超大型数据中心配电自动化系统优化探讨

张晓艳 蒋毓博

中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司

0 引言

国家近期出台的《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》和工信部印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023 年）》，都明确指明数据中心作为国家“双碳”减排战略的重点组成部分，未来新型数据中心要向“数网协同、绿色低碳、智慧运维”方向发展。笔者以规模大于等于30000 个标准机架（标准机架为换算单位，以功率2.5 千瓦为一个标准机架）的超大型数据中心配电自动化系统建设优化方案为例，总结配电自动化系统在建设优化过程中的经验。

超大型数据中心的配电自动化系统在传统电力行业普遍使用的SCADA 系统（数据采集与监视控制系统）“遥控、遥测、遥信、遥调”功能模块的基础上，新增“AI 算法模块”“负载分级模块”“能效分析模块”，让配电系统更加智能、安全、绿色。

1 研究背景

电力行业内普遍使用SCADA 系统配合继电保护装置、备自投、PLC、ATS 等装置实现故障场景下的电力自动投切，但对于超大型数据中心结构复杂、设备分散的大系统，存在以下瓶颈：一是开关逻辑动作简单，都是采用预先设计的程序将开关动作逻辑写到设备中，仅能处理几种故障场景，无法满足超大型数据中心上千种故障场景的自动控制需求；二是无负载分级自动化控制功能，不具备根据负载优先级分别进行供电保障的能力；三是缺少用电智能分析模块，无法精确分析能效和提供能效优化建议；四是仅适用传统双路进线供电场景，对于多路进线等供电方式束手无策。所以在设计及建设超大型数据中心配电自动化系统时，要综合考虑安全供电路径搜索算法、负载分级投切机制及能效分析功能，使得一线运维人员不仅在面对复杂的设备故障时能“智慧运维”，而且能在日常维护中做到“绿色运维”。

2 配电自动化系统

2.1 系统架构

超大型数据中心配电自动化系统架构是由主工作站和子工作站两大部分组成，如图1 所示。

图1 配电自动化系统架构

子工作站通过RS485 总线连接全量末端电力设备，依据modbus 通讯规约将设备装置连入自控系统网络，并上传至主工作站中。主工作站基于子站上传的电力数据，计算生成最优安全供电路径方案，并通过子工作站下发控制命令至电力设备，转移失电负载至安全供电路径。命令下发后，高压开关柜基于采样单元、存储单元、计算单元、比较单元、控制单元执行相应的命令完成开关动作。

2.2 AI 安全供电路径搜索算法

算法将网络拓扑关系等效为计算机能识别的互联矩阵。当出现故障时，识别并标注故障区域，通过智能搜索，绕开故障区域，将故障区域的负载分配给其他电源。在搜索路径的过程中：

其中Se 为运行线路额定容量，SLMAX 为失电容量峰值，β 为充电功率系数，Xij 为矩阵中的联络开关状态参数。当运行线路额定容量大于实际失电容量且联络开关不处于故障区域时，联络开关可以动作，反之联络开关不可以动作，算法跳过该联络开关并进行下一层级判定，如图2 所示。

图2 安全路径搜索算法流程图

基于上述原理，搜索算法可以准确地将不同故障情况下电力系统带电情况实时转化成数学模型给以计算机进行统筹计算调度，再将计算结果生成的方案通过通讯命令的方式让末端高压开关进行执行调度，以满足超大型数据中心对电力系统的容灾需求。运用安全供电路径AI 算法后可以对全园区电力设备进行统筹调度，更好地挖掘设备容量潜力，缩短投资回报周期。

下面以“进线跳闸故障，且在应急倒闸过程中发生开关拒动”这样多故障的复杂场景下演示“安全供电路径搜索算法”起效的步骤，如图3 所示。

图3 进线跳闸场景下算法搜索过程

（1）双电源向下搜索路径，电源2遇到故障区域停止搜索，电源1 路径继续搜索；

（2）搜索到一级联络开关，满足负载转移条件（Se -βSLMAX ＞ 0）；

（3）继续向下搜索，电源1 路径开关拒动，判定为第二故障区域，电源2 路径继续搜索；

（4）搜索到二级联络开关，计算并判断二级联络开关可以承载转移后的负载（Se - βSLMAX ＞ 0）；

（5）生成开关动作方案，投入二级联络开关，将负载转移至电源1。

2.3 负载分级机制

虽然数据中心业务绝对不允许中断，但不同的设备及业务种类还是有重要性区别，比如集中供冷单元、核心业务相对而言比较重要。系统在设计时从以下几个方面考虑优先级别：

（1）重要动力设备优先：集中式制冷站断电后4 分钟需要恢复供电，保证机房供冷的连续性。

（2）传输/网络出口优先：园区的传输/网络机房电力中断后会形成“数据孤岛”，断开与外部网络的联系，保障级别也相对普通数据机房要高。

（3）重要业务优先：承载多区域多用户的数据机房也相较其他普通数据机房保障级别要高。

当发生供电中断时，配电自动化系统优先使用市电给重要负载恢复供电。如果出现负载量不足时，配电自动化系统立刻给油机并机柜发送油机启动信号，启动满足剩余负载的最小并机数量后，控制油机馈线柜合闸，投入发电机进行供电。这样就可以以最短的时间保障供电安全。

以某数据中心为例，比较采用ATS、备自投系统与采用配电自动化系统的不同。传统电力行业常规使用的ATS 及备自投系统的动作逻辑为当负载电源双路失电时立刻启动并投入油机，如果供电架构为多路进线时，会出现市电容量充足的情况下仍要启动油机的情况。而配电自动化系统则会优先判断市电容量是否可以满足失电负载要求，如果满足就控制开关直接投入市电，在此基础上实现了负载分级保障功能。

图4母线间的互备关系为“I-VI”“II-III”“IV-V”；负载侧的互备关系为“I-IV”“II-V”“III-IV”。当1#变压器和2#变压器失电时如果采用ATS，则会自动判断负载1 及负载2 双路失电，立刻启动油机电源并投入运行带载失电负载；如果使用配电自动化系统，则会判断3#变压器热后备容量能够满足失电主变需求，投入变电站侧02 号母联开关和负载侧12 号母联开关，将负载1 和负载2 转移至3#主变带载。

图4 园区母线互备关系图

2.4 智能用电分析

配电自动化系统的电力数据库能支撑能效数据精准分析，基于末端上千个测点实时上传的电力数据，经过读取、归纳、处理，从园区、机楼、房间、设备等全维度自动分析用电能效数据，生成不同维度场景下的能效数据曲线，可以结合专家数据库和园区运维数据库，自动生成能效优化建议，实现数据中心降本增效。

园区层面，系统接入变电站110kV 侧智能电表读取用电数据；机楼层面通过读取机房楼10kV 高压进线电表获得电能值；此外，配电系统增扩RS485 通讯线连接园区全量400V 低压配电柜，读取并根据路由识别冷却塔、冷却泵、冷水机组、冷冻泵、数据机房、电力机房等设备电度量，做到实时全维度获取用电数据，如表1 所示。

表1 新增测点表

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除用电数据外，配电系统从测点取得的大量电力指标数据，能够帮助运维人员远程判断设备运行情况，并通过指标量快速评估设备运行状态，实现电力系统全覆盖监控。

3 优化应用实例

以华东某超大型数据中心为例，该中心配电系统自上而下由110kV 变电站、10kV 高压配电室、400V 低压配电室构成，其中各级配电均采用单母分段的主接线形式，每条分段母线配备两个进线开关和一个母联开关。10kV 柴油发电机组并接在10kV 高压母线上，当母线完全失电后启动发电。

自2021 年初应用至今，配电系统24 小时远程监控全园区约1600 台电力设备（高压柜、低压柜、柴油发电机组等），实时上传设备运行状态及告警信息至运维人员，帮助运维人员判断当前设备运行状态，及时发现故障并进行调度。当发生故障时，系统以毫秒为时间单位生成完整的开关动作方案，发送控制命令至对应的设备，将故障区域内的设备转移至正常运行区域或冗余区域，保障末端设备正常运营生产。

当投入配电系统进行电力系统单路市电中断演练时，系统群控所有开关，仅耗时2 分钟完成倒闸，期间发生开关拒动后，自动调整动作方案，将故障影响范围和时间控制到最小，总时间2 分57 秒（其中重要负载在27 秒的时间内优先恢复供电），远低于行业平均耗时。详细对比数据如表2 所示。

4 结束语

通过对超大型数据中心配电自动化系统的优化升级，拓展了配电自动化系统的功能及应用范围，深挖系统潜能，助力超大型数据中心成为新型的算力网络枢纽中心，更好地赋能数字经济及社会发展。