李益惠, 葉麗娟

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100044)

0 引 言

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[1],A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電,并應(yīng)設(shè)置備用電源。雙重電源互為備用,平時(shí)負(fù)載率一般不超過50%,為了避免對(duì)市電資源的“占而不用”,備用電源通常不會(huì)選擇另設(shè)專用饋電線路,而是采用獨(dú)立于市電系統(tǒng)的自備柴油發(fā)電機(jī)組。另外,Uptime Institute(數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu))認(rèn)為對(duì)于數(shù)據(jù)中心,來自建筑紅線以外的公用市政設(shè)施(市電等)均不是可靠的服務(wù)供應(yīng),因此國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心如要滿足Uptime Tier等級(jí)要求,柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)置為一個(gè)“必選項(xiàng)”[2]。

與普通民用建筑相比,數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)更復(fù)雜。Uptime Institute Tier Ⅳ等級(jí)的必要條件之一是:基礎(chǔ)設(shè)施控制系統(tǒng)可自動(dòng)響應(yīng)故障,同時(shí)維持關(guān)鍵環(huán)境。市電失去后,在UPS后備15 min時(shí)間內(nèi)需完成市電和柴油發(fā)電機(jī)電源切換,實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)電源正常帶載。因此,為保證復(fù)雜數(shù)據(jù)中心的高可靠性,有必要在設(shè)計(jì)施工階段對(duì)電源切換操作流程進(jìn)行預(yù)設(shè)[3-6]。

1 數(shù)據(jù)中心負(fù)載特性

數(shù)據(jù)中心主要負(fù)載為IT機(jī)柜、空調(diào)系統(tǒng)、建筑功能性負(fù)荷等?？照{(diào)系統(tǒng)包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、末端精密空調(diào)等制冷設(shè)備。建筑功能性負(fù)荷為照明、普通風(fēng)機(jī)和消防等。其中,IT機(jī)柜和空調(diào)系統(tǒng)所占比重為80%～90%,為柴油發(fā)電機(jī)的重點(diǎn)保障對(duì)象[7-8]。

IT負(fù)載等開關(guān)型設(shè)備、UPS設(shè)備在運(yùn)行中呈容性狀態(tài),而動(dòng)力設(shè)備為數(shù)據(jù)中心主要的感性負(fù)載,但通常數(shù)據(jù)中心PUE小于2,感性負(fù)載小于容性負(fù)載。為降低電網(wǎng)電能損耗,在變壓器低壓側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償,補(bǔ)償電容器的投入進(jìn)一步加大容性電流產(chǎn)生的可能性;IT負(fù)載、蓄電池充電設(shè)備、UPS、變頻動(dòng)力設(shè)備等非線性負(fù)載在運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生大量諧波。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)作為供電電源時(shí),超前的負(fù)載功率因數(shù)及大量諧波電流有可能導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)過熱、輸出過壓和輸出功率下降,甚至自保護(hù)停機(jī)。因此,除適當(dāng)增大柴油發(fā)電機(jī)容量外,在切換柴油發(fā)電機(jī)電源時(shí)可采取負(fù)載分步投入、先感性負(fù)載后容性負(fù)載的投切思路,避免柴油發(fā)電機(jī)受容性大電流沖擊而被拉垮。

2 供電架構(gòu)

兩路相對(duì)獨(dú)立的10 kV市電供電數(shù)據(jù)中心典型供電架構(gòu)如圖1所示。兩路10 kV市電進(jìn)線A、B和兩路備用電源柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線分別通過主進(jìn)斷路器QF1、QF2、QF3、QF4輸入到兩段10 kV母線,兩段母線間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)QF5;由于數(shù)據(jù)中心A、B路配電分室設(shè)置,且母聯(lián)的兩側(cè)都有可能向另一側(cè)供電,在B段10 kV母線上設(shè)常閉母聯(lián)手動(dòng)開關(guān)QF6,但QF6可不納入自動(dòng)控制范圍。兩段母線分別以放射式線路向IT變壓器、動(dòng)力變壓器和10 kV高壓冷機(jī)等負(fù)載供電。正常運(yùn)行時(shí),負(fù)載由市電供電,當(dāng)市電失電時(shí)由柴油發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電。

圖1 兩路相對(duì)獨(dú)立的10 kV市電供電數(shù)據(jù)中心典型供電架構(gòu)

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)房不滿足自然進(jìn)排風(fēng)條件需要依靠風(fēng)機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)時(shí),風(fēng)機(jī)電量通常較大,且主要在柴油發(fā)電機(jī)帶載時(shí)啟用,故風(fēng)機(jī)可不使用UPS供電。此時(shí)可考慮在柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)母線再饋出兩路電源(A路/B路)直供進(jìn)排風(fēng)機(jī)配電變壓器(動(dòng)力變壓器),以保證在柴油發(fā)電機(jī)帶載同時(shí)風(fēng)機(jī)可正常啟用,保障柴油發(fā)電機(jī)正常進(jìn)排風(fēng)。

為確保供電系統(tǒng)安全,需通過中壓柜二次側(cè)線路將進(jìn)線、母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行如下閉鎖。

(1)QF1或QF2合閘時(shí),QF3或QF4不能合閘。

(2)QF3或QF4合閘時(shí),QF1或QF2不能合閘。

(3)QF1、QF2和QF5不能同時(shí)合閘,3個(gè)開關(guān)同時(shí)只能合2個(gè)。

(4)QF3、QF4和QF5不能同時(shí)合閘,3個(gè)開關(guān)同時(shí)只能合2個(gè)。

(5)QF31和QF33不能同時(shí)合閘,QF32和QF34不能同時(shí)合閘。

3 電源切換邏輯

3.1 運(yùn)行工況

依據(jù)供電架構(gòu)和開關(guān)閉鎖邏輯,不同電源情況下的6種運(yùn)行工況如表1所示。

表1 不同電源情況下的6種運(yùn)行工況

以上工況中,兩路市電供電為正常工況,當(dāng)其中一路市電失電時(shí),可通過母聯(lián)開關(guān),切換成另一路市電+母聯(lián)供電形式,此轉(zhuǎn)換過程不涉及柴油發(fā)電機(jī)電源,且饋線斷路器無需動(dòng)作,流程相對(duì)簡單,可由綜合保護(hù)裝置完成母聯(lián)備自投切換。其余涉及柴油發(fā)電機(jī)電源的運(yùn)行工況切換,均建議以PLC控制方式實(shí)現(xiàn)。

3.2 PLC控制流程

10 kV自動(dòng)切換PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有兩部分:一是當(dāng)兩路市電均失電后,市電和柴油發(fā)電機(jī)供電的自動(dòng)切換,以及市電恢復(fù)后柴油發(fā)電機(jī)與市電的自動(dòng)切換;二是在電源切換過程中負(fù)荷的自動(dòng)投切。圖1中,納入PLC控制的中壓斷路器有QF1～QF5、QF11～QF28、QF31～QF34,共計(jì)27個(gè)。柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)及并機(jī)由另一套PLC流程控制,包括油路閥門動(dòng)作、柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)并機(jī)以及并機(jī)母線段上開關(guān)動(dòng)作等,一般由柴油發(fā)電機(jī)廠家配套提供。2套PLC邏輯清晰,互不干擾,只在通信上有聯(lián)系。

以下對(duì)典型工況間的切換進(jìn)行控制流程說明。

(1)正常運(yùn)行工況下,兩路市電電源失電、兩路柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)線供電的系統(tǒng)操作流程。

① 兩路市電失電,延時(shí)確定市電失電。

② 斷開QF1、QF2市電進(jìn)線斷路器,并確認(rèn)處于分閘狀態(tài),確認(rèn)母聯(lián)斷路器QF5處于分閘狀態(tài)。

③ 打開柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排風(fēng)風(fēng)閥(風(fēng)閥應(yīng)由UPS電源供電);確認(rèn)風(fēng)閥開啟50%時(shí)(滿足柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)的風(fēng)閥開啟比例需柴油發(fā)電機(jī)廠家確認(rèn)),發(fā)出柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)信號(hào),由柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)控制柴油發(fā)電機(jī)完成起動(dòng)及并機(jī)過程。

④ 記憶兩段10kV母線各個(gè)饋線斷路器狀態(tài),按先容性負(fù)載后感性負(fù)載的順序依次斷開兩段母線上所有饋線斷路器;如A段10kV母線斷開順序?yàn)镼F11、QF13、QF15、QF17、QF19、QF21、QF23、QF25、QF27;切除不被柴油發(fā)電機(jī)保障的三級(jí)負(fù)荷或數(shù)據(jù)機(jī)房無關(guān)負(fù)荷。

⑤ 斷開柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排風(fēng)相關(guān)動(dòng)力變壓器前市電進(jìn)線斷路器QF31、QF32,閉合柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線斷路器QF33、QF34。

⑥ 柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)且并機(jī)完成后,由柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)控制系統(tǒng)閉合并機(jī)母線上饋線開關(guān)(包括10 kV母線供電開關(guān)和柴油發(fā)電機(jī)變壓器專用柴油發(fā)電機(jī)電源開關(guān))。

⑦ 檢測QF33、QF34電源上口帶電,柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)供電變壓器獲得柴油發(fā)電機(jī)供電;確認(rèn)風(fēng)閥全部開啟后,起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)機(jī)。

⑧ 檢測柴油發(fā)電機(jī)電源供電斷路器QF3、QF4上口帶電,閉合QF3、QF4斷路器,兩段10 kV母線帶電。

⑨ 按順序依次恢復(fù)兩段母線上所有饋線斷路器狀態(tài),按先感性負(fù)載后容性負(fù)載的順序依次閉合被斷開的饋線斷路器;如A段10 kV母線閉合順序?yàn)镼F27、QF25、QF23、QF21、QF19、QF17、QF15、QF13、QF11。

⑩ 完成市電和柴油發(fā)電機(jī)電源切換。

(2)兩路柴油發(fā)電機(jī)供電工況下,兩路市電恢復(fù)供電的系統(tǒng)操作流程。

① 延時(shí)判斷市電恢復(fù)。

② 確認(rèn)母聯(lián)斷路器QF5處于分閘狀態(tài)。

③ 確認(rèn)蓄冷裝置后備供冷時(shí)間、UPS后備電池時(shí)間可以維持電源轉(zhuǎn)換期間的需求。

④ 斷開柴油發(fā)電機(jī)供電斷路器QF3、QF4,并確認(rèn)處于分閘狀態(tài)。

⑤ 閉合市電進(jìn)線斷路器QF1、QF2,兩段10 kV母線帶電。

⑥ 斷開柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排風(fēng)供電動(dòng)力變壓器前柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線斷路器QF33、QF34,閉合市電電源進(jìn)線斷路器QF31、QF32。

⑦ 加載不被柴油發(fā)電機(jī)保障的三級(jí)負(fù)荷或數(shù)據(jù)機(jī)房無關(guān)負(fù)荷。

⑧ 延時(shí)發(fā)送柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)信號(hào),停柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)機(jī),關(guān)風(fēng)閥(風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥應(yīng)在接到柴油發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)反饋之后關(guān)閉)。

⑨ 完成柴油發(fā)電機(jī)和市電電源切換。

(3)兩路柴油發(fā)電機(jī)供電工況下,僅A路市電恢復(fù)供電的系統(tǒng)操作流程。

① 延時(shí)判斷市電恢復(fù)。

② 確認(rèn)母聯(lián)斷路器QF5無故障。

③ 確認(rèn)蓄冷裝置后備供冷時(shí)間、UPS后備電池時(shí)間可以維持電源轉(zhuǎn)換期間的需求。

④ 斷開柴油發(fā)電機(jī)供電斷路器QF3、QF4,并確認(rèn)處于分閘狀態(tài)。

⑤ 確認(rèn)已切除單路市電無法保障的三級(jí)負(fù)荷;加載不被柴油發(fā)電機(jī)保障的二級(jí)及以上負(fù)荷。

⑥ 確認(rèn)B路市電斷路器QF2處于分閘狀態(tài),閉合A路市電進(jìn)線斷路器QF1,閉合母聯(lián)斷路器QF5,兩段10 kV母線帶電。

⑦ 斷開柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)排風(fēng)相關(guān)動(dòng)力變壓器前柴油發(fā)電機(jī)電源進(jìn)線斷路器QF33、QF34,閉合市電電源進(jìn)線斷路器QF31、QF32。

⑧ 延時(shí)發(fā)送柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)信號(hào),停柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)機(jī),關(guān)風(fēng)閥(風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥應(yīng)在接到柴油發(fā)電機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)反饋之后關(guān)閉)。

⑨ 完成柴油發(fā)電機(jī)和市電電源切換。

以上流程考慮了柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)制進(jìn)排風(fēng)(無自然進(jìn)排風(fēng)條件),柴油發(fā)電機(jī)電源總?cè)萘坎蛔?無法保障數(shù)據(jù)中心全部負(fù)荷或存在非數(shù)據(jù)中心負(fù)荷)和單路市電電源容量無法保證三級(jí)負(fù)荷的問題,如數(shù)據(jù)中心各類條件均為理想條件,則流程可相應(yīng)簡化。從理論上,市電為容量無限大系統(tǒng),因此在市電恢復(fù)后,柴油發(fā)電機(jī)切市電過程中可不再依次斷開閉合饋線斷路器,但同樣要注意低壓側(cè)各大型電機(jī)(如低壓冷機(jī)、大型泵組)的輪起控制,以免多臺(tái)設(shè)備起動(dòng)電流疊加引起變壓器低壓側(cè)斷路器自保護(hù)跳閘。

市電-柴油發(fā)電機(jī)電源切換控制流程示意圖如圖2所示。

可以粗略推算,兩路市電失電到兩路柴油發(fā)電機(jī)供電的切換時(shí)間,約為210 s,在蓄冷罐和UPS后備時(shí)間充足的情況下,兩路柴油發(fā)電機(jī)供電切回兩路市電供電時(shí)間約為35 s,兩路柴油發(fā)電機(jī)供電切回單路市電供電時(shí)間約為35 s。值得注意的是,以上時(shí)間僅為電源切換時(shí)間,數(shù)據(jù)中心各個(gè)系統(tǒng)的切換仍要考慮非UPS供電動(dòng)力設(shè)備如冷水機(jī)組斷電后的自檢重起時(shí)間。從起動(dòng)電源切換流程到所有設(shè)備投入正常工作,才是數(shù)據(jù)中心在電源切換后的真正恢復(fù)時(shí)間。

4 結(jié) 語

本文旨在從設(shè)計(jì)角度考慮市電和柴油發(fā)電機(jī)電源切換過程的邏輯合理性,例如,根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)自身特性考慮帶載時(shí)先加載感性負(fù)載后加載容性負(fù)載,起動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)時(shí)要考慮進(jìn)排風(fēng)風(fēng)閥動(dòng)作時(shí)間避免柴油發(fā)電機(jī)自保護(hù)停機(jī),柴油發(fā)電機(jī)電源切回市電時(shí)要綜合考慮蓄冷罐充冷情況和UPS電池充電情況,柴油發(fā)電機(jī)或單路市電總?cè)萘坑邢迺r(shí)要注意非保證負(fù)載的提前切除等。鑒于數(shù)據(jù)中心的復(fù)雜性,具體切換邏輯仍需結(jié)合數(shù)據(jù)中心具體情況及業(yè)主運(yùn)維團(tuán)隊(duì)的操作流程進(jìn)行調(diào)整。