数据中心市电电源和柴油发电机备用电源的切换控制逻辑设计

杨 旭，张文利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

关键字：柴油发电机系统；市电电源与备用电源切换逻辑；数据中心；安全可靠性

0 引 言

随着当前大中型数据中心建设规模、等级以及供电系统的复杂程度越来越高，柴油发电机组作为备用电源，是保障数据中心系统安全可靠的最后一道防线。市电电源和备用电源的切换控制逻辑更是数据中心供电系统安全可靠运行的指挥中枢，起到至关重要的作用。

本文以某A级数据中心10 kV配电系统架构图为例，从系统结构、监控配置、联锁控制以及逐级切换管理等方面探讨数据中心市电电源与备用电源切换控制逻辑的设计理念及其重要性。

1 一次系统说明

1.1 市电电源配置

如图1所示，市电电源两两一组（1#和2#为一组，3#和4#为一组），同组两路电源同时工作、互为备用，两组市电电源采用分段单母线的接线形式，两段母线间设置母联开关。

图1 某A级数据中心10kV配电系统架构图

1.2 备用电源配置

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》要求，备用电源采用12台10 kV柴油发电机组，按照11+1冗余配置，在一段母线上并机运行[1]。

2 自动监控配置

2.1 备用电源监控

备用电源设置并机控系统，可实现对整个备用电源系统的监视和控制。

2.2 市电电源监控

每段市电配电母线处设置一台控制器，控制功能可由PLC实现，也可由综保继电器实现。控制器具备自动和手动功能，备用电源系统启动监控功能。同组两台控制设置通信，以实现相互监视运行和故障状态，同步控制信号，确保同组两段母线相同电源类型的进线开关和馈电至同楼层的两个馈电开关同时分闸或合闸。

控制器监视和控制功能至少应包括以下11点，以控制PLC-A为例，其他与此相同。一是监测市电电源进线前PT201A的状态，通过PT201A监测市电电源进线状态。二是监测市电电源进线开关S201A的手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S201A分合闸。三是监测备用电源进线前PT211A的状态，通过PT211A监测备用电源进线状态。四是监测备用电源进线开关S211A的手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S211A分合闸。五是监测母联开关S245A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S245A分合闸。六是监测母线电压PT4A。七是监测馈线开关S212A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S212A分合闸。八是监测馈线开关S213A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S213A分合闸。九是监测馈线开关S214A手车位置（试验、工作）、开关位置状态（闭合、分断），开关保护动作分闸信号、故障状态，控制S214A分合闸。十是控制器PLC-A和发电机组并机控制系统状态的相互监视。十一是控制器PLC-A向发电机组并机控制系统发送启动机组的信号[2]。

3 市电电源和备用电源切换控制逻辑

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4 s对两路市电开关进行分闸，分闸后延时2 s对发电机组并机控制系统发出启动机组的信号。

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。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。

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）。首先延时2 s，闭合本段母线上的备用电源进线开关；其次延时5 s，闭合本段母线上馈电至二层变压器的馈电开关；再次延时5 s，闭合本段母线上馈电至三层变压器的馈电开关；最后延时5 s，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。

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。市电电源恢复后，10 kV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10 kV进线开关，之后按照5 s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。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。

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，并延时4 s后断开第二路市电进线开关，再延时5 s后向发电机组并机控制系统发出启动机组的信号。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。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。

4 市电电源之间的切换控制逻辑

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，当两路市电电源中的任意一路市电电源进线前端的PT失电（假设#1市电失电），且市电进线开关未分闸（开关无保护分闸），而另外一路市电电源（#2市电）进线前端的PT被检测到带电时，延时5 s断开失电的一路市电电源（#1市电）母线上馈电至所有变压器的输出开关。再断开此市电电源（#1市电）进线开关，然后闭合母联开关，按照5 s步距，分步闭合失电的市电电源（#1市电）母线上馈电至变压器的输出开关。

当失电的市电电源恢复供电时，至少经过3 min，手动断开母联，恢复两路市电供电。同时要求具备自动恢复功能，设置为自动恢复时，要求如下。当市电电源恢复后，10 kV自动切换装置会读取综保数据，判断市电电源已符合电源正常条件时，先跳开馈线至变压器的输出开关，再合市电10 kV进线开关，之后按照5 s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。

5 闭锁要求

同组两路市电进线开关柜、两路发电机进线开关柜以及母联开关柜的断路器之间设电气联锁，只有两只市电电源进线开关及母联开关均断开时，才能闭合发电机进线开关。反之，只有两只发电机进线开关均断开时，才能闭合市电进线开关和母线开关。由于两只市电电源进线开关和母联开关间设置有电气联锁，因此3只开关同一时间最多只能有两只开关闭合。

6 系统配置

发电机组设备供应商、10 kV开关柜设备供应商以及控制器集成商应根据切换逻辑的要求进行深化设计，实现本文中要求的功能。

切换过程中控制设备、信号设备或被控设备发生故障时，应报警并转为手动操作。

控制器向发电机组并机控制系统发出发电机组启动信号前，若本段母线市电电源进线开关因保护分闸发出告警信号，则本段母线上市电电源和备用电源的切换、备用电源分步加载的自动逻辑终止（控制器仍需向并机控制系统发出发电机组启动信号），由运维人员排除故障后，手动操作实现切换和分步加载。

控制器向发电机组并机控制系统发出发电机组启动信号前，若本段母线上的某个馈电开关处于分闸状态，则不能向该开关发出闭合信号，相对应的另一段母线上馈线至和该变压器同楼层的另一台变压器的馈线开关不受影响。

控制器采用综保继电器时，综保继电器应具备足够的输入和输出端口，具有灵活的编程工程，以满足要求。控制器应具备通信接口，能将控制内数据上传是动环系统（电力监控）。

市电电源向备用电源的切换和备用电源分步加载的过程建议在3 min内完成，该时间还包括发电机组的启动、并机以及电能输出。所有延时时间均满足0～60 s可调。

7 结 论

数据中心市电电源和柴油发电机备用电源的切换控制逻辑非常重要，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。