張曉艷 蔣毓博

中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司

0 引言

國家近期出臺的《關于加快構建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導意見》和工信部印發(fā)的《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021-2023 年）》，都明確指明數(shù)據(jù)中心作為國家“雙碳”減排戰(zhàn)略的重點組成部分，未來新型數(shù)據(jù)中心要向“數(shù)網(wǎng)協(xié)同、綠色低碳、智慧運維”方向發(fā)展。筆者以規(guī)模大于等于30000 個標準機架（標準機架為換算單位，以功率2.5 千瓦為一個標準機架）的超大型數(shù)據(jù)中心配電自動化系統(tǒng)建設優(yōu)化方案為例，總結配電自動化系統(tǒng)在建設優(yōu)化過程中的經(jīng)驗。

超大型數(shù)據(jù)中心的配電自動化系統(tǒng)在傳統(tǒng)電力行業(yè)普遍使用的SCADA 系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）“遙控、遙測、遙信、遙調”功能模塊的基礎上，新增“AI 算法模塊”“負載分級模塊”“能效分析模塊”，讓配電系統(tǒng)更加智能、安全、綠色。

1 研究背景

電力行業(yè)內普遍使用SCADA 系統(tǒng)配合繼電保護裝置、備自投、PLC、ATS 等裝置實現(xiàn)故障場景下的電力自動投切，但對于超大型數(shù)據(jù)中心結構復雜、設備分散的大系統(tǒng)，存在以下瓶頸：一是開關邏輯動作簡單，都是采用預先設計的程序將開關動作邏輯寫到設備中，僅能處理幾種故障場景，無法滿足超大型數(shù)據(jù)中心上千種故障場景的自動控制需求；二是無負載分級自動化控制功能，不具備根據(jù)負載優(yōu)先級分別進行供電保障的能力；三是缺少用電智能分析模塊，無法精確分析能效和提供能效優(yōu)化建議；四是僅適用傳統(tǒng)雙路進線供電場景，對于多路進線等供電方式束手無策。所以在設計及建設超大型數(shù)據(jù)中心配電自動化系統(tǒng)時，要綜合考慮安全供電路徑搜索算法、負載分級投切機制及能效分析功能，使得一線運維人員不僅在面對復雜的設備故障時能“智慧運維”，而且能在日常維護中做到“綠色運維”。

2 配電自動化系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構

超大型數(shù)據(jù)中心配電自動化系統(tǒng)架構是由主工作站和子工作站兩大部分組成，如圖1 所示。

圖1 配電自動化系統(tǒng)架構

子工作站通過RS485 總線連接全量末端電力設備，依據(jù)modbus 通訊規(guī)約將設備裝置連入自控系統(tǒng)網(wǎng)絡，并上傳至主工作站中。主工作站基于子站上傳的電力數(shù)據(jù)，計算生成最優(yōu)安全供電路徑方案，并通過子工作站下發(fā)控制命令至電力設備，轉移失電負載至安全供電路徑。命令下發(fā)后，高壓開關柜基于采樣單元、存儲單元、計算單元、比較單元、控制單元執(zhí)行相應的命令完成開關動作。

2.2 AI 安全供電路徑搜索算法

算法將網(wǎng)絡拓撲關系等效為計算機能識別的互聯(lián)矩陣。當出現(xiàn)故障時，識別并標注故障區(qū)域，通過智能搜索，繞開故障區(qū)域，將故障區(qū)域的負載分配給其他電源。在搜索路徑的過程中：

其中Se 為運行線路額定容量，SLMAX 為失電容量峰值，β 為充電功率系數(shù)，Xij 為矩陣中的聯(lián)絡開關狀態(tài)參數(shù)。當運行線路額定容量大于實際失電容量且聯(lián)絡開關不處于故障區(qū)域時，聯(lián)絡開關可以動作，反之聯(lián)絡開關不可以動作，算法跳過該聯(lián)絡開關并進行下一層級判定，如圖2 所示。

圖2 安全路徑搜索算法流程圖

基于上述原理，搜索算法可以準確地將不同故障情況下電力系統(tǒng)帶電情況實時轉化成數(shù)學模型給以計算機進行統(tǒng)籌計算調度，再將計算結果生成的方案通過通訊命令的方式讓末端高壓開關進行執(zhí)行調度，以滿足超大型數(shù)據(jù)中心對電力系統(tǒng)的容災需求。運用安全供電路徑AI 算法后可以對全園區(qū)電力設備進行統(tǒng)籌調度，更好地挖掘設備容量潛力，縮短投資回報周期。

下面以“進線跳閘故障，且在應急倒閘過程中發(fā)生開關拒動”這樣多故障的復雜場景下演示“安全供電路徑搜索算法”起效的步驟，如圖3 所示。

圖3 進線跳閘場景下算法搜索過程

（1）雙電源向下搜索路徑，電源2遇到故障區(qū)域停止搜索，電源1 路徑繼續(xù)搜索；

（2）搜索到一級聯(lián)絡開關，滿足負載轉移條件（Se -βSLMAX ＞ 0）；

（3）繼續(xù)向下搜索，電源1 路徑開關拒動，判定為第二故障區(qū)域，電源2 路徑繼續(xù)搜索；

（4）搜索到二級聯(lián)絡開關，計算并判斷二級聯(lián)絡開關可以承載轉移后的負載（Se - βSLMAX ＞ 0）；

（5）生成開關動作方案，投入二級聯(lián)絡開關，將負載轉移至電源1。

2.3 負載分級機制

雖然數(shù)據(jù)中心業(yè)務絕對不允許中斷，但不同的設備及業(yè)務種類還是有重要性區(qū)別，比如集中供冷單元、核心業(yè)務相對而言比較重要。系統(tǒng)在設計時從以下幾個方面考慮優(yōu)先級別：

（1）重要動力設備優(yōu)先：集中式制冷站斷電后4 分鐘需要恢復供電，保證機房供冷的連續(xù)性。

（2）傳輸/網(wǎng)絡出口優(yōu)先：園區(qū)的傳輸/網(wǎng)絡機房電力中斷后會形成“數(shù)據(jù)孤島”，斷開與外部網(wǎng)絡的聯(lián)系，保障級別也相對普通數(shù)據(jù)機房要高。

（3）重要業(yè)務優(yōu)先：承載多區(qū)域多用戶的數(shù)據(jù)機房也相較其他普通數(shù)據(jù)機房保障級別要高。

當發(fā)生供電中斷時，配電自動化系統(tǒng)優(yōu)先使用市電給重要負載恢復供電。如果出現(xiàn)負載量不足時，配電自動化系統(tǒng)立刻給油機并機柜發(fā)送油機啟動信號，啟動滿足剩余負載的最小并機數(shù)量后，控制油機饋線柜合閘，投入發(fā)電機進行供電。這樣就可以以最短的時間保障供電安全。

以某數(shù)據(jù)中心為例，比較采用ATS、備自投系統(tǒng)與采用配電自動化系統(tǒng)的不同。傳統(tǒng)電力行業(yè)常規(guī)使用的ATS 及備自投系統(tǒng)的動作邏輯為當負載電源雙路失電時立刻啟動并投入油機，如果供電架構為多路進線時，會出現(xiàn)市電容量充足的情況下仍要啟動油機的情況。而配電自動化系統(tǒng)則會優(yōu)先判斷市電容量是否可以滿足失電負載要求，如果滿足就控制開關直接投入市電，在此基礎上實現(xiàn)了負載分級保障功能。

圖4母線間的互備關系為“I-VI”“II-III”“IV-V”；負載側的互備關系為“I-IV”“II-V”“III-IV”。當1#變壓器和2#變壓器失電時如果采用ATS，則會自動判斷負載1 及負載2 雙路失電，立刻啟動油機電源并投入運行帶載失電負載；如果使用配電自動化系統(tǒng)，則會判斷3#變壓器熱后備容量能夠滿足失電主變需求，投入變電站側02 號母聯(lián)開關和負載側12 號母聯(lián)開關，將負載1 和負載2 轉移至3#主變帶載。

圖4 園區(qū)母線互備關系圖

2.4 智能用電分析

配電自動化系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)庫能支撐能效數(shù)據(jù)精準分析，基于末端上千個測點實時上傳的電力數(shù)據(jù)，經(jīng)過讀取、歸納、處理，從園區(qū)、機樓、房間、設備等全維度自動分析用電能效數(shù)據(jù)，生成不同維度場景下的能效數(shù)據(jù)曲線，可以結合專家數(shù)據(jù)庫和園區(qū)運維數(shù)據(jù)庫，自動生成能效優(yōu)化建議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降本增效。

園區(qū)層面，系統(tǒng)接入變電站110kV 側智能電表讀取用電數(shù)據(jù)；機樓層面通過讀取機房樓10kV 高壓進線電表獲得電能值；此外，配電系統(tǒng)增擴RS485 通訊線連接園區(qū)全量400V 低壓配電柜，讀取并根據(jù)路由識別冷卻塔、冷卻泵、冷水機組、冷凍泵、數(shù)據(jù)機房、電力機房等設備電度量，做到實時全維度獲取用電數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 新增測點表

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除用電數(shù)據(jù)外，配電系統(tǒng)從測點取得的大量電力指標數(shù)據(jù)，能夠幫助運維人員遠程判斷設備運行情況，并通過指標量快速評估設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)全覆蓋監(jiān)控。

3 優(yōu)化應用實例

以華東某超大型數(shù)據(jù)中心為例，該中心配電系統(tǒng)自上而下由110kV 變電站、10kV 高壓配電室、400V 低壓配電室構成，其中各級配電均采用單母分段的主接線形式，每條分段母線配備兩個進線開關和一個母聯(lián)開關。10kV 柴油發(fā)電機組并接在10kV 高壓母線上，當母線完全失電后啟動發(fā)電。

自2021 年初應用至今，配電系統(tǒng)24 小時遠程監(jiān)控全園區(qū)約1600 臺電力設備（高壓柜、低壓柜、柴油發(fā)電機組等），實時上傳設備運行狀態(tài)及告警信息至運維人員，幫助運維人員判斷當前設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行調度。當發(fā)生故障時，系統(tǒng)以毫秒為時間單位生成完整的開關動作方案，發(fā)送控制命令至對應的設備，將故障區(qū)域內的設備轉移至正常運行區(qū)域或冗余區(qū)域，保障末端設備正常運營生產。

當投入配電系統(tǒng)進行電力系統(tǒng)單路市電中斷演練時，系統(tǒng)群控所有開關，僅耗時2 分鐘完成倒閘，期間發(fā)生開關拒動后，自動調整動作方案，將故障影響范圍和時間控制到最小，總時間2 分57 秒（其中重要負載在27 秒的時間內優(yōu)先恢復供電），遠低于行業(yè)平均耗時。詳細對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

4 結束語

通過對超大型數(shù)據(jù)中心配電自動化系統(tǒng)的優(yōu)化升級，拓展了配電自動化系統(tǒng)的功能及應用范圍，深挖系統(tǒng)潛能，助力超大型數(shù)據(jù)中心成為新型的算力網(wǎng)絡樞紐中心，更好地賦能數(shù)字經(jīng)濟及社會發(fā)展。