于智勇， 徐 義

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行，北京 100069； 2. 珠海派諾科技股份有限公司，北京 100069)

0 引言

與一般建筑配電系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)維管理的能力要求更高。復(fù)雜性表現(xiàn)在電源輸入及其控制邏輯上，一般建筑配電多采用雙回路一主一備供電，其控制邏輯為主用回路、故障時(shí)備用電源自動(dòng)投切，而數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)了雙回路獨(dú)立市政供電電源，其自身還配備了至少滿足全負(fù)荷設(shè)備容量的柴油發(fā)電機(jī)組，要求在不同失電故障場(chǎng)景發(fā)生時(shí)，通過(guò)供電策略的改變實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的持續(xù)供電。

安全等級(jí)越高的系統(tǒng)，運(yùn)維的難度也就越大，通常在數(shù)據(jù)中心投運(yùn)后，運(yùn)維人員幾乎沒(méi)有實(shí)操的機(jī)會(huì)，基本靠演練、制度、培訓(xùn)等人工運(yùn)維模式，這顯然無(wú)法保障數(shù)據(jù)中心在供電故障情況下的安全運(yùn)行。比如市電突然失電的緊急情況下，如何在UPS有限帶載時(shí)間內(nèi)完成市電電源與油機(jī)電源之間的安全、快速切換，如何保障緊急情況下不同運(yùn)維人員倒閘操作的正確性和及時(shí)性等潛在的安全隱患，建設(shè)者均須在設(shè)計(jì)階段就足夠的重視。

1 本案供電系統(tǒng)介紹

本案市政電源由兩個(gè)上級(jí)110kV變電站分別引出6路10kV電源為數(shù)據(jù)中心供電，數(shù)據(jù)中心側(cè)共設(shè)6個(gè)高壓分界室及6對(duì)高壓配電室。每個(gè)高壓分界室分別引入A、B兩路10kV市電電源互為備用，任意一路市電容量均可滿足本分界室下所有用電負(fù)荷要求；每對(duì)高壓分配室的供電系統(tǒng)獨(dú)立，且對(duì)應(yīng)配備6臺(tái)COP功率為2 000kW的10kV柴油發(fā)電機(jī)組作為后備應(yīng)急電源，5用1備并列運(yùn)行；柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)采用雙母線設(shè)計(jì)，每段并機(jī)母線各輸出一路油機(jī)電源至高壓分配室的10kV市電母線段，保障市電電源在無(wú)法滿足供電需求時(shí)切換至高壓油機(jī)電源帶載運(yùn)行。

2 高、低壓供電系統(tǒng)運(yùn)行方式

本案10kV A、B路配電系統(tǒng)采用單母線分段運(yùn)行方式，兩段母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，正常供電時(shí)，運(yùn)行方式為兩路10kV市電電源各帶一段母線獨(dú)立運(yùn)行，10kV市電母聯(lián)斷路器處于分閘位置；當(dāng)任意一路市電電源失電時(shí)，由另一路市電電源通過(guò)母聯(lián)斷路器合閘的運(yùn)行方式供所有負(fù)載；當(dāng)兩路市電電源均失電時(shí)，立即啟動(dòng)10kV柴油發(fā)電機(jī)組，其兩段并機(jī)母線輸出作為應(yīng)急電源分別向兩段10kV配電母線供電，保障對(duì)數(shù)據(jù)中心負(fù)荷供電的連續(xù)穩(wěn)定。

按照設(shè)計(jì)要求，10kV市電、油機(jī)應(yīng)急電源不允許并網(wǎng)運(yùn)行；兩路市電進(jìn)線、兩路柴發(fā)電源進(jìn)線及母聯(lián)只能同時(shí)合其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)：同一段10kV配電母線上的市電進(jìn)線開(kāi)關(guān)、油機(jī)電源總進(jìn)線開(kāi)關(guān)不允許同時(shí)合閘,任意時(shí)刻只能合其中一個(gè)開(kāi)關(guān)，為二選一邏輯關(guān)系；380V低壓側(cè)采用雙母線分段設(shè)計(jì)，在聯(lián)絡(luò)母線的兩段均設(shè)置斷路器，方便測(cè)試和檢修，兩路主進(jìn)線與聯(lián)絡(luò)之間設(shè)計(jì)聯(lián)鎖，任意時(shí)刻只允許合其中兩個(gè)開(kāi)關(guān)。供電關(guān)系如圖1所示。

以一組高壓分配室為例，兩路10kV市電進(jìn)線、兩路10kV油機(jī)電源進(jìn)線及母聯(lián)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的邏輯狀態(tài)表如表1所示。

圖1 供電關(guān)系圖

市電進(jìn)線、柴發(fā)進(jìn)線及母聯(lián)聯(lián)絡(luò) 表1

注：“C”為合閘，“O”為分閘。

3 10kV配電自動(dòng)化設(shè)計(jì)

本案數(shù)據(jù)中心屬當(dāng)前高等級(jí)的大型金融數(shù)據(jù)中心，供電的連續(xù)可靠性事關(guān)數(shù)據(jù)中心的安全生產(chǎn)，下面從系統(tǒng)架構(gòu)、信號(hào)采集傳輸鏈路、控制邏輯等方面對(duì)10kV配電自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)冗余設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用三層分布式結(jié)構(gòu)：主站層、通訊網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場(chǎng)控制層。其中，主站層選用高性能的服務(wù)器，軟件系統(tǒng)冗余、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步；通訊網(wǎng)絡(luò)層采用高速現(xiàn)場(chǎng)總線，用于連接現(xiàn)場(chǎng)控制層與后臺(tái)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息互通互聯(lián)；現(xiàn)場(chǎng)控制層選用SIEMENS7-400H高可靠性容錯(cuò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)架、電源、CPU、通訊總線等冗余，以滿足設(shè)備自身及系統(tǒng)的可靠性。S7 400H高可靠性容錯(cuò)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)冗余組件實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的系統(tǒng)可用性。當(dāng)冗余節(jié)點(diǎn)中的某個(gè)組件發(fā)生故障，并不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)或整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 信號(hào)采集與傳輸鏈路

為保障現(xiàn)場(chǎng)控制層數(shù)據(jù)采樣、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，所有數(shù)據(jù)的采集與控制信號(hào)的輸出均采用硬接線的方式，采集與輸出通道獨(dú)立設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)采集與傳輸方式不受通訊設(shè)備本身、通訊機(jī)制、通訊鏈路等眾多中間環(huán)節(jié)的干擾或影響，信號(hào)采樣傳輸更高效、更可靠。

3.3 控制邏輯設(shè)計(jì)

控制邏輯的設(shè)計(jì)引入了應(yīng)急預(yù)案的管理理念，采用“故障-場(chǎng)景-預(yù)案”設(shè)計(jì)思想，針對(duì)10kV供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種不同故障場(chǎng)景，如市電正常、一路市電失電、兩路市電失電、備用電源失電、保護(hù)跳閘、開(kāi)關(guān)拒動(dòng)等，按照供電工藝要求，預(yù)先設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)急切換預(yù)案。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)故障場(chǎng)景進(jìn)行邏輯判斷，完成預(yù)案設(shè)置的10kV配電系統(tǒng)的故障報(bào)警、備自投、自動(dòng)投切等自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù)供電，快速指導(dǎo)運(yùn)維人員處理供電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的不同故障，同時(shí)減少由運(yùn)維人員手動(dòng)操作導(dǎo)致的誤判斷、誤操作。

控制邏輯的運(yùn)算、處理和執(zhí)行由現(xiàn)場(chǎng)控制層的冗余可編程控制單元負(fù)責(zé)。本案設(shè)計(jì)故障場(chǎng)景超過(guò)100個(gè)，下面舉例進(jìn)行說(shuō)明。

正常情況下每個(gè)高壓分配室的兩路市政電源同時(shí)工作，母聯(lián)斷開(kāi)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到一路電源失電時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間分?jǐn)嚅_(kāi)失電的進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)，然后合市電母聯(lián)開(kāi)關(guān)恢復(fù)供電。圖2所示為單路市電失電故障場(chǎng)景。

圖2 單路市電失電故障場(chǎng)景

當(dāng)10kV兩路市電電源失電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行邏輯判斷，斷開(kāi)10kV兩路市電進(jìn)線、母聯(lián)及所有10kV饋出線斷路器開(kāi)關(guān)，同時(shí)柴發(fā)機(jī)組啟機(jī)，待并機(jī)完成具備帶載能力后，系統(tǒng)自動(dòng)投入10kV油機(jī)電源總進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到10kV配電母線重新帶電，按照預(yù)先設(shè)定的負(fù)載投入順序，逐級(jí)加載分步投入10kV饋出線，系統(tǒng)識(shí)別有綜保故障、斷路器在試驗(yàn)位置的饋線，不對(duì)其進(jìn)行合閘。圖3所示為雙路市電失電故障場(chǎng)景。

圖3 雙路市電失電故障場(chǎng)景

本案控制邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，不僅考慮了上述10kV單/雙路市電失電的故障場(chǎng)景，還考慮到供電系統(tǒng)及切換過(guò)程中可能發(fā)生的故障(如開(kāi)關(guān)拒動(dòng)、開(kāi)關(guān)跳閘、柴發(fā)并機(jī)異常等)，下面例舉10kV單路市電失電時(shí)、開(kāi)關(guān)拒動(dòng)造成的一個(gè)故障場(chǎng)景進(jìn)行說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到一路電源失電時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間對(duì)失電的進(jìn)線斷路器開(kāi)關(guān)發(fā)出分閘指令，系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)仍然處于合閘位置，此時(shí)判定為開(kāi)關(guān)拒分故障，系統(tǒng)將不對(duì)下一步的母聯(lián)開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘，發(fā)出故障告警并通過(guò)屏幕顯示處理預(yù)案，指導(dǎo)操作人員通過(guò)380V低壓母聯(lián)進(jìn)行倒閘操作。開(kāi)關(guān)拒動(dòng)場(chǎng)景分為拒分和拒合兩種情況，涉及到10kV市電進(jìn)線、母聯(lián)和所有饋出線，其對(duì)應(yīng)的控制邏輯也有所區(qū)別。

3.4 系統(tǒng)平臺(tái)功能介紹及特點(diǎn)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)符合數(shù)據(jù)中心行業(yè)對(duì)配電系統(tǒng)管理的要求，能保障數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)時(shí)性和完整性，升級(jí)維護(hù)方便，使用操作簡(jiǎn)單。不僅具有畫(huà)面編輯、報(bào)表曲線、歷史數(shù)據(jù)、告警查詢、遠(yuǎn)程控制、權(quán)限管理等常規(guī)功能，系統(tǒng)界面還設(shè)計(jì)了切換過(guò)程的操作執(zhí)行步驟可視化功能。當(dāng)故障場(chǎng)景的預(yù)案啟動(dòng)時(shí)，軟件界面自動(dòng)推出控制邏輯的執(zhí)行步驟及指導(dǎo)運(yùn)維的告警信息，方便運(yùn)維人員實(shí)時(shí)在線監(jiān)視10kV配電系統(tǒng)的切換操作過(guò)程。

采用高速冗余網(wǎng)絡(luò)以及硬接線方式，軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)刷新、故障告警、遠(yuǎn)程控制等實(shí)時(shí)性得到顯著提升，同時(shí)系統(tǒng)平臺(tái)遵守行業(yè)的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)接口，方便維護(hù)、擴(kuò)充和升級(jí)，可與第三方系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。

4 結(jié)束語(yǔ)