重康动力（深圳）有限公司

摘要： 如何保障整个供电系统的安全将是数据中心建设所面临和思考的重大问题，随着当前大数据中心建设的规模、等级、供电系统的复杂程度越来越高，在整个供电系统的安全供电和安全运维上，仅仅依赖于柴油发电机组运维人员的经验、技能水平的以往人工操作显然已不能满足大中型数据中心在供电发生故障时，能够在条件有限的情况下快速恢复供电这一重要需求。本文说明数据中心柴油发电机组配电系统控制逻辑的目的与运行功能需求，梳理市电与柴发切换的控制逻辑，并列出七种运行方式的组合情况。

当数据中心10kV供电系统可能出现各种不同故障场景，如市电正常、一路市电失电、两路市电失电、备用电源失电、市电保护跳闸、馈线保护跳闸、开关拒分拒合，按照供电工艺要求，预先设置与之对应的应急切换方案，当故障发生时系统自动根据故障场景进行逻辑判断，完成预案设置的10kV系统故障报警、备自投、自动投切等自动控制功能，实现系统尽快恢复供电，快速地指导运维人员处理供电系统在运行过程中出现的不同故障，减少故障时由运维人员手动操作导致的误判断、误操作。使运维更加简单便捷，使系统更加安全可靠，致力于提高数据中心整个系统持续运行的安全可靠性。

 

一、控制逻辑的目的

 

1. 数据中心的供电要求

数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，是推行"互联网+"战略发展的重要支撑平台，近些年来蓬勃发展，规模和数量增长迅速。

（1）规范要求

对于数据中心的供电系统，《数据中心设计规范》GB50174-2017要求，A级数据中心需要"具备双重市电"，同时"宜配备柴油发电机组作为后备电源"。

（2）设备可靠性要求

为确保数据中心可靠、完备、正常的柴油发电机组后备电源发输配电要求，要求变压器、柴油发电机组、高低压开关柜等发输配电设备可靠工作。

（3）监控系统的作用

同时功能完备的柴油发电机组监控系统可以持续收集和管理设备的运行状态，便于集中控制管理，进一步保障可靠安全运行。

（4）供电连续性的意义

数据中心承载的业务对供电中断极为敏感，短时停电即可能造成数据丢失或业务中断，因此后备电源的可靠投入是数据中心供电系统设计的核心目标。

2. 传统并机方式的局限

（1）优先级并机方式

目前，数据中心后备电源系统多台柴油发电机组并联使用时，传统的方式为通过设置优先级来控制优先级别较高的机组进行并机。通用型配电系统图如图1所示。

（2）并机时间的制约

这种方式并机的时间受优先级高的机组影响，甚至会造成优先级别较低的机组无法进行并机。

（3）对供电可靠性的影响

若优先级高的机组启动缓慢或启动失败，将直接影响整个并机过程，延长备用电源投入时间，进而影响数据中心的供电连续性。

 

 

图1  柴油发电机房通用型配电系统图

 

二、运行功能需求

 

1. 控制逻辑遵循的原则

10kV反措预案控制系统的设计，严格遵循数据中心设计要求，结合实际运维的需求进行深化设计，整个控制逻辑在编程之前提交给甲方进行确认。控制逻辑遵循下列原则设计：

（1）不允许并网运行

各中压配电所引入的两路10kV市电之间、所有发电机电源和10kV市电电源之间不允许并网运行，同一段母线市电电源与油机电源不允许并网运行。

（2）二选一逻辑关系

市电电源与油机电源之间为二选一逻辑关系，即同一段母线在同一时刻只能由市电或油机其中之一供电。

（3）五选二逻辑关系

两路市电进线开关、市电母联开关、两路油机电源进线开关为五选二逻辑关系。

（4）原则的意义

不允许并网运行可避免市电与油机之间产生环流或相位冲突；五选二逻辑则保证在五种电源进线中始终只有两条通路闭合，既能实现电源切换，又不至于形成多余的并联路径。

2. 电源总进线的运行方式

（1）避免带负荷送电

为避免带负荷送电，市电失电后需由油机备用电源供电时，先需断开对应失电母线上所有馈出线断路器开关，再执行单/双路市电失电的自动化切换控制逻辑。

（2）逐步恢复供电

当失电母线重新带电时（切换至油机电源供电），根据数据中心工艺要求或负荷等级的重要程度依次遥控合闸馈线断路器开关，逐步恢复供电。

（3）不自复功能的要求

为了10kV供电系统的安全稳定，按招标要求方案设计时只考虑10kV系统无法满足供电需求时的自动控制投切功能，当市电恢复或者故障解除后，系统不需要做自复功能控制，由运维人员跟上级供电部门核实确认之后，并进行现场确认后再手动操作。

（4）不自复的原因

市电恢复后是否立即切回，涉及上级电网是否真正稳定、是否存在再次失电的可能，由运维人员与供电部门核实后再操作，可避免在电网尚未稳定时反复切换。

3. 反措预案控制系统的功能

（1）保护功能的分工

10kV反措预案控制系统主要是在市电失电时完成恢复供电的切换，为智能运维管理的提供保障服务，因此高压配电系统保护功能由综合保护装置完成，如速断、过流、过载保护、短路保护，变压器超高温跳闸等所有保护功能。

（2）保护动作时的闭锁

当综合继电保护系统因保护动作使配电设备断路器跳闸动作时，控制系统将闭锁应不动作，但提供相应的告警信号告知运行维护人员。

（3）功能分工的意义

保护功能与切换功能分开，可避免控制系统在保护动作时误发切换命令，也可避免因保护动作而掩盖真实的故障信息，便于运维人员判断故障性质。

4. 反措预案控制系统的分期配置设计

（1）考虑后期扩建

整个系统设计应考虑后期系统扩建的需求，确保后期扩建系统能接入，并对原有系统不会造成影响。

（2）控制程序的分期

控制程序只按当期进行设计，后期系统扩容时再进行控制程序的升级。

（3）分期设计的意义

分期设计可避免一次性投入过大，也可避免为远期预留过多接口而增加当期系统的复杂度与故障点。

 

三、市电和柴发切换控制逻辑

 

1. 两路市电同时失电的切换逻辑

（1）失电检测与分闸

每段市电电源进线前端的PT状态由本段母线上的控制器进行监测，当两路市电的PT均失电，且市电进线开关未分闸（开关无保护分闸）时，延时4s对两路市电开关进行分闸，分闸后延时2s对发电机组并机控制系统发出启动机组的信号。单台柴油发电机组控制逻辑如2图所示。

（2）机组启动与并机

当同时收到任意一组内两台控制器发来的启动信号时，柴油发电机并机控制系统发出指令启动所有发电机组，并在应急（并机）母线上进行逐台并机。多台柴发联合控制逻辑如图3所示。

（3）并机完成与馈电开关闭合

当发电机组并机台数达到11台（可根据负荷调整数量）时，机组完成并机，并机控制系统再次发出指令闭合应急母线上的馈电开关，应急母线向市电母线输出电能。

（4）馈电开关的断开

当市电母线上的备用电源进线开关前端的PT被检测到带电，且监测市电无压后，断开本段母线上3个（二、三、四层）馈电变压器的馈电开关（一层馈电变压器的馈电开关不断开）。

（5）分步加载过程

首先延时2s，闭合本段母线上的备用电源进线开关；其次延时5s，闭合本段母线上馈电至二层变压器的馈电开关；再次延时5s，闭合本段母线上馈电至三层变压器的馈电开关；最后延时5s，闭合本段母线上馈电至四层变压器的馈电开关。此时，完成市电电源向备用电源的切换和备用电源分步加载的过程，另一段母线控制要求同上。

（6）分步加载的意义

分步加载可使柴油发电机组逐步承接负荷，避免一次性投入全部负荷造成机组转速下降或频率波动，同时给机组调速系统留出响应时间。

2. 市电恢复后的切换逻辑

（1）手动与自动两种方式

市电电源恢复后，运维人员手动逐级切换恢复至市电电源供电状态，同时要求具备自动恢复功能，当设置为自动恢复时，要求如下。

（2）自动恢复的判断

市电电源恢复后，10kV自动切换装置会读取综保参数，判断市电电源已符合电源正常条件时，先控制跳开发电机组进线开关，确认跳开信号后（若未得到跳开信号应立即发出报警信号并联锁暂停下一步操作），跳开馈线至变压器的输出开关，再合上市电电源10kV进线开关。

（3）逐步恢复馈电开关

之后按照5s步距，逐步闭合市电电源母线上馈电至每层变压器的输出开关，并在设定的发电机组停机延时时间到后发出机组停机命令。

（4）市电提前来电的处理

自动状态下，在柴发并机完成，备用电源开关尚未闭合前，若市电电源来电，则终止柴发带载逻辑，切换至市电侧带载。

（5）确认跳开信号的必要性

在自动恢复过程中，先确认发电机组进线开关已跳开，再合上市电进线开关，是为避免市电与油机短时并联，从而防止两者之间产生冲击电流。

3. 一路市电失电后另一路再失电的切换逻辑

（1）母线开关的断开

一路市电失电后由另一路市电带两段母线时，此时如果第二路市电再失电，则断开母线开关。

（2）延时后断开进线开关

并延时4s后断开第二路市电进线开关。

（3）延时后启动机组

再延时5s后向发电机组并机控制系统发出启动机组的信号。

（4）切换与分步加载

逐步完成市电电源向备用电源的切换和备用电源分步加载的过程。

（5）油机测试时的处理

若油机测试时两路市电失电，此时为手动操作，不涉及控制逻辑。

 

图2  单台柴油发电机组控制逻辑图

图3  多台柴发联合控制逻辑系统图

 

四、运行方式组合

 

1. 方式1

（1）运行状态

两路市电均正常运行，分别带各自母线段负荷，母联开关断开，柴油发电机组处于备用状态。

（2）关注要点

此方式下应定期检查机组备用状态，包括蓄电池电压、燃油储量、冷却液液位等。

2. 方式2与方式3

（1）运行状态

一路市电失电时，由另一路市电通过母联开关带两段母线负荷。

（2）关注要点

此时另一路市电承受的负荷明显增加，应关注其容量是否满足两段母线的全部负荷需求。

3. 方式4

（1）运行状态

两路市电均故障时，两路柴油发电机组分别向各自母线段供电，形成分段供电运行方式。

（2）关注要点

此方式下应关注两路机组各自的带载情况与运行参数是否正常。

4. 方式5与方式6

（1）运行状态

两路市电均故障，且其中一路柴油机分段进线故障时，由另一路柴油机承担两段母线的供电。

（2）关注要点

此时应关注单路机组的带载能力是否满足要求，必要时按预定策略减载。

5. 方式7

（1）运行状态

故障排除或市电恢复正常后，采用人工恢复操作，备自投动作但系统不自复，由运维人员确认后手动恢复。

（2）关注要点

恢复前应与上级供电部门核实市电是否稳定，避免恢复后再次失电。

6. 运行方式组合的意义

（1）覆盖完整场景

上述运行方式的组合覆盖了从正常运行、单路失电、双路失电到机组自身故障的各种情形，为控制逻辑的设计提供了完整的场景清单。

（2）策略灵活选择

各个数据中心的控制策略可以灵活选择，并配备EOP响应下的人员数量和流程。

（3）与其他章节的衔接

运行方式的组合与前述切换逻辑相对应，每一项运行方式都对应一套明确的开关状态与切换步骤。

 

总结

上述架构为了更加清晰地介绍了数据中心机房的电力架构和柴油发电机组的工作模式和切换逻辑，拆分的情况，各个数据中心的控制策略可以灵活的选择，并配备EOP响应下的人员数量和流程。数据中心柴油发电机的控制逻辑非常重要，适用于多种情况下的市电失电及市电恢复等情形，会随着数据中心建设规模和等级的不同而复杂多样。它是数据中心供电系统的安全、可靠以及长久的强力保障，对提高数据中心整个系统的可靠性起到深远意义。其意义在于：数据中心供电系统的控制逻辑以"市电与油机不并网、五选二逻辑"为基本原则，通过失电检测、延时分闸、启动机组、逐台并机、闭合馈电开关、分步加载等一系列步骤，实现从市电供电向备用电源供电的自动切换。理解各故障场景下控制逻辑的动作顺序与延时设置，以及七种运行方式的组合情况，有助于在系统设计与运维中根据数据中心规模与等级灵活配置控制策略，减少故障时由人工操作导致的误判断、误操作，使运维更加简单便捷，从而保障数据中心供电系统的安全、可靠与持续运行。

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