于智勇， 徐 義

(1. 中國農(nóng)業(yè)銀行，北京 100069； 2. 珠海派諾科技股份有限公司，北京 100069)

0 引言

與一般建筑配電系統(tǒng)相比，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對配電系統(tǒng)運維管理的能力要求更高。復(fù)雜性表現(xiàn)在電源輸入及其控制邏輯上，一般建筑配電多采用雙回路一主一備供電，其控制邏輯為主用回路、故障時備用電源自動投切，而數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)不僅設(shè)計了雙回路獨立市政供電電源，其自身還配備了至少滿足全負荷設(shè)備容量的柴油發(fā)電機組，要求在不同失電故障場景發(fā)生時，通過供電策略的改變實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的持續(xù)供電。

安全等級越高的系統(tǒng)，運維的難度也就越大，通常在數(shù)據(jù)中心投運后，運維人員幾乎沒有實操的機會，基本靠演練、制度、培訓(xùn)等人工運維模式，這顯然無法保障數(shù)據(jù)中心在供電故障情況下的安全運行。比如市電突然失電的緊急情況下，如何在UPS有限帶載時間內(nèi)完成市電電源與油機電源之間的安全、快速切換，如何保障緊急情況下不同運維人員倒閘操作的正確性和及時性等潛在的安全隱患，建設(shè)者均須在設(shè)計階段就足夠的重視。

1 本案供電系統(tǒng)介紹

本案市政電源由兩個上級110kV變電站分別引出6路10kV電源為數(shù)據(jù)中心供電，數(shù)據(jù)中心側(cè)共設(shè)6個高壓分界室及6對高壓配電室。每個高壓分界室分別引入A、B兩路10kV市電電源互為備用，任意一路市電容量均可滿足本分界室下所有用電負荷要求；每對高壓分配室的供電系統(tǒng)獨立，且對應(yīng)配備6臺COP功率為2 000kW的10kV柴油發(fā)電機組作為后備應(yīng)急電源，5用1備并列運行；柴油發(fā)電機組并機采用雙母線設(shè)計，每段并機母線各輸出一路油機電源至高壓分配室的10kV市電母線段，保障市電電源在無法滿足供電需求時切換至高壓油機電源帶載運行。

2 高、低壓供電系統(tǒng)運行方式

本案10kV A、B路配電系統(tǒng)采用單母線分段運行方式，兩段母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常供電時，運行方式為兩路10kV市電電源各帶一段母線獨立運行，10kV市電母聯(lián)斷路器處于分閘位置；當任意一路市電電源失電時，由另一路市電電源通過母聯(lián)斷路器合閘的運行方式供所有負載；當兩路市電電源均失電時，立即啟動10kV柴油發(fā)電機組，其兩段并機母線輸出作為應(yīng)急電源分別向兩段10kV配電母線供電，保障對數(shù)據(jù)中心負荷供電的連續(xù)穩(wěn)定。

按照設(shè)計要求，10kV市電、油機應(yīng)急電源不允許并網(wǎng)運行；兩路市電進線、兩路柴發(fā)電源進線及母聯(lián)只能同時合其中兩個開關(guān)：同一段10kV配電母線上的市電進線開關(guān)、油機電源總進線開關(guān)不允許同時合閘,任意時刻只能合其中一個開關(guān)，為二選一邏輯關(guān)系；380V低壓側(cè)采用雙母線分段設(shè)計，在聯(lián)絡(luò)母線的兩段均設(shè)置斷路器，方便測試和檢修，兩路主進線與聯(lián)絡(luò)之間設(shè)計聯(lián)鎖，任意時刻只允許合其中兩個開關(guān)。供電關(guān)系如圖1所示。

以一組高壓分配室為例，兩路10kV市電進線、兩路10kV油機電源進線及母聯(lián)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的邏輯狀態(tài)表如表1所示。

圖1 供電關(guān)系圖

市電進線、柴發(fā)進線及母聯(lián)聯(lián)絡(luò) 表1

注：“C”為合閘，“O”為分閘。

3 10kV配電自動化設(shè)計

本案數(shù)據(jù)中心屬當前高等級的大型金融數(shù)據(jù)中心，供電的連續(xù)可靠性事關(guān)數(shù)據(jù)中心的安全生產(chǎn)，下面從系統(tǒng)架構(gòu)、信號采集傳輸鏈路、控制邏輯等方面對10kV配電自動化系統(tǒng)的設(shè)計進行闡述。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)冗余設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用三層分布式結(jié)構(gòu)：主站層、通訊網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場控制層。其中，主站層選用高性能的服務(wù)器，軟件系統(tǒng)冗余、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時同步；通訊網(wǎng)絡(luò)層采用高速現(xiàn)場總線，用于連接現(xiàn)場控制層與后臺系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息互通互聯(lián)；現(xiàn)場控制層選用SIEMENS7-400H高可靠性容錯系統(tǒng)，實現(xiàn)機架、電源、CPU、通訊總線等冗余，以滿足設(shè)備自身及系統(tǒng)的可靠性。S7 400H高可靠性容錯系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，通過冗余組件實現(xiàn)故障時的系統(tǒng)可用性。當冗余節(jié)點中的某個組件發(fā)生故障，并不會影響其他節(jié)點或整個系統(tǒng)的正常運行。

3.2 信號采集與傳輸鏈路

為保障現(xiàn)場控制層數(shù)據(jù)采樣、傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，所有數(shù)據(jù)的采集與控制信號的輸出均采用硬接線的方式，采集與輸出通道獨立設(shè)計，使數(shù)據(jù)采集與傳輸方式不受通訊設(shè)備本身、通訊機制、通訊鏈路等眾多中間環(huán)節(jié)的干擾或影響，信號采樣傳輸更高效、更可靠。

3.3 控制邏輯設(shè)計

控制邏輯的設(shè)計引入了應(yīng)急預(yù)案的管理理念，采用“故障-場景-預(yù)案”設(shè)計思想，針對10kV供電系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種不同故障場景，如市電正常、一路市電失電、兩路市電失電、備用電源失電、保護跳閘、開關(guān)拒動等，按照供電工藝要求，預(yù)先設(shè)置與之對應(yīng)的應(yīng)急切換預(yù)案。當故障發(fā)生時，系統(tǒng)自動根據(jù)故障場景進行邏輯判斷，完成預(yù)案設(shè)置的10kV配電系統(tǒng)的故障報警、備自投、自動投切等自動控制功能，實現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù)供電，快速指導(dǎo)運維人員處理供電系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的不同故障，同時減少由運維人員手動操作導(dǎo)致的誤判斷、誤操作。

控制邏輯的運算、處理和執(zhí)行由現(xiàn)場控制層的冗余可編程控制單元負責(zé)。本案設(shè)計故障場景超過100個，下面舉例進行說明。

正常情況下每個高壓分配室的兩路市政電源同時工作，母聯(lián)斷開，當系統(tǒng)監(jiān)測到一路電源失電時，延時一段時間分斷開失電的進線斷路器開關(guān)，然后合市電母聯(lián)開關(guān)恢復(fù)供電。圖2所示為單路市電失電故障場景。

圖2 單路市電失電故障場景

當10kV兩路市電電源失電時，系統(tǒng)自動進行邏輯判斷，斷開10kV兩路市電進線、母聯(lián)及所有10kV饋出線斷路器開關(guān)，同時柴發(fā)機組啟機，待并機完成具備帶載能力后，系統(tǒng)自動投入10kV油機電源總進線斷路器開關(guān)，系統(tǒng)監(jiān)測到10kV配電母線重新帶電，按照預(yù)先設(shè)定的負載投入順序，逐級加載分步投入10kV饋出線，系統(tǒng)識別有綜保故障、斷路器在試驗位置的饋線，不對其進行合閘。圖3所示為雙路市電失電故障場景。

圖3 雙路市電失電故障場景

本案控制邏輯設(shè)計時，不僅考慮了上述10kV單/雙路市電失電的故障場景，還考慮到供電系統(tǒng)及切換過程中可能發(fā)生的故障(如開關(guān)拒動、開關(guān)跳閘、柴發(fā)并機異常等)，下面例舉10kV單路市電失電時、開關(guān)拒動造成的一個故障場景進行說明：當系統(tǒng)監(jiān)測到一路電源失電時，延時一段時間對失電的進線斷路器開關(guān)發(fā)出分閘指令，系統(tǒng)同時進行實時跟蹤監(jiān)測，當檢測到開關(guān)仍然處于合閘位置，此時判定為開關(guān)拒分故障，系統(tǒng)將不對下一步的母聯(lián)開關(guān)進行合閘，發(fā)出故障告警并通過屏幕顯示處理預(yù)案，指導(dǎo)操作人員通過380V低壓母聯(lián)進行倒閘操作。開關(guān)拒動場景分為拒分和拒合兩種情況，涉及到10kV市電進線、母聯(lián)和所有饋出線，其對應(yīng)的控制邏輯也有所區(qū)別。

3.4 系統(tǒng)平臺功能介紹及特點

系統(tǒng)軟件平臺符合數(shù)據(jù)中心行業(yè)對配電系統(tǒng)管理的要求，能保障數(shù)據(jù)的安全性，實時性和完整性，升級維護方便，使用操作簡單。不僅具有畫面編輯、報表曲線、歷史數(shù)據(jù)、告警查詢、遠程控制、權(quán)限管理等常規(guī)功能，系統(tǒng)界面還設(shè)計了切換過程的操作執(zhí)行步驟可視化功能。當故障場景的預(yù)案啟動時，軟件界面自動推出控制邏輯的執(zhí)行步驟及指導(dǎo)運維的告警信息，方便運維人員實時在線監(jiān)視10kV配電系統(tǒng)的切換操作過程。

采用高速冗余網(wǎng)絡(luò)以及硬接線方式，軟件平臺的數(shù)據(jù)刷新、故障告警、遠程控制等實時性得到顯著提升，同時系統(tǒng)平臺遵守行業(yè)的開放性標準接口，方便維護、擴充和升級，可與第三方系統(tǒng)實現(xiàn)集成。

4 結(jié)束語