基于IEC 61850的數(shù)據(jù)中心智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

李軍學(xué)，霍海鋒，朱帥華

（1.廣州中浩控制技術(shù)有限公司，廣州 510070；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510925）

0 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等新一代信息技術(shù)的普及，其背后需要海量的數(shù)據(jù)作為計算支持，同時在國家十四五規(guī)劃、新基建、東數(shù)西算與數(shù)字化行業(yè)的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)中心進入持續(xù)快速發(fā)展期[1]，因此作為基礎(chǔ)支撐的數(shù)據(jù)中心建設(shè)得到了蓬勃發(fā)展。數(shù)據(jù)中心廣泛應(yīng)用于通信、金融、商業(yè)等網(wǎng)絡(luò)交易系統(tǒng)中，通常要求24 h 不間斷運行，具有極高的可靠性要求。任何現(xiàn)代化的IT 設(shè)備都離不開電源系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)是為機房內(nèi)所有需要動力電源的設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的動力電源支持的系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)對于整個數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)來說猶如人體的心臟-血液系統(tǒng)。根據(jù)電力系統(tǒng)可靠性等級劃分，數(shù)據(jù)中心屬于一級負(fù)荷中的重要負(fù)荷，對數(shù)據(jù)中心的供電可靠性提出了更高要求[2]。依據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，數(shù)據(jù)中心必須有可靠的供電措施。根據(jù)規(guī)范，一級負(fù)荷必須配置雙路不同電源供電，并且應(yīng)配置獨立應(yīng)急電源供電[3]。因此，在電源進線配置2 路來自不同變電站市電，再配置柴油發(fā)電機（以下簡稱“油機”）作為市電全失后的備用電源就成為數(shù)據(jù)中心的典型配置。

A 級數(shù)據(jù)中心采用2 N 的供電網(wǎng)絡(luò)，2 路10 kV 市電電源互為熱備用，當(dāng)一路進線失電，通過合上母聯(lián)，另一路能承擔(dān)全部數(shù)據(jù)中心負(fù)荷；當(dāng)兩路市電停電時，需要啟動柴油發(fā)電機供電，由于油機功率有限，在實現(xiàn)市電供電向油機供電轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)自動逐級投切負(fù)荷；當(dāng)柴油發(fā)電機出現(xiàn)故障時，由UPS不間斷電源進行供電，保證負(fù)荷供電可靠性[4]。

但一般數(shù)據(jù)中心的UPS 電源按15 min 配置，當(dāng)市電電源出現(xiàn)故障時，運維人員要在15 min 內(nèi)快速完成電源和負(fù)載的投切工作且不能出錯，還需要對系統(tǒng)是否存在故障進行判斷，這對運維人員要求極高。因此，需要一套智能投切系統(tǒng)來完成復(fù)雜的備用電源和負(fù)載投切[5]。

傳統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心智能投切功能是用PLC 或獨立的投切裝置，對裝置的硬件配置要求較高，還需要配合大量的繼電器和二次接線來實現(xiàn)，十分繁雜。本文以實際工程項目介紹一種基于IEC 61850 的數(shù)據(jù)中心智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用方式，可以極大地降低設(shè)計、施工、調(diào)試和維護成本，并提高智能投切的可靠性。

1 智能控制系統(tǒng)原理

智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有3種方式。

（1）基于PLC的控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的PLC 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，其優(yōu)勢是邏輯可編程,是針對工業(yè)環(huán)境設(shè)計的電子裝置[6]。但是，使用PLC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心電源切換，需要有源電壓電流變送器、開出繼電器等大量額外附件，導(dǎo)致整個系統(tǒng)環(huán)節(jié)繁雜，影響系統(tǒng)的可靠性和可用性。更為重要的是，PLC 專為工業(yè)控制設(shè)計，其電磁兼容性能不滿足高壓電網(wǎng)的基本要求（PLC電磁兼容按工廠配電環(huán)境考慮(B級，380 V)），而與公用電網(wǎng)相連的數(shù)據(jù)中心高壓系統(tǒng)屬于C級，參見《IEC 61131-2可編程控制的設(shè)備要求和測試》，并且《國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求保護裝置由屏外引入的開入回路應(yīng)采用±220 V/110 V直流電源。光耦開入的動作電壓應(yīng)控制在額定直流電源電壓的55%～70%。所以基于PLC 的智能控制系統(tǒng)并不能滿足數(shù)據(jù)中心要求。

（2）基于獨立控制裝置的控制系統(tǒng)

采用獨立的電力專用自動控制裝置來實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)功能，可以避免上述PLC 控制系統(tǒng)的問題。但該方案存在弊端，由于智能控制系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，需要大量的信號傳輸和交換，因此需要大量的二次接線，這不僅使得前期設(shè)計工作變得復(fù)雜，也增加了施工的工作量，施工周期長，成本高。而且繁雜的二次接線容易出錯，會間接影響項目周期。另外，大量的信號傳輸使得裝置需要配置大量的I/O 來實現(xiàn)，這對硬件配置要求較高，成本也會隨著I/O 數(shù)量升高，有時會出現(xiàn)裝置的I/O 數(shù)量并不滿足復(fù)雜邏輯信號的數(shù)量要求。所以采用獨立一體的電力裝置實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有接線復(fù)雜，設(shè)計、實施和維護成本較高的問題。

（3）基于IEC 61850 GOOSE的控制系統(tǒng)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是目前通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的趨勢，是國際國內(nèi)通用的標(biāo)準(zhǔn)[7]，其特點是面向?qū)ο蠹夹g(shù)定義了一個變電站自動化的抽象模型，規(guī)定了各個IED（智能設(shè)備）之間如何通信。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)體系完善，相對于基于報文結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)規(guī)約，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)有明顯的技術(shù)特點和優(yōu)勢。面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，實現(xiàn)了IED 的互操作性，建立了統(tǒng)一的設(shè)備和系統(tǒng)模型[8]，采用XML 配置語言。XML 是一種文本文檔的標(biāo)記語言，具有可擴展性且可以建立任何需要的標(biāo)記[9]，設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，大大提高了系統(tǒng)的集成性。IEC 61850是變電站自動化通信標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)目標(biāo)是實現(xiàn)雙方快速準(zhǔn)確地理解相互傳達(dá)與接收的邏輯信息命令，并正確執(zhí)行命令，IEC 61850使電力系統(tǒng)形成一個整體結(jié)構(gòu)，其可行性、開放性的特點，不僅節(jié)省成本，而且延長了系統(tǒng)的使用壽命[10]。

在數(shù)據(jù)中心10 kV 系統(tǒng)進出線柜配置施耐德電氣公司Micom P5 系列的保護裝置，采用IEC 61850 的GOOSE協(xié)議[11]。GOOSE 是IEC 61850 定義的一種快速報文傳輸機制[12]，面向?qū)ο蟮氖录绞絺鬟f信息，采用RSTP 快速生成協(xié)議樹的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)裝置與裝置之間快速、可靠的數(shù)據(jù)交換。裝置與裝置之間采用網(wǎng)絡(luò)方式替代二次控制電纜，GOOSE 報文是一種實時應(yīng)用，主要傳送間隔閉鎖信號和實時跳閘信號。GOOSE 應(yīng)用層協(xié)議具有檢查重發(fā)的功能，能夠有效提高傳輸可靠性，信號的通信延遲小于4 ms[13]。

GOOSE 對于信息傳輸具有實時可靠的優(yōu)勢，其最大特點是通信連接一經(jīng)確立，在保證充足寬帶情況下，可隨意添加通信連接，具有較強的擴展性。利用GOOSE通信可減少電纜連接，節(jié)約資源成本，還能有效解決二次回路錯誤接觸問題，保證二次回路的完好性。采用GOOSE 后，二次電纜的設(shè)計和連接工作變成了GOOSE通信組態(tài)和GOOSE 配置文件下載的工作。對于每一臺裝置而言，其GOOSE 輸入輸出與傳統(tǒng)端子排仍然存在對應(yīng)關(guān)系[14]。二次設(shè)備廠家可以根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計規(guī)范設(shè)計并提供出其裝置的GOOSE 輸入輸出端子定義；屏柜內(nèi)接線大量減少，屏柜間實際接線工作也大量減少，其他工作是類似的。調(diào)試工作也將變得快速簡單，這些將有利于提高建設(shè)調(diào)試速度。

作為提高可靠性的措施，保護GOOSE 需要檢查到背板有效的起動信號，才會發(fā)送跳閘類型信號，否則跳閘信號始終為‘0’不啟動。保護GOOSE 板接收除多播地址匹配外，還要嚴(yán)格檢查AppID、REF、DATASET，在雙網(wǎng)的情況下，GOOSE 板根據(jù)報文中的ST、SQ 值來判斷是新報文還是冗余報文，分別進行處理，如果超過設(shè)定的間隔而沒有收到設(shè)定的GOOSE 輸入，將報GOOSE斷鏈報警，提醒用戶檢查鏈路[15]。

綜上，淋水降溫依然未能根本解決高負(fù)載比鉆機車連續(xù)長下坡制動問題，必須研究其他形式的速度控制方法，筆者分析了采用緩速裝置來控制鉆機車車速的方法。

為提高系統(tǒng)的可靠性，保護裝置的通信網(wǎng)絡(luò)一般設(shè)為雙環(huán)冗余模式。冗余環(huán)系統(tǒng)可以實現(xiàn)在嚴(yán)酷的環(huán)境下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)遇到故障時，在較短時間內(nèi)恢復(fù)通信，并返回用戶故障信息，有效保護關(guān)鍵數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)中斷造成的損失，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[16]。因此在突發(fā)狀態(tài)下，巨量網(wǎng)絡(luò)報文應(yīng)能及時發(fā)送到合適的裝置。因此，使用基于RSTP 協(xié)議的保護裝置具有快速網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的檢測功能[17]，快速網(wǎng)絡(luò)報文的處理功能，在網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的情況下可以保證保護裝置不丟失正常網(wǎng)絡(luò)的報文，保護功能性能不受影響。RSTP 是在STP（Spanning Tree Protocol）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的環(huán)網(wǎng)協(xié)議[18]，RSTP 為快速生成樹協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中各交換設(shè)備通過RSTP 算法來定義各端口狀態(tài)（轉(zhuǎn)發(fā)或不轉(zhuǎn)發(fā)），最后構(gòu)成樹狀通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)某兩個交換設(shè)備之間鏈路出現(xiàn)問題，可以再通過RSTP 算法找到其他鏈路來生成新的樹，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)冗余。智能控制系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)拓?fù)涫疽?/p>

2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計組成

該數(shù)據(jù)中心由兩級供電系統(tǒng)構(gòu)成，一級供電系統(tǒng)由兩路10 kV 外部市電進線和數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機進線組成，二級供電系統(tǒng)由上一級電源出線作電源進線，并和母聯(lián)柜及負(fù)載出線柜組成二級供電系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心電氣接線如圖2 所示。安裝在各個高壓柜的微機繼電保護裝置A1～A4、B1～B3、C1～C6、D1～D6、E1～E2 通過網(wǎng)線組成RSTP 冗余網(wǎng)絡(luò)，它們通過IEC 61850 GOOSE通信協(xié)議相互傳遞信號。

圖2 數(shù)據(jù)中心電氣接線

（1）安裝于1、2號市電進線柜和1、2號油機進線柜的A1～A2、A3～A4 分別組成ATS 系統(tǒng)，通過其內(nèi)部的ATS 控制邏輯，當(dāng)市電停電時，自動切換至柴油發(fā)電機供電，保障供電可靠性。

（2）安裝于1號電源進線、母聯(lián)柜和2號電源進線柜的B1～B3 微機繼電保護裝置組成母聯(lián)備自投系統(tǒng)，通過其內(nèi)部的母聯(lián)備自投邏輯，當(dāng)1號電源進線或2號電源進線停電時，自動斷開其開關(guān)，并自動合上母聯(lián)柜，保證停電母線繼續(xù)供電，進一步提高供電可靠性。

（3）安裝于負(fù)載出線柜的C1～C6、D1～D6 微機繼電保護裝置分別組成了負(fù)載智能投切系統(tǒng)。當(dāng)市電切換至油機供電時，由于油機的容量有限且變壓器負(fù)載較多，為避免切換至油機供電時變壓器的勵磁涌流對發(fā)電機產(chǎn)生沖擊電流，導(dǎo)致發(fā)電機拖垮，

變壓器需要逐級投切[19]，當(dāng)1、2號市電進線停電啟動ATS系統(tǒng)時，負(fù)載智能投切系統(tǒng)將逐個負(fù)載出線柜切除；當(dāng)ATS完成切換至油機供電時，負(fù)載智能投切系統(tǒng)將負(fù)載出線逐個投入恢復(fù)供電。同理，當(dāng)1、2號電源進線停電啟動母聯(lián)備自投系統(tǒng)時，負(fù)載智能投切系統(tǒng)將自動逐級切除和投入負(fù)載。負(fù)載的投入順序可以根據(jù)負(fù)載的重要性進行調(diào)整。

3 智能控制系統(tǒng)邏輯

總體要求：數(shù)據(jù)中心10 kV 系統(tǒng)采用單母分段的接線方式，每段安裝一套中壓ATS 柜，采用N+1 的供電方式。每段母線安裝兩回進線其中一回市電進線、一回油機進線，正常運行由各自市電帶本段母線負(fù)載，市電與聯(lián)絡(luò)之間采用備自投自投不自復(fù)的模式。優(yōu)先采用市電供電，當(dāng)兩回進線全部失電后，ATS 系統(tǒng)啟動柴油發(fā)電機供電。油機不能承受在同一時間多臺變壓器啟動，還需在油機供電后實現(xiàn)變壓器的逐級投切功能。

正常運行狀態(tài)：兩路市電進線斷路器合、母聯(lián)分位；油機并機柜上各發(fā)電機斷路器打開；油機并機柜上發(fā)電機出線斷路器打開；10 kV Ⅰ段和10 kV Ⅱ段上油機進線斷路器打開；負(fù)荷由市電電網(wǎng)供電。

以市電一失電為例，分析備自投邏輯。初始運行狀態(tài)：市電進線1 開關(guān)和市電進線2 開關(guān)合位，母聯(lián)分位，油機進線1和油機進線2分位且在工作位置，系統(tǒng)為自動狀態(tài)。若市電進線1失電（10 kV Ⅰ段母線無壓、市電進線1無流）、市電進線1開關(guān)合位，判定市電電源1異常，自動跳開市電進線1 開關(guān)。確認(rèn)上述操作跳開的各開關(guān)均已分開后，合上母聯(lián)開關(guān)，原來由市電電源1 供電的負(fù)荷轉(zhuǎn)由市電電源2 供電。上述邏輯的閉鎖條件：PT 斷線告警（VTFF）；手動跳開市電1進線開關(guān)；市電1進線開關(guān)無電流保護動作。市電二失電的備自投邏輯同理。

雙市電電源失電情況下的智能投切邏輯。系統(tǒng)處于自動狀態(tài)。市電1 和市電2 均異常時（市電1失電、市電2 失電），經(jīng)油機啟動延時，智能投切系統(tǒng)跳開10 kV 母線段所有進出線、母聯(lián)開關(guān)，ATS 系統(tǒng)發(fā)油機啟動信號至發(fā)電機控制系統(tǒng)并保持，同時啟動發(fā)電機最大正常啟動時間計時器。發(fā)電機控制系統(tǒng)分別啟動油機，并控制最先達(dá)到電壓和頻率條件的發(fā)電機的斷路器合閘到發(fā)電機母線，此后發(fā)電機控制系統(tǒng)將控制其他各臺發(fā)電機經(jīng)過同期檢查逐一并列到發(fā)電機母線。發(fā)電機并機完成后，發(fā)電機控制系統(tǒng)控制合上油機出線斷路器1 和油機出線斷路器2。判定油機電源正常后（油機電源1、2 電壓正常），經(jīng)過油機電源穩(wěn)定延時，市電電源仍異常，則開始由市電電源向油機電源切換過程。ATS 系統(tǒng)合油機進線開關(guān)，確認(rèn)開關(guān)合閘后，此時閉鎖失電備自投。完成市電全失后發(fā)電機啟動供電過程。

智能投切系統(tǒng)投切邏輯控制。檢測到油機進線有壓且合閘后，由智能投切系統(tǒng)按照負(fù)荷出線重要性等級，由重要性最高向重要性最低順序逐次合上數(shù)據(jù)中心10 kV 母線Ⅰ段和Ⅱ段各出線開關(guān)。各負(fù)荷出線斷路器有保護動作/試驗位置/就地控制信號送到智能投切系統(tǒng)ATS，說明該路出線有故障或退出運行等狀況，智能投切系統(tǒng)執(zhí)行會跳過分合該斷路器的步驟。

4 智能控制系統(tǒng)優(yōu)勢

本文提出利用10 kV 高壓柜上的微機繼電保護裝置，通過IEC 61850 GOOSE 協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的智能控制系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)方式，該方式具有以下優(yōu)勢。

（1）設(shè)計簡單

前期圖紙設(shè)計時不需要設(shè)計復(fù)雜的信號，減少設(shè)計工作量，加快設(shè)計出圖速度，加快項目進度。

（2）施工簡單

由于信號傳遞通過IEC 61850 實現(xiàn)，只需一根網(wǎng)線，無需大量的二次線，節(jié)省了大量的施工量，縮短了施工周期，節(jié)約施工成本。

（3）可靠性提高

采用IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)設(shè)計，將二次硬接線改為數(shù)字化裝置之間基于高速以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，從而避免共模和差模干擾，減少接線錯誤，提高系統(tǒng)的運行可靠性[20]。

（4）節(jié)約硬件成本

利用微機繼電保護裝置實現(xiàn)，無需配置專用的控制裝置和組屏安裝，節(jié)約大量的硬件成本。

（5）靈活擴容

當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)整控制邏輯時，無需更改二次接線，只需調(diào)整GOOSE 信號即可，不僅節(jié)省了施工成本，而且對不能隨意停電的數(shù)據(jù)中心作用很大。

（6）主動報警

傳統(tǒng)的二次接線如果出現(xiàn)松動，系統(tǒng)無法察覺，會導(dǎo)致智能控制系統(tǒng)需要切換的關(guān)鍵時刻無法實現(xiàn)，對供電可靠性造成威脅。使用IEC 61850 GOOSE 實現(xiàn)時，當(dāng)GOOSE 信號傳遞出現(xiàn)異常時，會主動報GOOSE 錯誤，提醒運維人員及時排查故障，保證智能控制系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

該數(shù)據(jù)中心已經(jīng)投入使用，其10 kV 供電系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試運行良好，市電母聯(lián)備自投、市電-油機備自投、變壓器冷熱備自投等功能準(zhǔn)確無誤，智能投切系統(tǒng)逐級減載加載順序正確，各方面都達(dá)到或超出了用戶的預(yù)期，成為數(shù)字化供配電系統(tǒng)應(yīng)用的典型案例工程。該系統(tǒng)的建立，不僅可以提高工程效率，減少浪費，賦能運維，還能讓專業(yè)化的協(xié)作全生命周期保持一致，并且具有顯著的經(jīng)濟價值，具有縮短交付周期、降低成本及提升運維效率的優(yōu)勢。本文總結(jié)的基于IEC 61850 的數(shù)據(jù)中心智能投切系統(tǒng)設(shè)計可廣泛推廣于重要終端用戶的供用電系統(tǒng)新建、改造項目，為國家綠色電網(wǎng)發(fā)展貢獻積極的力量。