造成誤判誤動作。為避免前一控制信號未得到正確執(zhí)行導致后續(xù)誤動作，在發(fā)出每一步控制信號前，先對前一信號的執(zhí)行結果予以確認。

（4）在允許各類開關分合閘的邏輯判斷中設置開關操作的優(yōu)先級，即當10 kV開關柜處于試驗位、本地狀態(tài)或綜合保護繼電裝置發(fā)生動作后，PLC遙控指令信號失效。這些邏輯判據(jù)再結合10 kV開關柜內(nèi)安裝的電氣聯(lián)鎖裝置，可最大程度避免誤操作，并為日常維護工作提供方便。

4 結 論

在數(shù)據(jù)中心引入三路市電的供電模式下，維持對負載提供兩路市電加油機電源的保障等級，供電系統(tǒng)的建設方案和運行策略都會相對復雜，但寶貴的市電資源利用率會得到較大幅度的提高，數(shù)據(jù)中心項目的效益也會因此而提升。