銀行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)備投切換模式探討

胡杰 戴愛民

摘 要：隨著數(shù)據(jù)大集中系統(tǒng)建設(shè)，銀行數(shù)據(jù)中心對供配電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，目前，業(yè)內(nèi)普遍采用配置后備柴油發(fā)電機的雙電源不間斷供電體系架構(gòu)，在失電情況下為保證電源的快速恢復，高低壓及后備柴油發(fā)電機均設(shè)置具有手自動功能的備投切換裝置。筆者基于一種電力系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，結(jié)合多年大中型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)維護管理的工作實踐，從實際運維的角度上，對高低壓備投以及后備柴油發(fā)電機切換模式的選擇進行分析和探討，提出了實現(xiàn)優(yōu)化資源配置，安全高效運維的現(xiàn)實思考。

關(guān)鍵詞：銀行數(shù)據(jù)中心；雙電源；備投切換；安全高效運維

隨著銀行數(shù)據(jù)大集中系統(tǒng)建設(shè)以及虛擬化、云計算技術(shù)的快速發(fā)展，省級及全國性的大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求急劇增長，銀行系統(tǒng)的集中運行要求基礎(chǔ)設(shè)施特別是電力系統(tǒng)具備相當高的安全性、穩(wěn)定性及可靠性。近幾年，隨著《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》機房建設(shè)標準的不斷完善，TIA942以及Uptime國外標準先進理念的不斷借鑒，新建的數(shù)據(jù)中心在電力系統(tǒng)的建設(shè)形成了一套相對成熟并被廣泛認可的體系架構(gòu)，總體來說就是從兩個不同的變電站取2路高壓進線，根據(jù)用電負荷等級的要求，組成不同類型的雙電源系統(tǒng)，同時設(shè)計有具備手/自動切換功能的高低壓備投裝置以及后備柴油發(fā)電機，可在線維護的同時提高供配電系統(tǒng)的可用性。筆者基于銀行數(shù)據(jù)中心一種電力系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，結(jié)合多年大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)維護管理的工作實踐，從實際運維的角度上，對高低壓備投裝置以及后備柴油發(fā)電機切換模式的選擇進行分析和探討，從而達到優(yōu)化資源配置，最終實現(xiàn)安全高效運維。

一、雙電源供電模式

（一）、用電負荷等級劃分

眾所周知，銀行數(shù)據(jù)中心的特點是7×24小時不間斷運行，需要電力、空調(diào)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持，一旦失電，將造成大量數(shù)據(jù)丟失，需要較長時間才能恢復，同時要求供電具有在線維護性及容錯性，因此對于銀行數(shù)據(jù)中心來說，除正常照明、普通動力為三級負荷外，其余負荷均為一級負荷， IT負荷及持續(xù)制冷空調(diào)負荷則為一級負荷中特別重要負荷，市電失電時，由柴油發(fā)電機作為后備電源供應全部負荷。其中，對于一級負荷供電，要求由雙電源供電，當一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不應同時受到損壞；對于一級負荷中特別重要負荷，要求除雙路電源供電外，應增設(shè)UPS不間斷電源，且設(shè)備供電電源的切換時間，應滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。

（二）、高低壓供電系統(tǒng)接線及運行方式

對于10KV雙路市電接入，目前業(yè)界普遍采用單母線分段的接線方式，分為“雙活”，“熱備”以及“冷備”等方式運行，400V低壓同為單母線分段接線，高低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)計具備手/自動備投功能的切換裝置。以某省級銀行系統(tǒng)主數(shù)據(jù)中心為例，電氣系統(tǒng)的總體設(shè)計思路為：10KV市電采用單母線分段接線，“雙活”的運行方式，正常情況下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，配備10KV后備柴油發(fā)電機，在保證市電優(yōu)先的原則下向兩段對應的母排提供應急電源，同時根據(jù)不同設(shè)備類型的用電負荷以及區(qū)域的模塊化，選擇采用1250KVA的變壓器模塊化供電，其中，冷源系統(tǒng)在變壓器前端設(shè)兩路高壓進線，通過電氣連鎖方式作為對應變壓器的主備進線電源，其他一級負荷均在變壓器的后端設(shè)低壓母聯(lián)裝置。對于供配電系統(tǒng)的設(shè)計方案尤其是高壓部分，須結(jié)合當?shù)毓╇姴块T的運行方式，由相關(guān)責任部門審批才能得以最終敲定，由于此銀行系統(tǒng)當?shù)毓╇姴块T單母線分段運行方式為“主備”運行方式，即單母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)常閉，這無法實現(xiàn)“雙活”以及冷源系統(tǒng)高壓側(cè)切換的設(shè)計思路，最終，經(jīng)研究討論，設(shè)計方案的簡圖演化為如圖1所示：10KV采用兩個單母線分段，兩段母線同時運行，兩路市電通過室外環(huán)網(wǎng)柜分支為4路進線接入，同時，兩段母線又采用“熱備”方式，通過設(shè)置手自動備投裝置，實現(xiàn)了冷源系統(tǒng)在變壓器前端進行雙電源接入的設(shè)計思路，提高了數(shù)據(jù)中心供電的安全可靠性。

圖1 一種雙路供電模式的正常工作狀態(tài)

注：不同顏色代表不同線路，黑色表示沒有供電或失電。下同。

二、高低壓備投及后備柴油發(fā)電機切換方案

如上所述，銀行數(shù)據(jù)中心一級負荷要求雙電源系統(tǒng)供電，還要有后備柴油發(fā)電機組作為后備電源，同時高低壓以及后備柴油發(fā)電機均設(shè)置具有手自動切換功能的備投裝置，在日常運維過程中，對于這些切換模式組合，應該如何有效的進行選擇，保證供電系統(tǒng)可靠性的前提下，最大程度優(yōu)化資源配置，下面，基于圖1供電系統(tǒng)的簡圖，結(jié)合實際運維工作，模擬一路及兩路市電失電的情況，對各種切換模式組合方案的優(yōu)缺點進行比較和分析。

（一）、一路市電失電

1.方案一：高壓自動切換，低壓自動切換

如圖2所示，由于高壓及低壓備自投裝置均處于自動狀態(tài)，按照“高壓切換優(yōu)先”的原則，當一路市電失電時，互為備用的另一路市電自動進行高壓的自動備投，如因故障導致切換失敗時，自動進行低壓切換，保證機房IT設(shè)備電源的正常供給。其優(yōu)點：一是解決了人的問題。整個備投切換過程自動進行，切換快速有效，無需人員干預，避免了情急之下因操作失誤導致事故的發(fā)生；二是解決了物的問題。通過采用定制化的預先編程，采用PLC自動控制，解決了系統(tǒng)架構(gòu)復雜、故障情況多樣、空間條件限制造成操作難以實現(xiàn)等問題，留有了充足的時間進行市電的恢復及故障的排除；三是從電氣系統(tǒng)上保證了一級負荷的雙電源供電模式，與設(shè)計完全吻合。缺點：如果采用先進的高低壓自動控制系統(tǒng)，從應急預案的設(shè)計、編制、施工工藝還是測試驗證等環(huán)節(jié)，其專業(yè)化、精細化水平要求極高，同時要求高低壓斷路器均具備電操裝置并預留遠程控制節(jié)點，大大增加了投入成本以及系統(tǒng)的部署難度，如果采用傳統(tǒng)的綜保及繼電器搭接方式，要求實際切換過程中，高低壓在上下級切換時間的配合上要嚴絲合縫，如圖2所示，高壓進線斷路器GJX1-1與GJX1-2的高壓備投切換過程為：正常情況下GJX1-2向?qū)?cè)發(fā)出本側(cè)市電正常且處于分閘位置，當1#市電主用線路失電時，延時500MS后GJX1-1跳閘，然后延時500MS向?qū)?cè)發(fā)出合閘指令，GJX1-2收到合閘指令后進行合閘操作，考慮斷路器電操裝置的動作時間、動靜觸頭接觸以及滅弧時間，整個備投過程約為2S，而對于低壓備投而言，在高壓備投過程中，DJX1處于執(zhí)行延時跳閘過程，如圖3所示，1#市電失電，DJX1及DJX2的電壓繼電器1KV發(fā)生欠壓脫扣，斷電延時繼電器1KT1執(zhí)行4S延時，當高壓在2S內(nèi)成功備投切換時，電壓繼電器1KV得電吸合，1KT1瞬間復位，延時跳閘動作由此中斷，但是，在實際的運行過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，切換時間理論值與實際值還是存在一定的誤差，同時，備投切換過程由電壓繼電器、時間繼電器以及分合閘線圈配合完成，繼電器本身屬于易損件且正常工作狀態(tài)的繼電器線圈均為常帶電，時間久了故障率就會大大增加，導致切換事故的發(fā)生。

最后，電源的自動切換中還不得不考慮頻繁啟停對設(shè)備的損害問題。對于變壓器，變壓器是典型的電感設(shè)備，啟動時存在較大勵磁涌流，在很短的時間內(nèi)頻繁啟停很容易損壞絕緣或引起變形，另外，一套冷源通常包括冷凍機組、一次泵、冷卻水泵等大型設(shè)備，其啟動要求比較嚴格，通常由BA（建筑設(shè)備管理系統(tǒng)）按設(shè)定的程序進行啟動，如果掉電同時又瞬間啟動無疑對設(shè)備造成極大的損害，大大降低設(shè)備的使用壽命。

圖2 1#市電失電，高壓自動切換后的狀態(tài)

2.方案二：高壓自動切換，低壓手動切換

此方案依然遵守了“高壓切換優(yōu)先”的原則，狀態(tài)如圖2所示，與方案一不同的是，其從根本上解決了高壓切換與低壓切換在時間上的配合問題，只要高壓備用線路正常，優(yōu)先考慮高壓的切換，此模式除仍未解決高壓自動切換造成設(shè)備頻繁啟動操作，影響設(shè)備的使用壽命外，其缺點還有：低壓配電柜一般分布與各個樓層配電室，物理隔離且有一定的距離要求，如遇斷路器拒動、偷跳或瞬間沖擊電流過大跳閘等偶然因素導致高壓切換失敗，須在UPS電池后備15分鐘時間內(nèi)斷開本段母線下所有變壓器的進線斷路器，同時閉合本段及備用線路的母聯(lián)開關(guān)，如圖2所示，1#市電失電，低壓手動切換需斷開DJX1、DJX2，閉合DML1、DML2、DML3、DML4，這對場地及操作流程熟悉程度以及運維人員的配置，自身的水平，經(jīng)驗，身體均有較高的要求，同時，為防止人為操作失誤導致事故發(fā)生，對于電氣系統(tǒng)機械及電氣聯(lián)鎖裝置均要進行的嚴格測試驗證。

圖3 低壓備投切換控制原理圖

3.方案三：高壓手動切換，低壓自動切換

如圖4所示，此方案避免了運維人員在有限的后備時間內(nèi)奔波于各個樓層配電室，于各式各樣的配電柜中進行斷路器分合閘操作，一定程度上降低了慌亂中因操作失誤導致安全事故的概率，同時解決高壓自動切換導致設(shè)備頻繁啟停，另外，在高壓備用電源的切換時，可以留有足夠的時間逐個對變壓器進行從負荷側(cè)到供電側(cè)的逐級操作，防止沖擊電流過大導致斷路器跳閘，嚴格按照既定操作票制度，變更及審批流程進行倒閘操作，進一步降低操作失誤的概率。其缺點：一是高壓操作須具備高壓操作上崗證及操作證，崗位的特殊性決定了人員的流動性較大，同時由于銀行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)較民用配電系統(tǒng)不管從復雜程度上還是可靠性要求上都要高很多，這就要求高壓操作人員在具備一定素質(zhì)的前提下，需對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)有一定的了解，同時對于控制線路故障排查，直流屏均要較為熟悉；二是需定期與不定期進行兩進線兩母聯(lián)的低壓自動切換可靠性驗證工作，通常關(guān)于兩進線兩母聯(lián)的控制方式有兩種，一種是PLC控制方式，一種是繼電器搭接方式，通過筆者的實際經(jīng)驗，更傾向于采用繼電器搭接方式，原因是邏輯清晰，比較直觀，可能建設(shè)期間由于線路過多導致建設(shè)周期加長，施工難度加大，但是一旦調(diào)試完成后，關(guān)鍵點配備備品備件，再出現(xiàn)故障比較容易進行排查，而采用PLC控制程序控制邏輯比較抽象，一旦出現(xiàn)故障，需要廠家專業(yè)工程師進行現(xiàn)場修改，在問題排查周期及協(xié)調(diào)難度上明顯加大。

最后，作為一級負荷的冷凍機組等冷源設(shè)備，掉電后需要啟動備用機組，這與原高壓自動切換到雙電源供電模式的設(shè)計思路存在背離，但是正如筆者所述，在實際運行過程中的摸索發(fā)現(xiàn)，在保證冷源雙電源接入的前提下，當一路市電失電時，可通過借助BA系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能進行備用冷源的快速切換，既避免了頻繁啟停對設(shè)備造成的損害，同時又保證了15分鐘持續(xù)制冷期間備用冷源的順利投入。

圖4 1#市電失電，低壓自動切換后的狀態(tài)

4.方案四：高壓手動切換，低壓手動切換

此方案堅持“以人為本”的運維管理理念，使得一切風險都處于人的掌控之中，由于切換過程除遠程監(jiān)控外無采用自動化控制手段，運維人員時刻處于“待命狀態(tài)”，無形中提高了其緊迫感，也迫使其不得不提高自己的專業(yè)化水平，有利于不斷提高團隊的實際操作能力，其缺點也是顯而易見的，對運維團隊的專業(yè)水平、穩(wěn)定性要求高，依賴性強，由于人為操作失誤造成事故的概率也大大增加。

從以上分析可以看出，各種模式組合的適用情況如表一所示：

表一 切換模式適用情況 低壓切換

高壓切換 自動 手動

自動 （1）運維團隊專業(yè)性水平很高，但人數(shù)較少，高低壓配電室很分散（2）投入大，自動化水平要求很高，測試驗證嚴格縝密 （1）運維團隊人數(shù)配置合理、穩(wěn)定且具備一定的專業(yè)素質(zhì)（2）低壓配電室相對集中，距離不遠（3）投產(chǎn)初期，負載率相對不高

手動 （1）運維團隊人員不多，但專業(yè)水平較高（2）低壓配電室很分散，距離遠（3）投產(chǎn)初期及中后期 （1）運維團隊人員配置充足且穩(wěn)定，且具備較高的專業(yè)素質(zhì)（2）投產(chǎn)初期及中期，負載率不高

對于銀行數(shù)據(jù)中心，自建及外包綜合管理模式為最常見的數(shù)據(jù)中心運維模式，在各大型及中小型銀行機構(gòu)運維模式中占比達到了80%以上。如前所述，在此類數(shù)據(jù)中心管理模式中，信息管理部門作為運維工作的主體，需針對根據(jù)自身情況，分時期、分階段制定合理的切換模式原則，確保高低壓切換做到安全、高效、有序。

（二）、雙路市電全部失電

1.方案一：手動啟動后備柴油發(fā)電機，手動并機，手動輸出

此方案優(yōu)點就是避免了自啟動信號錯誤導致柴油發(fā)電機的誤動作，給運維人員造成不必要的麻煩，同時缺點也是顯而易見的，眾所周知，銀行數(shù)據(jù)中心為7×24小時不間斷運行，兩路市電同時失電對于銀行數(shù)據(jù)中心來說屬于重大安全事項，在UPS電池及持續(xù)制冷后備時間要求范圍內(nèi)，要進行柴油發(fā)電機的自動啟機、并機以及電源輸出操作，這不僅對機器的可靠性及性能有較高的要求，同時對操作人員臨場反應能力，抗壓能力以及操作熟練程度都有較高的要求，對于大中型銀行數(shù)據(jù)中心，柴油發(fā)電機的手動操作，一般作為定期的運維演練科目，不作為系統(tǒng)正常運行時的模式選擇。

2.方案二：自動啟動后備柴油發(fā)電機，自動并機，自動輸出

此方案有效解決了手動操作的各項弊端，能夠在雙路市電均失電的緊急情況下進行后備柴油發(fā)電機的快速投入，確保供電的持續(xù)性。缺點：一是在失電原因不明情況下盲目進行發(fā)電機自動投切可能導致更大事故的發(fā)生，如1#市電及2#市電高壓母排故障、變壓器故障或雙電源設(shè)備引起越級跳閘，在故障尚未排除情況下，后備發(fā)電機即進行自動投切，無疑會將故障擴大到發(fā)電機設(shè)備，引起更大的事故；二是沒有考慮高低壓自動切換狀態(tài)，自動切換可能會導致不必要的動作。如高低壓備自投裝置狀態(tài)為高壓手動切換、低壓自動切換，當1#、2#市電先后相繼失電，各斷路器狀態(tài)維持1#市電失電的狀態(tài)不變，如圖4所示。如柴油發(fā)電機先后自動閉合YKX1與YKX2，低壓斷路器需進行兩次動作，分別是動作一：DJX3與DJX4斷開， DJX1與DJX2閉合；動作二：DML1與DML4斷開，DML2與DML3斷開，DJX3與DJX4閉合。

3.方案三：自動啟動后備柴油發(fā)電機，自動并機，確認后手動輸出

此方案解決了在故障不明情況下盲目進行發(fā)電機投切帶來的弊端，同時又根據(jù)實際情況進行有選擇性的進行電源輸出，安全可靠性高。此時，在運維人員趕到發(fā)電機房前，后備柴油發(fā)電機已自動完成啟機及并機操作，待確認各項指標正常，同時在確認高壓配電室準備就緒后，手動閉合ZCX1和ZCX2，同時由高壓操作人員確認下游無故障并且了解高低壓備投裝置及斷路器的狀態(tài)情況下，有選擇的先后閉合YJX1和YJX2。如方案二所述情形，應先閉合YJX2，后閉合YJX1，此時低壓斷路器僅執(zhí)行一次動作：DML1與DML4斷開，DML2與DML3斷開，DJX1與DJX2閉合。

從上述分析可以看出，在前期負載率較低，UPS電池及持續(xù)制冷后備時間充裕的情況下，可選擇方案一和方案三，考慮投產(chǎn)初期為提高運維團隊應變能力，完善操作流程，可優(yōu)先選擇采用方案一；當投產(chǎn)中后期，數(shù)據(jù)中心負載率較大時，應優(yōu)先選擇方案三；除非電池及持續(xù)制冷后備時間較短，運維人員在有限時間內(nèi)完成倒閘操作確有一定的困難，同時下游設(shè)備維護保養(yǎng)很好幾乎不可能出現(xiàn)大電流短路故障，否則不建議采用方案二。

綜上所述，銀行數(shù)據(jù)中心對于持續(xù)性的運行要求，要求供電系統(tǒng)須具備相當高可靠性，同時要求出現(xiàn)失電等故障情況下，能夠進行快速的恢復，因此對于高低壓雙電源系統(tǒng)的手自動切換功能，須考慮選擇一種最優(yōu)模式組合，同時，這種組合也不是一成不變的，須根據(jù)自身數(shù)據(jù)中心的運維人員配置、規(guī)劃建設(shè)以及系統(tǒng)完善情況，同時結(jié)合數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)情況，分階段、有計劃的進行動態(tài)調(diào)整，在確保供電系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)上，能夠最大程度的優(yōu)化資源配置，最終實現(xiàn)安全高效運維。

參考文獻：

[1]劉燦文.淺談10KV母聯(lián)備自投與400V母聯(lián)備自投及設(shè)備晃電自啟動之間的時間配合問題[J].動力與電氣工程，2013，8（23）.

[2]陳碩，魏華，楊青. 10KV配電系統(tǒng)自動運行控制在數(shù)據(jù)中心的應用[J]. 通信電源技術(shù)，2014，31（6）.

[3]陳杰甫.某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)10KV自投控制流程分析[J].建筑電氣 ，2012，31（9）.

[4]夏建強，沙鵬.銀行數(shù)據(jù)中心配電運維可視化管理研究[J].中國金融電腦， 2015（5）.