10 kV柴油发电机并机系统及控制逻辑

李 凯

(上海建筑设计研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

目前,数据中心项目的建设规模越来越大,对整个供配电系统的可靠性、安全性带来更大挑战。柴油发电机作为数据中心的后备电源,在市电故障情况下使柴油发电机更安全、可靠、节能的运行方式投入到整个供电系统中,为保证数据中心正常运行提供更有效的保障[1-3]。此时,设置一套安全、可靠、高效的柴油发电机并机控制系统是非常重要的。

本文结合某数据中心项目,经过项目现场实际测试,简述了10 kV柴油发电机并机系统及控制逻辑。

1 现行标准在数据中心项目对柴油发电机的规定

(1) 国家标准GB 50174—2017《数据中心设计规范》。后备柴油发电机组的性能等级不应低于G3级,A级数据中心发电机组应连续和不限时运行,发电机组的输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。柴油发电机配置需满足N+X冗余。

(2) 国际标准ANSI/TIA-942-A—2017《数据中心电信基础设施标准》。各级别柴油发电机规格:级别1、2,大小仅能满足计算机和电信系统中电和机械的需要;级别3,需满足计算机和电信系统中电和机械的需要+1备用;级别4,全部建筑物负荷+1备用。

(3) 国际标准《Data Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology》Uptime Institute 2018。TierⅢ和Tier Ⅳ引擎式发电机系统,应符合可并行维护的和/或容错性能确认测试。TierⅢ和TierⅣ机房的引擎式发电机系统在负载满足”N”要求时,不应存在连续运营时数限制。在满足“N”要求时存在连续操作时数限制的引擎式发电机适用于TierⅠ或TierⅡ。

2 项目概况

该项目数据中心按A级机房标准设计,并采用TierⅢ标准,柴油发电机按N+1配置。项目包括综合配套A和B楼、数据中心C楼、数据中心D楼、35/10.5 kV总降压站E楼、补水泵房F楼、地下室U楼、柴油发电机房G楼。数据中心C楼设有IT机柜1 192台,D楼设有IT机柜1 311台,IT设备用电总容量为10 038 kW,其他设备用电容量为9 700 kW。

采用35 kV双重电源供电,在35/10.5 kV总降压站E楼内设2台SCZ13-35/10.5 kV-20 MVA干式变压器;在柴油发电机房G楼内设置12台10 kV柴油发电机(G3级/1 800 kW/COP),当两路市电失电的情况下,可带全部负荷。变电所分布及装机容量如表1所示,装机容量24.25 MVA,最大需量19.90 MVA。

表1 变电所分布及装机容量

3 10 kV柴油发电机并机系统及市电故障后的起动及切换逻辑

3.1 柴油发电机并机系统

该项目柴油发电机房G楼内设12台(11用1备)10 kV柴油发电机(G3级/1 800 kW/COP)柴油发电机,配置满足N+1冗余,采用双母线并机运行系统,两段并机母线互为热备,当任意一路并机母线故障时,切断该母线上的所有的中压断路器,由另一路母线带全部负荷。在G楼内设并机控制室A/B,两个并机控制室内分别设置一套10 kV柴油机并机配电柜、并机控制柜、接地控制柜等,配置满足2N冗余。

供电架构系统示意图如图1所示。

图1 供电架构系统示意图

3.2 两路市电故障后,柴油发电机起动及控制逻辑

柴油发电机A路并机母线PSG-A上共有A14～A18共5路输出回路;柴油发电机B路并机母线PSG-B上有B14～B18共5路输出回路。

柴油发电机并机输出回路编号如表2所示。

表2 柴油发电机并机输出回路编号

(1) A14连接的A路10 kV母线为BUS-A1,B14的连接B路10 kV母线为BUS-B1。当A路10 kV母线BUS-A1的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),同时当B路10 kV母线BUS-B1的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

(2) A15连接的A路10 kV母线为BUS-A2,B15连接的B路10 kV母线为BUS-B2。当A路10 kV母线BUS-A2的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),同时当B路10 kV母线BUS-B2的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

(3) A16连接的A路10 kV母线为BUS-A3,由于地下室10/0.4 kV公用配变电所10 kV侧无母联,柴油发电机起动信号取自低压侧市电进线开关及母联开关。当BUS-A3配出的变压器侧的低压进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上低压母联开关不闭合(开关发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

(4) B16连接的B路10 kV母线为BUS-B3,由于地下室10/0.4 kV公用配变电所10 kV侧无母联,柴油发电机起动信号取自低压侧市电进线开关及母联开关。当BUS-B3配出的变压器侧的低压进线开关断开(开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上低压母联开关不闭合(开关发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

(5) A17连接的A路10 kV母线为BUS-A4,B17连接的B路10 kV母线为BUS-B4。当A路10 kV母线BUS-A4的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),同时当B路10 kV母线BUS-B4的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

(6) A18连接的A路10 kV母线为BUS-A5,B18连接的B路10 kV母线为BUS-B5。当A路10 kV母线BUS-A5的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),同时当B路10 kV母线BUS-B5的市电进线开关断开(市电开关即发出报警信号,开关辅助触点状态:NO变成NC),加上市电进线开关柜里的PT失电(市电进线开关柜即发出报警信号,辅助触点状态:NO变成NC),延时15 s(可调)柴油发电机组起动。

以上6个条件只要满足其中一个,柴油发电机组立即起动。控制关系为哪个通路失败,闭合那路输出馈电开关。在以上6个状态下,其中任何一个辅助触点由NC变为NO,发电机控制系统中的发动机起动信号将被撤销,并执行以下步骤:① 发电机组将继续运行并为发电机控制系统的总线供电;② 远程转换开关手动转移到市电;③ 一旦所有负载传输到市电电源,在并机控制显示屏上使用手动控制来跳闸和停止发电机;④ 所有发电机脱机后,系统控制PLC自动打开真空接触器。

3.3 并机控制:

该项目设置2套并机控制系统,采用2N系统配置冗余,同时运行,互为热备。当任一并机控制主机或线路故障时,均不影响并机系统的正常运行。

每1台发电机组配置1个总负荷开关(手动)和2个分路中压断路器。并机均衡控制器安装在12台发电机主路负荷开关柜内。在PSG-A的12台发电机并机输入柜内安装12个同步控制器,同样在PSG-B的12台发电机并机输入柜内安装12个同步控制器。其控制原理:当发电机组起动后,若手动选PSG-A先进行同步,其控制先进行PSG-A上的同步,然后同步后闭合PSG-A上的12台发电机并机输入断路器,然后PSG-B的同步进行跟随,同时闭合PSG-B上的12台发电机并机输入断路器,形成并机母线A和母线B上的电源双活的控制。

在PSG-A和PSG-B的所有柴油发电机断路器的输入口和馈电断路器的输出口配置了接地CT,如果PSG-A上的母排发生短路,只能切断PSG-A上的开关,不能影响PSG-B上的供电。同样,如果PSG-B上的母排发生短路,只能切断PSG-B上的断路器,不能影响PSG-A上的供电。

一台机组故障也只能影响连接的2个通道,切断A、B通道上的断路器,不能影响其他机组的运行和其他通道上的断路器。

3.4 NGR接地柜控制

12台柴油发电机组配置NGR-A和NGR-B 2套接地柜,每台柴油发电机的工作接地电缆均接入该两台接地柜,可手动选择其中一套NGR为主,另一套为辅。每套接地柜可显示工作状态如下:接地电阻断开故障信号,接地故障信号,手动/自动状态,12个接触器的状态。

当2套接地柜都选为自动状态下,NGR-A和NGR-B是冗余关系,互为热备。如果其中出现一个电阻断开故障,则MCP把NGR-A(故障)转换到NGR-B(正常)上,或把NGR-B(故障)转换到NGR-A(正常)上。如果第一台机组同步后闭合其输入开关,同时把第一台NGR-A机组的真空接触器闭合。其他接地电阻柜的真空接触器保持常开状态,如果在线的真空接触器脱扣或其他在线开关断开,再闭合余下的其中一个真空接触器,即接地电阻接触器按照单点接地控制,所有的24个接触器在任何时候只有一个接触器闭合进行单点接地保护。

4 结 语

柴油发电机作为数据中心的整个供电系统中最后一道用电保障,其一套安全、可靠、高效的并机控制系统和控制逻辑可使柴油发电机组更加有效运行,为数据中心的正常运行提供更有效的保障。本项目柴油发电机采用双母线并机系统,与常规的单母线并机系统对比,双母线并机系统的并机母线及并机控制等相关系统,均采用2N配置。当任一并机母线、并机控制等相关系统故障,均不影响系统的正常运行。该并机系统的建设成本相对较高,而且并机及控制逻辑相对复杂,对运维人员的技术要求也更高,在实际的工程设计中需结合项目特性及业主需求等因素,来制定合理供电架构及系统运行方案。