基于PLC和HMI的数据中心柴发并机监控系统

陆宝冬，田智会，王赛群

（上海科泰电源股份有限公司，上海 201712）

0 引 言

数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，是国家推行“互联网+”战略发展的重要支撑平台，近些年来蓬勃发展，规模和数量增长迅速。

对于数据中心的供电系统，按照GB50174—2017《数据中心设计规范》要求，A级数据中心需要“具备双重市电”，同时“宜配备柴油发电机组作为后备电源”[1]。为确保数据中心可靠、完备、正常的柴油发电机组后备电源发输配电要求，要求变压器、柴油发电机组、高低压开关柜等发输配电设备可靠工作，同时功能完备的柴油发电机组监控系统可以持续收集和管理设备的运行状态，便于集中控制管理，进一步保障可靠安全运行[2]。

1 并机监控系统内容简介

1.1 基本配置

数据中心后备电源系统多台柴油发电机组并联使用时，基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和人机界面（Human Machine Interface，HMI）的数据中心柴发并机监控系统可实现数据中心后备电源柴油发电机组集中监控系统。通过配套RS485/TCP-IP（串口服务器）、工业交换机通过网线与HMI人机界面与机组控制器进行连接后，通过专业组态软件进行相应的编程，界面均可以个性化编辑[3]。采用PLC、触摸屏HMI对柴油发电机组系统进行外部接口通信、逻辑控制、状态监测和测试，系统主要包括柴油发电机组控制器、串口服务器、交换机、PLC和HMI等,如图1所示。通过一个高分辨率可编程图形界面HMI，操作者可以完成对现场整个电力系统进行监测和控制[3]。PLC可以依据输入条件控制发电机组系统内各开关柜分合闸及故障监控，输入各开关状态，在触摸屏中可清晰显示及操作各断路器。通过分层菜单为系统实现各种控制功能，并且为操作者以中文显示信息，使操作者很容易理解，并且可以迅速了解系统的功能和操作方法。

图1 监控系统原理图

监控系统可以显示主系统和发电机组状态，其中包括：

（1）主电路系统单线图；

（2）发电机系统运行状态及机组参数显示；

（3）手动/自动模式切换；

（4）机组、发动机等报警信息汇总；

（5）母排交流参数总汇、状态显示；

（6）机组进线柜、馈线柜开关位置（分合闸）状态显示；

（7）日常维护测试或试验控制；

（8）接地电阻柜投运状态显示；

（9）急停控制；

（10）信息/时钟设定。

1.2 HMI主要界面简介

主界面系统一次图中可显示一次系统结构，如发电机组运行台数、发电机输出开关、馈电开关状态等，如图2所示。

图2 系统一次图界面

监控屏可以通过MODBUS TCP通讯监控显示屏读取到多台柴油发电机组的性能参数并显示。主要包括：机组累计运行小时数、累计发电量、在线运行时各类断路器开合状态，电气参数如电压、电流、频率、负载有功功率、无功功率、功率因数、母线电压，反映发动机状态的参数如机组润滑油压力、冷却液温度等参数，如图3所示。点击对应编号如G01的柴油发电机组图符，可以直接查询每一台发电机更加详细的参数。

图3 发电机组参数界面

各发电机组参数界面中监测的主要数据有：发动机的转速、油压、水温、电池电压、母排电压以及频率。单相电压、单相电流、频率、运行小时、报警数量、输出的发电量。远程可以操作柴油发电机组的启动、停止、分闸、合闸。并机控制器的自动模式、半自动模式、手动模式，可以相互切换。机组界面之间可以顺序互相切换，也可以直接点击切换到指定机组页面。返回键直接跳到主机键面。

测试模式界面如图4所示。点击系统自动模式，所有机组均切换到自动模式。点击系统复位，所有机组均复位。点击系统启动，所有的机组同时启机。点击系统停止，所有机组可同时停机。测试模式可以同时检测柴油发电机组的运行情况是否正常。

图4 测试模式界面

历史报警记录界面如图5所示。柴油发电机组每一次报警，均记录并显示在此界面，时间周期可以设置，也可以按时间来查询机组报警记录。通过历史记录可以监控到每一台机组故障发生的时间点，方便维护人员维护机组。

图5 历史报警记录界面

报警信息一览界面如图6所示。当有柴油发电机组出现报警时，此页面上对应各类报警的指示灯会点亮。

报警信息一览界面可以监控的主要报警分别为：逆功率、机组合闸失败、机组欠频、过电流、开关位置错误、机组过载、速断电流1、机组启动失败、机组超速、速断电流2、运行反馈故障、ECU黄灯报警、机组过电压、机组调速故障、机组调压故障、机组电压异常、机组电流不平衡、机组电压不平衡、机组同期失败、机组相序错误、机组电池电压低、机组欠励磁、机组过励磁、机组紧急停机、机组解列失败、机组低油压报警、机组低油压停机、机组高水温报警、机组高水温停机、市电失败、电池电压低、发动机ECU报警、高压控制电源分闸、综保保护动作跳闸、机组过载1、机组过载2、机组过载3、机组过载4、机组过载5、机组分闸失败、机组停机失败、CAN ID离线、散热器低水位、中冷器低水位等，可根据用户要求增减报警类别。

1.3 系统工作原理

1.3.1 控制方式

发电机组并机系统采用控制与并机一体化进行设计，每套系统设置一只主控屏，系统还可配置一套HMI人机界面，完成人机界面，显示系统并机状态、负载分配状态和各台机组的参数等。

系统采用分布式控制方式，传统的方式为通过设置优先级来控制优先级别较高的机组进行并机，这种方式并机的时间受优先级高的机组影响，甚至会造成优先级别较低的机组无法进行并机。而分布式控制方式为竞争上岗模式，最先稳定的机组合闸后其余机组均能够在达到同步并机设定后完成合闸并机，这样速度更快，也不会因单台机组的控制系统问题而造成整个并机系统的失效。并机控制屏可安装于发电机组旁，或集中布置于主控制室[4]。

分布式的优点在于，一台机组的故障不影响整个系统，并可方便的在运行中处理故障。

整个系统由多个分布安装在机组上的并机系统、串口服务器、一台PLC和HMI触摸式显示屏组成，系统通过网线连接到工业交换机，通过网线TCP/IP传输数据。

本方案中并机系统并联主控模块为DEIF AGC200，与发电机组的控制屏一体,与其他品牌机组控制器可以实现兼容，机组数量可扩容至16台机组。

系统采用频率和电压同步方式并联，并联控制系统通过CAN通信将整个系统的控制屏进行通信，自动调整发电机组的频率和电压，使之不受负载增加和减少的影响，保持在设定值。

因 MODBUS通信采用一主站多从站通讯技术，主设备发出轮询指令，从设备根据主设备查询提供的数据逐一作出相应反应，机组控制器除主设备HMI外还有其他设备需访问时，应选用允许多个主站的访问的串口服务进行转换，避免通信混乱。

发电机使用DVR数字调压器，带有Droop（下垂）功能和无功分配功能，此功能允许手动方式并机，在并机系统完全损坏的情况下，利用发电机的带载特性手动进行无功功率分配。

在一些需要快速完成并机的场合，可设置成先合闸后励磁模式，并可取消发动机怠速启动模式，实现多台机组并机完成时间在10s左右。

系统需要冗余配置时，分布安装在机组上的并机系统、串口服务器、PLC、HMI、工业交换机等均可冗余配置实现更高的系统可靠性。

1.3.2 并机系统操作方式

（1）自动方式

发电机组和系统设定在自动模式，市电状态由并机系统监测（通常主电失电后会给出干接点信号），在接收到启动命令后，启动并自动完成并机。当市电故障时，经延时确认，启动所有（或者设计启动贮备，可以根据负载的状况投入机组）自动模式状态的发电机组，柴油发电机组之间相互通讯，发电机组启动后自动将电压和频率调整至设定值，系统中最先到达设定值的发电机组，检测确认母线无电状态时最先投入到并联母线，其余各机组检测本机组电压、母线电压、频率、相位，通过调速、调压系统自动调整机组的频率和电压，达到同步设定值后，发出指令使并机开关闭合，自动同步过程结束。同时，监控系统PLC在检测到柴发进线柜合闸后（已同步机组数量满足储备功率需求的机组台数），控制馈线柜合闸，系统将自动分配功率给所有在线机组,并机系统流程如图7所示[5]。PLC同时监测馈线开关位置信号，此信号可被HMI读取并在画面中显示，以供管理人员查看。

图7 自动模式并机系统流程

并机控制系统具有自动功率管理功能，以保证机组最优化运行，确保大多数机组运行在最佳燃油消耗的功率值上并有足够功率储备，并机系统检测总的负载需求，自动增减投入运行机组的台数，功率控制的带载百分比可在一定范围内设定（并机完成后进行负载管理的时间可以设定，另外带载百分比通常可按照平均带载大于80%时启动下1台机组，平均带载小于50%时停止1台机组），功率管理可保证合理功率储备以应对负荷波动变化，也可避免长时间轻载运行产生积炭等原因对机组造成伤害,也可避免机组重载状态运行在非经济油耗率功率段。

自动停机过程，当控制系统接收到市电可用信号，经延时确认后，此时已将负载由发电机组转移到市电，整个发电机组将进行停机过程，控制系统确认机组功率低于设定值时，控制系统才自动断开断路器，发电机组解列。发电机组控制系统自动进行冷却停机程序，停机后进行下一循环。

手动解列过程，所有在线运行的发电机组允许手动解列，在并联系统中触发对应的发电机组停机按钮，控制系统将首先进行负载转移过程，待解列退出运行的发电机组功率逐步转移降低，达到设定值后，并联开关自动断开，发电机组退出并列运行状态，按正常停机流程进行冷却停机，进入备用状态。

紧急停机过程，当运行中的发电机组发生停机故障或按压紧急停机按钮，并联控制系统将立即断开对应的机组断路器，并控制机组停机，如故障或急停发生在并联系统侧，发电机组无故障，则发电机组进行冷却停机过程，停机后进行下一循环，在并机系统控制屏上将显示报警信息；如急停或故障发生在发电机组侧，则发电机组立即停机，并在机组控制屏和并机系统控制屏上同时显示报警。

（2）手动并机操作

发电机控制器设置在手动状态，并机系统设置在手动状态，此时并机系统不检测市电状态，由人工控制。当需要启动发电机组时，手动启动发电机组，在并联系统处触发合闸或投入按钮，并联系统将自动同步，自动合闸，并联后自动功率分配。

停机过程，系统工作在此方式下无法自动停机，需首先进行手动机组解列，在并联系统处触发停机或解列按钮后，对应的机组将自动转移负载，当负载减小到设定值时，自动断开断路器，机组解列完成，此时机组继续运行，需手动停机。

紧急停机过程同自动状态。

1.3.3 中性点接地电阻柜投切控制和并机环流控制

依据GB50174—2017《数据中心设计规范》中条款8.4.9 、8.4.10，柴油发电机系统中性点接地可采用不接地系统，也可采用低电阻接地系统。当多台柴油发电机组并列运行，且采用低电阻接地系统时，可采用其中一台机组接地方式[1]。

系统中所有并联机组的中性点，可通过各自的接地电阻柜单独接地，也可通过一个公共电阻柜接地[6]。无论采用哪种接地设计，备用电源系统需要能正确动作的接地保护时，任何一台机组的中线点接地控制，应当与机组并联断路器的控制同步，即控制系统控制机组并联断路器合闸（或分闸）的同时，必须同步控制机组中性点接地回路的断路器或接触器合闸（或分闸）。

本方案并机控制系统，通过优化接地系统的连接方式，可有效减少并联机组间的环流。高压柴油发电机组中性线通过高压真空接触器和接地电阻相连并接地，通过PLC编程（AGC200系列控制器自带PLC功能）让在线的机组只允许一台发电机组通过中性线接地，其他机组中性线不接地。自动方式、手动方式时，并联控制系统自动控制首次投入的机组所对应的中性点真空接触器合闸。紧急方式下，手动控制需并联的机组中任一台中性线真空接触器合闸，然后再启动机组并联。

1.3.4 高压10 kV并机系统额外的保护功能

除了发电机组控制屏提供的保护功能外，并机系统均具备以下保护功能：

并机失败、逆功率保护、过流保护、发电机组故障分闸保护、超载保护、电压故障保护、急停功能等。

高压机组还需实现差动保护和接地故障保护功能[7]。

1.3.5 柴油发电机组的定期测试试验

因为两路市电的高可靠性，实际应用中数据中心柴油发电机组长期处于冷备用状态，一旦市电系统失电，机组必须在规定的时间内快速启动成功并带负载运行[8]。要保证机组快速启动成功并带负载运行，不仅需要提高系统可靠性设计，而且需要定期测试系统能否成功启动，及时发现并消除潜在的隐患，确保市电停电能满足应急启动带载运行的需要。

通过并机监控系统界面操作实现定期带载测试和定期不带载测试两种类型。定期带载测试，即定期测试备用电源系统能否正常启动带负载运行（通常采用假负载测试）。定期不带载测试，控制系统自动或手动启动系统不带载测试模式，备用系统中所有机组启动，启动最快的机组直接送电到备用母线，其他机组随后同步并联；备用电源系统不带载测试运行一定时间后，控制系统自动或手动退出不带载测试模式，各机组并联断路器断开，然后机组冷却停机，恢复到测试前状态[9]。

1.3.6 客户方对并机监控系统的远程监控

数据中心的动环监控系统需要对柴油发电机组电源系统进行远程数据采集和监控，数据传输协议通常采用Modbus RTU 485/TCP-IP[10]。本系统采用Modbus RTU 485/TCP-IP数据传输协议，并选用允许多个主站的访问的串口服务进行转换，通过系统的Modbus RS485或/TCP-IP端口，用户可以远程访问系统HMI和机组控制器，从而远程监测系统状态和各项参数，可直接访问每一台发电机组，远程监测各机组的运行/备用状态和参数，如发电机组运行参数、状态参数、并联系统状态参数、运行参数、报警信息等发动机和发电机组的实时运行参数[11]。

2 结 论

基于PLC和HMI的数据中心柴油发电机组并机监控系统，由机组控制器、多主站串口服务器、工业交换机、PLC、HMI等硬件以及相关监控软件组成，系统采用分布式控制方式，可实现对配电系统中柴油发电机组状态、两路市电状态、各开关柜断路器状态、并联母排电压等设备进行监测和控制，可确保整个备用电源系统正常运行，并留有对用户侧的监控管理的通讯接口Modbus RTU 485/TCP-IP，方便用户远程管理。