数据中心10kV供配电系统切换自动化工程实践

于智勇， 徐 义

(1. 中国农业银行，北京 100069； 2. 珠海派诺科技股份有限公司，北京 100069)

0 引言

与一般建筑配电系统相比，数据中心供配电系统的结构更为复杂，对配电系统运维管理的能力要求更高。复杂性表现在电源输入及其控制逻辑上，一般建筑配电多采用双回路一主一备供电，其控制逻辑为主用回路、故障时备用电源自动投切，而数据中心的配电系统不仅设计了双回路独立市政供电电源，其自身还配备了至少满足全负荷设备容量的柴油发电机组，要求在不同失电故障场景发生时，通过供电策略的改变实现数据中心设备的持续供电。

安全等级越高的系统，运维的难度也就越大，通常在数据中心投运后，运维人员几乎没有实操的机会，基本靠演练、制度、培训等人工运维模式，这显然无法保障数据中心在供电故障情况下的安全运行。比如市电突然失电的紧急情况下，如何在UPS有限带载时间内完成市电电源与油机电源之间的安全、快速切换，如何保障紧急情况下不同运维人员倒闸操作的正确性和及时性等潜在的安全隐患，建设者均须在设计阶段就足够的重视。

1 本案供电系统介绍

本案市政电源由两个上级110kV变电站分别引出6路10kV电源为数据中心供电，数据中心侧共设6个高压分界室及6对高压配电室。每个高压分界室分别引入A、B两路10kV市电电源互为备用，任意一路市电容量均可满足本分界室下所有用电负荷要求；每对高压分配室的供电系统独立，且对应配备6台COP功率为2 000kW的10kV柴油发电机组作为后备应急电源，5用1备并列运行；柴油发电机组并机采用双母线设计，每段并机母线各输出一路油机电源至高压分配室的10kV市电母线段，保障市电电源在无法满足供电需求时切换至高压油机电源带载运行。

2 高、低压供电系统运行方式

本案10kV A、B路配电系统采用单母线分段运行方式，两段母线之间设置联络开关，正常供电时，运行方式为两路10kV市电电源各带一段母线独立运行，10kV市电母联断路器处于分闸位置；当任意一路市电电源失电时，由另一路市电电源通过母联断路器合闸的运行方式供所有负载；当两路市电电源均失电时，立即启动10kV柴油发电机组，其两段并机母线输出作为应急电源分别向两段10kV配电母线供电，保障对数据中心负荷供电的连续稳定。

按照设计要求，10kV市电、油机应急电源不允许并网运行；两路市电进线、两路柴发电源进线及母联只能同时合其中两个开关：同一段10kV配电母线上的市电进线开关、油机电源总进线开关不允许同时合闸,任意时刻只能合其中一个开关，为二选一逻辑关系；380V低压侧采用双母线分段设计，在联络母线的两段均设置断路器，方便测试和检修，两路主进线与联络之间设计联锁，任意时刻只允许合其中两个开关。供电关系如图1所示。

以一组高压分配室为例，两路10kV市电进线、两路10kV油机电源进线及母联联络开关的逻辑状态表如表1所示。

图1 供电关系图

市电进线、柴发进线及母联联络 表1

注：“C”为合闸，“O”为分闸。

3 10kV配电自动化设计

本案数据中心属当前高等级的大型金融数据中心，供电的连续可靠性事关数据中心的安全生产，下面从系统架构、信号采集传输链路、控制逻辑等方面对10kV配电自动化系统的设计进行阐述。

3.1 系统架构冗余设计

系统结构设计采用三层分布式结构：主站层、通讯网络层和现场控制层。其中，主站层选用高性能的服务器，软件系统冗余、实现数据的实时同步；通讯网络层采用高速现场总线，用于连接现场控制层与后台系统之间数据信息互通互联；现场控制层选用SIEMENS7-400H高可靠性容错系统，实现机架、电源、CPU、通讯总线等冗余，以满足设备自身及系统的可靠性。S7 400H高可靠性容错系统采用模块化设计，通过冗余组件实现故障时的系统可用性。当冗余节点中的某个组件发生故障，并不会影响其他节点或整个系统的正常运行。

3.2 信号采集与传输链路

为保障现场控制层数据采样、传输的实时性和可靠性，所有数据的采集与控制信号的输出均采用硬接线的方式，采集与输出通道独立设计，使数据采集与传输方式不受通讯设备本身、通讯机制、通讯链路等众多中间环节的干扰或影响，信号采样传输更高效、更可靠。

3.3 控制逻辑设计

控制逻辑的设计引入了应急预案的管理理念，采用“故障-场景-预案”设计思想，针对10kV供电系统可能出现的各种不同故障场景，如市电正常、一路市电失电、两路市电失电、备用电源失电、保护跳闸、开关拒动等，按照供电工艺要求，预先设置与之对应的应急切换预案。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配电系统的故障报警、备自投、自动投切等自动控制功能，实现系统快速恢复供电，快速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，同时减少由运维人员手动操作导致的误判断、误操作。

控制逻辑的运算、处理和执行由现场控制层的冗余可编程控制单元负责。本案设计故障场景超过100个，下面举例进行说明。

正常情况下每个高压分配室的两路市政电源同时工作，母联断开，当系统监测到一路电源失电时，延时一段时间分断开失电的进线断路器开关，然后合市电母联开关恢复供电。图2所示为单路市电失电故障场景。

图2 单路市电失电故障场景

当10kV两路市电电源失电时，系统自动进行逻辑判断，断开10kV两路市电进线、母联及所有10kV馈出线断路器开关，同时柴发机组启机，待并机完成具备带载能力后，系统自动投入10kV油机电源总进线断路器开关，系统监测到10kV配电母线重新带电，按照预先设定的负载投入顺序，逐级加载分步投入10kV馈出线，系统识别有综保故障、断路器在试验位置的馈线，不对其进行合闸。图3所示为双路市电失电故障场景。

图3 双路市电失电故障场景

本案控制逻辑设计时，不仅考虑了上述10kV单/双路市电失电的故障场景，还考虑到供电系统及切换过程中可能发生的故障(如开关拒动、开关跳闸、柴发并机异常等)，下面例举10kV单路市电失电时、开关拒动造成的一个故障场景进行说明：当系统监测到一路电源失电时，延时一段时间对失电的进线断路器开关发出分闸指令，系统同时进行实时跟踪监测，当检测到开关仍然处于合闸位置，此时判定为开关拒分故障，系统将不对下一步的母联开关进行合闸，发出故障告警并通过屏幕显示处理预案，指导操作人员通过380V低压母联进行倒闸操作。开关拒动场景分为拒分和拒合两种情况，涉及到10kV市电进线、母联和所有馈出线，其对应的控制逻辑也有所区别。

3.4 系统平台功能介绍及特点

系统软件平台符合数据中心行业对配电系统管理的要求，能保障数据的安全性，实时性和完整性，升级维护方便，使用操作简单。不仅具有画面编辑、报表曲线、历史数据、告警查询、远程控制、权限管理等常规功能，系统界面还设计了切换过程的操作执行步骤可视化功能。当故障场景的预案启动时，软件界面自动推出控制逻辑的执行步骤及指导运维的告警信息，方便运维人员实时在线监视10kV配电系统的切换操作过程。

采用高速冗余网络以及硬接线方式，软件平台的数据刷新、故障告警、远程控制等实时性得到显著提升，同时系统平台遵守行业的开放性标准接口，方便维护、扩充和升级，可与第三方系统实现集成。

4 结束语