張曉艷 蔣毓博

中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司

0 引言

國家近期出臺(tái)的《關(guān)于加快構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)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(dòng)計(jì)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(diǎn)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(yùn)維”方向發(fā)展。筆者以規(guī)模大于等于30000 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架（標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架為換算單位，以功率2.5 千瓦為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架）的超大型數(shù)據(jù)中心配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)優(yōu)化方案為例，總結(jié)配電自動(dòng)化系統(tǒng)在建設(shè)優(yōu)化過程中的經(jīng)驗(yàn)。

超大型數(shù)據(jù)中心的配電自動(dòng)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(diào)”功能模塊的基礎(chǔ)上，新增“AI 算法模塊”“負(fù)載分級(jí)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(nèi)普遍使用SCADA 系統(tǒng)配合繼電保護(hù)裝置、備自投、PLC、ATS 等裝置實(shí)現(xiàn)故障場景下的電力自動(dòng)投切，但對(duì)于超大型數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備分散的大系統(tǒng)，存在以下瓶頸：一是開關(guān)邏輯動(dòng)作簡單，都是采用預(yù)先設(shè)計(jì)的程序?qū)㈤_關(guān)動(dòng)作邏輯寫到設(shè)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(dòng)控制需求；二是無負(fù)載分級(jí)自動(dòng)化控制功能，不具備根據(jù)負(fù)載優(yōu)先級(jí)分別進(jìn)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(jìn)線供電場景，對(duì)于多路進(jìn)線等供電方式束手無策。所以在設(shè)計(jì)及建設(shè)超大型數(shù)據(jù)中心配電自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，要綜合考慮安全供電路徑搜索算法、負(fù)載分級(jí)投切機(jī)制及能效分析功能，使得一線運(yùn)維人員不僅在面對(duì)復(fù)雜的設(shè)備故障時(shí)能“智慧運(yùn)維”，而且能在日常維護(hù)中做到“綠色運(yùn)維”。

2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

超大型數(shù)據(jù)中心配電自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)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(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

子工作站通過RS485 總線連接全量末端電力設(shè)備，依據(jù)modbus 通訊規(guī)約將設(shè)備裝置連入自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，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(jì)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(shè)備，轉(zhuǎn)移失電負(fù)載至安全供電路徑。命令下發(fā)后，高壓開關(guān)柜基于采樣單元、存儲(chǔ)單元、計(jì)算單元、比較單元、控制單元執(zhí)行相應(yīng)的命令完成開關(guān)動(dòng)作。

2.2 AI 安全供電路徑搜索算法

算法將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系等效為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的互聯(lián)矩陣。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，識(shí)別并標(biāo)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(fù)載分配給其他電源。在搜索路徑的過程中：

其中Se 為運(yùn)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(luò)開關(guān)狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)運(yùn)行線路額定容量大于實(shí)際失電容量且聯(lián)絡(luò)開關(guān)不處于故障區(qū)域時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)可以動(dòng)作，反之聯(lián)絡(luò)開關(guān)不可以動(dòng)作，算法跳過該聯(lián)絡(luò)開關(guān)并進(jìn)行下一層級(jí)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(zhǔn)確地將不同故障情況下電力系統(tǒng)帶電情況實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型給以計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)籌計(jì)算調(diào)度，再將計(jì)算結(jié)果生成的方案通過通訊命令的方式讓末端高壓開關(guān)進(jìn)行執(zhí)行調(diào)度，以滿足超大型數(shù)據(jù)中心對(duì)電力系統(tǒng)的容災(zāi)需求。運(yùn)用安全供電路徑AI 算法后可以對(duì)全園區(qū)電力設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度，更好地挖掘設(shè)備容量潛力，縮短投資回報(bào)周期。

下面以“進(jìn)線跳閘故障，且在應(yīng)急倒閘過程中發(fā)生開關(guān)拒動(dòng)”這樣多故障的復(fù)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(jìn)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(jí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，滿足負(fù)載轉(zhuǎn)移條件（Se -βSLMAX ＞ 0）；

（3）繼續(xù)向下搜索，電源1 路徑開關(guān)拒動(dòng)，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(jí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，計(jì)算并判斷二級(jí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)可以承載轉(zhuǎn)移后的負(fù)載（Se - βSLMAX ＞ 0）；

（5）生成開關(guān)動(dòng)作方案，投入二級(jí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將負(fù)載轉(zhuǎn)移至電源1。

2.3 負(fù)載分級(jí)機(jī)制

雖然數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)絕對(duì)不允許中斷，但不同的設(shè)備及業(yè)務(wù)種類還是有重要性區(qū)別，比如集中供冷單元、核心業(yè)務(wù)相對(duì)而言比較重要。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)從以下幾個(gè)方面考慮優(yōu)先級(jí)別：

（1）重要?jiǎng)恿υO(shè)備優(yōu)先：集中式制冷站斷電后4 分鐘需要恢復(fù)供電，保證機(jī)房供冷的連續(xù)性。

（2）傳輸/網(wǎng)絡(luò)出口優(yōu)先：園區(qū)的傳輸/網(wǎng)絡(luò)機(jī)房電力中斷后會(huì)形成“數(shù)據(jù)孤島”，斷開與外部網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，保障級(jí)別也相對(duì)普通數(shù)據(jù)機(jī)房要高。

（3）重要業(yè)務(wù)優(yōu)先：承載多區(qū)域多用戶的數(shù)據(jù)機(jī)房也相較其他普通數(shù)據(jù)機(jī)房保障級(jí)別要高。

當(dāng)發(fā)生供電中斷時(shí)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)先使用市電給重要負(fù)載恢復(fù)供電。如果出現(xiàn)負(fù)載量不足時(shí)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)立刻給油機(jī)并機(jī)柜發(fā)送油機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)滿足剩余負(fù)載的最小并機(jī)數(shù)量后，控制油機(jī)饋線柜合閘，投入發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。這樣就可以以最短的時(shí)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(dòng)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(dòng)作邏輯為當(dāng)負(fù)載電源雙路失電時(shí)立刻啟動(dòng)并投入油機(jī)，如果供電架構(gòu)為多路進(jìn)線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)市電容量充足的情況下仍要啟動(dòng)油機(jī)的情況。而配電自動(dòng)化系統(tǒng)則會(huì)優(yōu)先判斷市電容量是否可以滿足失電負(fù)載要求，如果滿足就控制開關(guān)直接投入市電，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了負(fù)載分級(jí)保障功能。

圖4母線間的互備關(guān)系為“I-VI”“II-III”“IV-V”；負(fù)載側(cè)的互備關(guān)系為“I-IV”“II-V”“III-IV”。當(dāng)1#變壓器和2#變壓器失電時(shí)如果采用ATS，則會(huì)自動(dòng)判斷負(fù)載1 及負(fù)載2 雙路失電，立刻啟動(dòng)油機(jī)電源并投入運(yùn)行帶載失電負(fù)載；如果使用配電自動(dòng)化系統(tǒng)，則會(huì)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(cè)02 號(hào)母聯(lián)開關(guān)和負(fù)載側(cè)12 號(hào)母聯(lián)開關(guān)，將負(fù)載1 和負(fù)載2 轉(zhuǎn)移至3#主變帶載。

圖4 園區(qū)母線互備關(guān)系圖

2.4 智能用電分析

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)庫能支撐能效數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析，基于末端上千個(gè)測點(diǎn)實(shí)時(shí)上傳的電力數(shù)據(jù)，經(jīng)過讀取、歸納、處理，從園區(qū)、機(jī)樓、房間、設(shè)備等全維度自動(dòng)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(jié)合專家數(shù)據(jù)庫和園區(qū)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)生成能效優(yōu)化建議，實(shí)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(cè)智能電表讀取用電數(shù)據(jù)；機(jī)樓層面通過讀取機(jī)房樓10kV 高壓進(jìn)線電表獲得電能值；此外，配電系統(tǒng)增擴(kuò)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(shí)別冷卻塔、冷卻泵、冷水機(jī)組、冷凍泵、數(shù)據(jù)機(jī)房、電力機(jī)房等設(shè)備電度量，做到實(shí)時(shí)全維度獲取用電數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 新增測點(diǎn)表

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除用電數(shù)據(jù)外，配電系統(tǒng)從測點(diǎn)取得的大量電力指標(biāo)數(shù)據(jù)，能夠幫助運(yùn)維人員遠(yuǎn)程判斷設(shè)備運(yùn)行情況，并通過指標(biāo)量快速評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)全覆蓋監(jiān)控。

3 優(yōu)化應(yīng)用實(shí)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(gòu)成，其中各級(jí)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(gè)進(jìn)線開關(guān)和一個(gè)母聯(lián)開關(guān)。10kV 柴油發(fā)電機(jī)組并接在10kV 高壓母線上，當(dāng)母線完全失電后啟動(dòng)發(fā)電。

自2021 年初應(yīng)用至今，配電系統(tǒng)24 小時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控全園區(qū)約1600 臺(tái)電力設(shè)備（高壓柜、低壓柜、柴油發(fā)電機(jī)組等），實(shí)時(shí)上傳設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及告警信息至運(yùn)維人員，幫助運(yùn)維人員判斷當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行調(diào)度。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)以毫秒為時(shí)間單位生成完整的開關(guān)動(dòng)作方案，發(fā)送控制命令至對(duì)應(yīng)的設(shè)備，將故障區(qū)域內(nèi)的設(shè)備轉(zhuǎn)移至正常運(yùn)行區(qū)域或冗余區(qū)域，保障末端設(shè)備正常運(yùn)營生產(chǎn)。

當(dāng)投入配電系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)單路市電中斷演練時(shí)，系統(tǒng)群控所有開關(guān)，僅耗時(shí)2 分鐘完成倒閘，期間發(fā)生開關(guān)拒動(dòng)后，自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作方案，將故障影響范圍和時(shí)間控制到最小，總時(shí)間2 分57 秒（其中重要負(fù)載在27 秒的時(shí)間內(nèi)優(yōu)先恢復(fù)供電），遠(yuǎn)低于行業(yè)平均耗時(shí)。詳細(xì)對(duì)比數(shù)據(jù)如表2 所示。

4 結(jié)束語

通過對(duì)超大型數(shù)據(jù)中心配電自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，拓展了配電自動(dòng)化系統(tǒng)的功能及應(yīng)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(luò)樞紐中心，更好地賦能數(shù)字經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展。