胡杰 戴愛民

摘 要：隨著數(shù)據(jù)大集中系統(tǒng)建設(shè)，銀行數(shù)據(jù)中心對供配電系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，目前，業(yè)內(nèi)普遍采用配置后備柴油發(fā)電機(jī)的雙電源不間斷供電體系架構(gòu)，在失電情況下為保證電源的快速恢復(fù)，高低壓及后備柴油發(fā)電機(jī)均設(shè)置具有手自動功能的備投切換裝置。筆者基于一種電力系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，結(jié)合多年大中型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)維護(hù)管理的工作實踐，從實際運維的角度上，對高低壓備投以及后備柴油發(fā)電機(jī)切換模式的選擇進(jìn)行分析和探討，提出了實現(xiàn)優(yōu)化資源配置，安全高效運維的現(xiàn)實思考。

關(guān)鍵詞：銀行數(shù)據(jù)中心；雙電源；備投切換；安全高效運維

隨著銀行數(shù)據(jù)大集中系統(tǒng)建設(shè)以及虛擬化、云計算技術(shù)的快速發(fā)展，省級及全國性的大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求急劇增長，銀行系統(tǒng)的集中運行要求基礎(chǔ)設(shè)施特別是電力系統(tǒng)具備相當(dāng)高的安全性、穩(wěn)定性及可靠性。近幾年，隨著《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》機(jī)房建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，TIA942以及Uptime國外標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)理念的不斷借鑒，新建的數(shù)據(jù)中心在電力系統(tǒng)的建設(shè)形成了一套相對成熟并被廣泛認(rèn)可的體系架構(gòu)，總體來說就是從兩個不同的變電站取2路高壓進(jìn)線，根據(jù)用電負(fù)荷等級的要求，組成不同類型的雙電源系統(tǒng)，同時設(shè)計有具備手/自動切換功能的高低壓備投裝置以及后備柴油發(fā)電機(jī)，可在線維護(hù)的同時提高供配電系統(tǒng)的可用性。筆者基于銀行數(shù)據(jù)中心一種電力系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)，結(jié)合多年大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)維護(hù)管理的工作實踐，從實際運維的角度上，對高低壓備投裝置以及后備柴油發(fā)電機(jī)切換模式的選擇進(jìn)行分析和探討，從而達(dá)到優(yōu)化資源配置，最終實現(xiàn)安全高效運維。

一、雙電源供電模式

（一）、用電負(fù)荷等級劃分

眾所周知，銀行數(shù)據(jù)中心的特點是7×24小時不間斷運行，需要電力、空調(diào)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持，一旦失電，將造成大量數(shù)據(jù)丟失，需要較長時間才能恢復(fù)，同時要求供電具有在線維護(hù)性及容錯性，因此對于銀行數(shù)據(jù)中心來說，除正常照明、普通動力為三級負(fù)荷外，其余負(fù)荷均為一級負(fù)荷， IT負(fù)荷及持續(xù)制冷空調(diào)負(fù)荷則為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，市電失電時，由柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源供應(yīng)全部負(fù)荷。其中，對于一級負(fù)荷供電，要求由雙電源供電，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時，另一路電源不應(yīng)同時受到損壞；對于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，要求除雙路電源供電外，應(yīng)增設(shè)UPS不間斷電源，且設(shè)備供電電源的切換時間，應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。

（二）、高低壓供電系統(tǒng)接線及運行方式

對于10KV雙路市電接入，目前業(yè)界普遍采用單母線分段的接線方式，分為“雙活”，“熱備”以及“冷備”等方式運行，400V低壓同為單母線分段接線，高低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)計具備手/自動備投功能的切換裝置。以某省級銀行系統(tǒng)主數(shù)據(jù)中心為例，電氣系統(tǒng)的總體設(shè)計思路為：10KV市電采用單母線分段接線，“雙活”的運行方式，正常情況下，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，配備10KV后備柴油發(fā)電機(jī)，在保證市電優(yōu)先的原則下向兩段對應(yīng)的母排提供應(yīng)急電源，同時根據(jù)不同設(shè)備類型的用電負(fù)荷以及區(qū)域的模塊化，選擇采用1250KVA的變壓器模塊化供電，其中，冷源系統(tǒng)在變壓器前端設(shè)兩路高壓進(jìn)線，通過電氣連鎖方式作為對應(yīng)變壓器的主備進(jìn)線電源，其他一級負(fù)荷均在變壓器的后端設(shè)低壓母聯(lián)裝置。對于供配電系統(tǒng)的設(shè)計方案尤其是高壓部分，須結(jié)合當(dāng)?shù)毓╇姴块T的運行方式，由相關(guān)責(zé)任部門審批才能得以最終敲定，由于此銀行系統(tǒng)當(dāng)?shù)毓╇姴块T單母線分段運行方式為“主備”運行方式，即單母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)常閉，這無法實現(xiàn)“雙活”以及冷源系統(tǒng)高壓側(cè)切換的設(shè)計思路，最終，經(jīng)研究討論，設(shè)計方案的簡圖演化為如圖1所示：10KV采用兩個單母線分段，兩段母線同時運行，兩路市電通過室外環(huán)網(wǎng)柜分支為4路進(jìn)線接入，同時，兩段母線又采用“熱備”方式，通過設(shè)置手自動備投裝置，實現(xiàn)了冷源系統(tǒng)在變壓器前端進(jìn)行雙電源接入的設(shè)計思路，提高了數(shù)據(jù)中心供電的安全可靠性。

圖1 一種雙路供電模式的正常工作狀態(tài)

注：不同顏色代表不同線路，黑色表示沒有供電或失電。下同。

二、高低壓備投及后備柴油發(fā)電機(jī)切換方案

如上所述，銀行數(shù)據(jù)中心一級負(fù)荷要求雙電源系統(tǒng)供電，還要有后備柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源，同時高低壓以及后備柴油發(fā)電機(jī)均設(shè)置具有手自動切換功能的備投裝置，在日常運維過程中，對于這些切換模式組合，應(yīng)該如何有效的進(jìn)行選擇，保證供電系統(tǒng)可靠性的前提下，最大程度優(yōu)化資源配置，下面，基于圖1供電系統(tǒng)的簡圖，結(jié)合實際運維工作，模擬一路及兩路市電失電的情況，對各種切換模式組合方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較和分析。

（一）、一路市電失電

1.方案一：高壓自動切換，低壓自動切換

如圖2所示，由于高壓及低壓備自投裝置均處于自動狀態(tài)，按照“高壓切換優(yōu)先”的原則，當(dāng)一路市電失電時，互為備用的另一路市電自動進(jìn)行高壓的自動備投，如因故障導(dǎo)致切換失敗時，自動進(jìn)行低壓切換，保證機(jī)房IT設(shè)備電源的正常供給。其優(yōu)點：一是解決了人的問題。整個備投切換過程自動進(jìn)行，切換快速有效，無需人員干預(yù)，避免了情急之下因操作失誤導(dǎo)致事故的發(fā)生；二是解決了物的問題。通過采用定制化的預(yù)先編程，采用PLC自動控制，解決了系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、故障情況多樣、空間條件限制造成操作難以實現(xiàn)等問題，留有了充足的時間進(jìn)行市電的恢復(fù)及故障的排除；三是從電氣系統(tǒng)上保證了一級負(fù)荷的雙電源供電模式，與設(shè)計完全吻合。缺點：如果采用先進(jìn)的高低壓自動控制系統(tǒng)，從應(yīng)急預(yù)案的設(shè)計、編制、施工工藝還是測試驗證等環(huán)節(jié)，其專業(yè)化、精細(xì)化水平要求極高，同時要求高低壓斷路器均具備電操裝置并預(yù)留遠(yuǎn)程控制節(jié)點，大大增加了投入成本以及系統(tǒng)的部署難度，如果采用傳統(tǒng)的綜保及繼電器搭接方式，要求實際切換過程中，高低壓在上下級切換時間的配合上要嚴(yán)絲合縫，如圖2所示，高壓進(jìn)線斷路器GJX1-1與GJX1-2的高壓備投切換過程為：正常情況下GJX1-2向?qū)?cè)發(fā)出本側(cè)市電正常且處于分閘位置，當(dāng)1#市電主用線路失電時，延時500MS后GJX1-1跳閘，然后延時500MS向?qū)?cè)發(fā)出合閘指令，GJX1-2收到合閘指令后進(jìn)行合閘操作，考慮斷路器電操裝置的動作時間、動靜觸頭接觸以及滅弧時間，整個備投過程約為2S，而對于低壓備投而言，在高壓備投過程中，DJX1處于執(zhí)行延時跳閘過程，如圖3所示，1#市電失電，DJX1及DJX2的電壓繼電器1KV發(fā)生欠壓脫扣，斷電延時繼電器1KT1執(zhí)行4S延時，當(dāng)高壓在2S內(nèi)成功備投切換時，電壓繼電器1KV得電吸合，1KT1瞬間復(fù)位，延時跳閘動作由此中斷，但是，在實際的運行過程中，筆者發(fā)現(xiàn)，切換時間理論值與實際值還是存在一定的誤差，同時，備投切換過程由電壓繼電器、時間繼電器以及分合閘線圈配合完成，繼電器本身屬于易損件且正常工作狀態(tài)的繼電器線圈均為常帶電，時間久了故障率就會大大增加，導(dǎo)致切換事故的發(fā)生。

最后，電源的自動切換中還不得不考慮頻繁啟停對設(shè)備的損害問題。對于變壓器，變壓器是典型的電感設(shè)備，啟動時存在較大勵磁涌流，在很短的時間內(nèi)頻繁啟停很容易損壞絕緣或引起變形，另外，一套冷源通常包括冷凍機(jī)組、一次泵、冷卻水泵等大型設(shè)備，其啟動要求比較嚴(yán)格，通常由BA（建筑設(shè)備管理系統(tǒng)）按設(shè)定的程序進(jìn)行啟動，如果掉電同時又瞬間啟動無疑對設(shè)備造成極大的損害，大大降低設(shè)備的使用壽命。

圖2 1#市電失電，高壓自動切換后的狀態(tài)

2.方案二：高壓自動切換，低壓手動切換

此方案依然遵守了“高壓切換優(yōu)先”的原則，狀態(tài)如圖2所示，與方案一不同的是，其從根本上解決了高壓切換與低壓切換在時間上的配合問題，只要高壓備用線路正常，優(yōu)先考慮高壓的切換，此模式除仍未解決高壓自動切換造成設(shè)備頻繁啟動操作，影響設(shè)備的使用壽命外，其缺點還有：低壓配電柜一般分布與各個樓層配電室，物理隔離且有一定的距離要求，如遇斷路器拒動、偷跳或瞬間沖擊電流過大跳閘等偶然因素導(dǎo)致高壓切換失敗，須在UPS電池后備15分鐘時間內(nèi)斷開本段母線下所有變壓器的進(jìn)線斷路器，同時閉合本段及備用線路的母聯(lián)開關(guān)，如圖2所示，1#市電失電，低壓手動切換需斷開DJX1、DJX2，閉合DML1、DML2、DML3、DML4，這對場地及操作流程熟悉程度以及運維人員的配置，自身的水平，經(jīng)驗，身體均有較高的要求，同時，為防止人為操作失誤導(dǎo)致事故發(fā)生，對于電氣系統(tǒng)機(jī)械及電氣聯(lián)鎖裝置均要進(jìn)行的嚴(yán)格測試驗證。

圖3 低壓備投切換控制原理圖

3.方案三：高壓手動切換，低壓自動切換

如圖4所示，此方案避免了運維人員在有限的后備時間內(nèi)奔波于各個樓層配電室，于各式各樣的配電柜中進(jìn)行斷路器分合閘操作，一定程度上降低了慌亂中因操作失誤導(dǎo)致安全事故的概率，同時解決高壓自動切換導(dǎo)致設(shè)備頻繁啟停，另外，在高壓備用電源的切換時，可以留有足夠的時間逐個對變壓器進(jìn)行從負(fù)荷側(cè)到供電側(cè)的逐級操作，防止沖擊電流過大導(dǎo)致斷路器跳閘，嚴(yán)格按照既定操作票制度，變更及審批流程進(jìn)行倒閘操作，進(jìn)一步降低操作失誤的概率。其缺點：一是高壓操作須具備高壓操作上崗證及操作證，崗位的特殊性決定了人員的流動性較大，同時由于銀行數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)較民用配電系統(tǒng)不管從復(fù)雜程度上還是可靠性要求上都要高很多，這就要求高壓操作人員在具備一定素質(zhì)的前提下，需對數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)有一定的了解，同時對于控制線路故障排查，直流屏均要較為熟悉；二是需定期與不定期進(jìn)行兩進(jìn)線兩母聯(lián)的低壓自動切換可靠性驗證工作，通常關(guān)于兩進(jìn)線兩母聯(lián)的控制方式有兩種，一種是PLC控制方式，一種是繼電器搭接方式，通過筆者的實際經(jīng)驗，更傾向于采用繼電器搭接方式，原因是邏輯清晰，比較直觀，可能建設(shè)期間由于線路過多導(dǎo)致建設(shè)周期加長，施工難度加大，但是一旦調(diào)試完成后，關(guān)鍵點配備備品備件，再出現(xiàn)故障比較容易進(jìn)行排查，而采用PLC控制程序控制邏輯比較抽象，一旦出現(xiàn)故障，需要廠家專業(yè)工程師進(jìn)行現(xiàn)場修改，在問題排查周期及協(xié)調(diào)難度上明顯加大。

最后，作為一級負(fù)荷的冷凍機(jī)組等冷源設(shè)備，掉電后需要啟動備用機(jī)組，這與原高壓自動切換到雙電源供電模式的設(shè)計思路存在背離，但是正如筆者所述，在實際運行過程中的摸索發(fā)現(xiàn)，在保證冷源雙電源接入的前提下，當(dāng)一路市電失電時，可通過借助BA系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能進(jìn)行備用冷源的快速切換，既避免了頻繁啟停對設(shè)備造成的損害，同時又保證了15分鐘持續(xù)制冷期間備用冷源的順利投入。

圖4 1#市電失電，低壓自動切換后的狀態(tài)

4.方案四：高壓手動切換，低壓手動切換

此方案堅持“以人為本”的運維管理理念，使得一切風(fēng)險都處于人的掌控之中，由于切換過程除遠(yuǎn)程監(jiān)控外無采用自動化控制手段，運維人員時刻處于“待命狀態(tài)”，無形中提高了其緊迫感，也迫使其不得不提高自己的專業(yè)化水平，有利于不斷提高團(tuán)隊的實際操作能力，其缺點也是顯而易見的，對運維團(tuán)隊的專業(yè)水平、穩(wěn)定性要求高，依賴性強(qiáng)，由于人為操作失誤造成事故的概率也大大增加。

從以上分析可以看出，各種模式組合的適用情況如表一所示：

表一 切換模式適用情況 低壓切換

高壓切換 自動 手動

自動 （1）運維團(tuán)隊專業(yè)性水平很高，但人數(shù)較少，高低壓配電室很分散（2）投入大，自動化水平要求很高，測試驗證嚴(yán)格縝密 （1）運維團(tuán)隊人數(shù)配置合理、穩(wěn)定且具備一定的專業(yè)素質(zhì)（2）低壓配電室相對集中，距離不遠(yuǎn)（3）投產(chǎn)初期，負(fù)載率相對不高

手動 （1）運維團(tuán)隊人員不多，但專業(yè)水平較高（2）低壓配電室很分散，距離遠(yuǎn)（3）投產(chǎn)初期及中后期 （1）運維團(tuán)隊人員配置充足且穩(wěn)定，且具備較高的專業(yè)素質(zhì)（2）投產(chǎn)初期及中期，負(fù)載率不高

對于銀行數(shù)據(jù)中心，自建及外包綜合管理模式為最常見的數(shù)據(jù)中心運維模式，在各大型及中小型銀行機(jī)構(gòu)運維模式中占比達(dá)到了80%以上。如前所述，在此類數(shù)據(jù)中心管理模式中，信息管理部門作為運維工作的主體，需針對根據(jù)自身情況，分時期、分階段制定合理的切換模式原則，確保高低壓切換做到安全、高效、有序。

（二）、雙路市電全部失電

1.方案一：手動啟動后備柴油發(fā)電機(jī)，手動并機(jī)，手動輸出

此方案優(yōu)點就是避免了自啟動信號錯誤導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)的誤動作，給運維人員造成不必要的麻煩，同時缺點也是顯而易見的，眾所周知，銀行數(shù)據(jù)中心為7×24小時不間斷運行，兩路市電同時失電對于銀行數(shù)據(jù)中心來說屬于重大安全事項，在UPS電池及持續(xù)制冷后備時間要求范圍內(nèi)，要進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)的自動啟機(jī)、并機(jī)以及電源輸出操作，這不僅對機(jī)器的可靠性及性能有較高的要求，同時對操作人員臨場反應(yīng)能力，抗壓能力以及操作熟練程度都有較高的要求，對于大中型銀行數(shù)據(jù)中心，柴油發(fā)電機(jī)的手動操作，一般作為定期的運維演練科目，不作為系統(tǒng)正常運行時的模式選擇。

2.方案二：自動啟動后備柴油發(fā)電機(jī)，自動并機(jī)，自動輸出

此方案有效解決了手動操作的各項弊端，能夠在雙路市電均失電的緊急情況下進(jìn)行后備柴油發(fā)電機(jī)的快速投入，確保供電的持續(xù)性。缺點：一是在失電原因不明情況下盲目進(jìn)行發(fā)電機(jī)自動投切可能導(dǎo)致更大事故的發(fā)生，如1#市電及2#市電高壓母排故障、變壓器故障或雙電源設(shè)備引起越級跳閘，在故障尚未排除情況下，后備發(fā)電機(jī)即進(jìn)行自動投切，無疑會將故障擴(kuò)大到發(fā)電機(jī)設(shè)備，引起更大的事故；二是沒有考慮高低壓自動切換狀態(tài)，自動切換可能會導(dǎo)致不必要的動作。如高低壓備自投裝置狀態(tài)為高壓手動切換、低壓自動切換，當(dāng)1#、2#市電先后相繼失電，各斷路器狀態(tài)維持1#市電失電的狀態(tài)不變，如圖4所示。如柴油發(fā)電機(jī)先后自動閉合YKX1與YKX2，低壓斷路器需進(jìn)行兩次動作，分別是動作一：DJX3與DJX4斷開， DJX1與DJX2閉合；動作二：DML1與DML4斷開，DML2與DML3斷開，DJX3與DJX4閉合。

3.方案三：自動啟動后備柴油發(fā)電機(jī)，自動并機(jī)，確認(rèn)后手動輸出

此方案解決了在故障不明情況下盲目進(jìn)行發(fā)電機(jī)投切帶來的弊端，同時又根據(jù)實際情況進(jìn)行有選擇性的進(jìn)行電源輸出，安全可靠性高。此時，在運維人員趕到發(fā)電機(jī)房前，后備柴油發(fā)電機(jī)已自動完成啟機(jī)及并機(jī)操作，待確認(rèn)各項指標(biāo)正常，同時在確認(rèn)高壓配電室準(zhǔn)備就緒后，手動閉合ZCX1和ZCX2，同時由高壓操作人員確認(rèn)下游無故障并且了解高低壓備投裝置及斷路器的狀態(tài)情況下，有選擇的先后閉合YJX1和YJX2。如方案二所述情形，應(yīng)先閉合YJX2，后閉合YJX1，此時低壓斷路器僅執(zhí)行一次動作：DML1與DML4斷開，DML2與DML3斷開，DJX1與DJX2閉合。

從上述分析可以看出，在前期負(fù)載率較低，UPS電池及持續(xù)制冷后備時間充裕的情況下，可選擇方案一和方案三，考慮投產(chǎn)初期為提高運維團(tuán)隊?wèi)?yīng)變能力，完善操作流程，可優(yōu)先選擇采用方案一；當(dāng)投產(chǎn)中后期，數(shù)據(jù)中心負(fù)載率較大時，應(yīng)優(yōu)先選擇方案三；除非電池及持續(xù)制冷后備時間較短，運維人員在有限時間內(nèi)完成倒閘操作確有一定的困難，同時下游設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)很好幾乎不可能出現(xiàn)大電流短路故障，否則不建議采用方案二。

綜上所述，銀行數(shù)據(jù)中心對于持續(xù)性的運行要求，要求供電系統(tǒng)須具備相當(dāng)高可靠性，同時要求出現(xiàn)失電等故障情況下，能夠進(jìn)行快速的恢復(fù)，因此對于高低壓雙電源系統(tǒng)的手自動切換功能，須考慮選擇一種最優(yōu)模式組合，同時，這種組合也不是一成不變的，須根據(jù)自身數(shù)據(jù)中心的運維人員配置、規(guī)劃建設(shè)以及系統(tǒng)完善情況，同時結(jié)合數(shù)據(jù)中心投產(chǎn)情況，分階段、有計劃的進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，在確保供電系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)上，能夠最大程度的優(yōu)化資源配置，最終實現(xiàn)安全高效運維。

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