数据中心中压供电系统自动投切实例研究

徐 钦，王定军，张 倩，张友全

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019；2.中博信息技术研究院有限公司，江苏 南京 210008；3.江苏通信置业管理有限公司，江苏 南京 210009；4.中通服网盈科技有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着互联网经济发展的影响和数字经济、新基建等国家政策的支持，我国的数据中心建设连续多年保持高速增长，其供电系统的可靠性要求愈加凸显；而数据中心集群化、区域化的要求，使得数据中心单体规模越来越大[1]。作为数据中心基础设施最重要的组成部分，供电系统越来越需要进行自动化、智慧化的管理[2]。

本文对某A级数据中心10 kV中心供电系统进行研究，分析其如何利用不同厂家之间的中压自动转换开关（Automatic Transfer Switching，ATS）及备自投母联系统实现多种场景下多路市电及柴油发电机组之间自投自复的过程。

1 中压供电系统架构

根据《数据中心设计规范》（GB50174—2017），A级数据中心机房应由双重电源供电，并应设置备用电源[3]。本案例使用两段10 kV中压系统，分别从110 kV变电站不同变压器段引电，每段10 kV中压系统中包括进线柜、出线柜、电压互感器柜（Potential Transformer，PT）柜以及ATS柜（市电进线柜、油机进线柜、ATS控制柜），两段系统通过中压母联相互联络，每段10 kV系统通过中压ATS与柴油发电机组并机出线端切换后输出。其具体10 kV配电系统架构见图1。

图1 某A级数据中心10 kV配电系统架构图

2 市电掉电或故障的操作序列

（1）进线柜（外市电）、市电进线柜、油机电进线柜、母联柜，断路器逻辑说明。

中压ATS及备自投母联逻辑概述：在自投自复模式下，中压进线单路失电及恢复，母联及馈线等开关动作；两路先后失电再恢复，母联、馈线、柴发进线等开关动作。

（2）进线柜（外市电）、市电进线柜、油机电进线柜、母联柜断路器间的逻辑关系。断路器间的逻辑关系如表1所示。

表1 断路器间的逻辑关系

3 中压配电系统自动切换工作顺序

3.1 任意一路市电失电（复电）工作顺序

3.1.1 两路市电供电，其中一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）有电（柴发不启动）

（1）正常运行状态，市电进线开关QF1、市电进线开关QF2合位，母联开关QF3分位。

（2）其中任意一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）有电， 延时2 s，ATS控制柜自动分出线柜断路器（一次减载完成，每段共4台出线柜）。

（3）其中任意一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）有电，延时6 s，园区内110 kV变电站备自投动作，自动合母联断路器；

（4）其中任意一路市电（如：市电1）失电，另一路市电（市电2）有电，如园区内110 kV变电站备自投异常，未自动合母联断路器，延时8 s（上述延时6 s基础，再延时2 s），1号楼10 kV开关站备自投动作，自动合母联断路器QF3（QF3合闸判据之一：检测失电侧出线柜断路器开关量状态，出线断路器合闸位≤两台--允许合闸，出线断路器合闸位大于两台--终止合闸，需手动恢复供电）。

（5）失电的市电（市电1）母线段，通过备自投母联带电，有压延时30 s， ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

其中任意一路市电（市电2）失电，另一路市电（市电1）有电，逻辑同理。

3.1.2 两路市电供电，其中一路市电失电（市电1），又恢复供电

（1）其中任意一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）有电，失电的市电（市电1）进线又恢复供电（QF1下端电缆带电），有压延时60 s，备自投动作，自动分母联断路器，延时2 s，ATS控制柜自动分出线柜断路器（一次减载完成，每段共4台出线柜）。

（2）延时5 s（自备自投动作，自动分母联断路器开始计算），备自投动作，自动合市电进线断路器（QF1）。

（3）有压延时30 s， ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

两路市电供电，其中一路市电失电（市电2），又恢复供电，逻辑同理。

3.2 任意一路市电失电，另一路市电也失电时工作顺序

其中任意一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）也失电（柴发启动）。

（1）正常运行状态，市电进线开关QF1、市电进线开关QF2合位，母联开关QF3分位。

（2）其中任意一路市电（市电1）失电，另一路市电（市电2）有电，失电的市电母线段，通过备自投母联带电。此时，若另一路市电（市电2）同时失电，ATS控制柜发出油机启动信号，延时3 s，备自投动作，自动分市电进线断路器（QF2）；母联开关QF3分位；延时2 s，ATS控制柜自动分出线柜断路器（一次减载完成，每段共4台出线柜）。

（3）中压ATS控制柜发出油机启动信号。

（4）延时8 s（时间可调），备自投动作，自动分市电进线断路器（QF2）、母联断路器QF3。

（5）柴油发电机组启动并机输入至中压ATS（QF5/QF7下端电缆带电），有压延时30 s，ATS控制柜自动合油机进线断路器（QF5/QF7），ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

其中任意一路市电（市电2）失电，另一路市电（市电1）也失电（柴发启动），逻辑同理。

3.3 两路市电失电，任一路市电恢复供电（顺序恢复1）

（1）柴发供电状态，其中任意一路市（市电1）电恢复供电（QF1下端电缆带电），有压延时60 s，备自投动作，自动合市电进线断路器（QF1），延时3 s，ATS控制柜自动分出线柜断路器（每隔2 s分1台，逐级减载，每段共4台出线柜），减载完成后，ATS控制柜自动分油机电进线断路器（QF5/QF7）。

（2）有压延时30 s，ATS控制柜自动合市电进线断路器（QF4），ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

（3）市电优先：延时10 s（时间可调），备自投动作，自动合母联断路器QF3（QF3合闸判据之一：检测失电侧出线柜断路器开关量状态，出线断路器合闸位≤两台--允许合闸，出线断路器合闸位大于两台--终止合闸，需手动恢复供电）。

（4）有压延时30 s，ATS控制柜自动合市电进线断路器（QF6），ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

柴发供电状态，其中任意一路市（市电2）电恢复供电，逻辑同理。

3.4 当两路市电一路市电带载后，另一路市电恢复供电（顺序恢复2）

（1）第一路市电（市电1）有电，失电的市电（市电2）进线又恢复供电（QF2下端电缆带电），有压延时60 s，备自投动作，自动分母联断路器，延时2 s，ATS控制柜自动分出线柜断路器（一次减载完成，每段共4台出线柜）。

（2）延时5 s（自备自投动作，自动分母联断路器开始计算），备自投动作，自动合市电进线断路器（QF2）。

（3）有压延时30 s， ATS控制柜自动合出线柜断路器（每隔2 s合1台，逐级加载，每段共4台出线柜）。

当两路市电一路市电带载后，另一路市电（市电1）恢复供电，逻辑同理。

4 两路市电自投自复情景描述

4.1 两路市电供电，其中一路市电失电，另一路市电有电（2种）

（1）1#市电失电，2#市电有电；

（2）2#市电失电，1#市电有电。

4.2 两路市电供电，其中一路市电失电，又恢复供电（2种）

（1）1#市电失电，2#市电有电，备自投动作，由2#市电带全载，1#市电恢复供电；

（2）2#市电失电，1#市电有电，备自投动作，由1#市电带全载，2#市电恢复供电。

4.3 两路市电先后顺序失电（2种）

（1）1#市电失电，2#市电有电，备自投动作，母联合位，2#市电又失电；

（2）2#市电失电，1#市电有电，备自投动作，母联合位，1#市电又失电。

4.4 两路市电先后顺序失电，又陆续恢复供电（4种）

（1）1#市电失电，2#市电有电，备自投动作，母联合位，2#市电又失电，1#市电先恢复供电，2#市电再恢复供电；

（2）1#市电失电，2#市电有电，备自投动作，母联合位，2#市电又失电，2#市电先恢复供电，1#市电再恢复供电；

（3）2#市电失电，1#市电有电，备自投动作，母联合位，1#市电又失电，1#市电先恢复供电，2#市电再恢复供电；

（4）2#市电失电，1#市电有电，备自投动作，母联合位，1#市电又失电，2#市电先恢复供电，1#市电再恢复供电。

4.5 两路市电先后顺序失电，同时恢复供电（2种）

（1）1#市电失电，2#市电有电，备自投动作，母联合位，2#市电又失电，1#市电及2#市电同时恢复供电；

（2）2#市电失电，1#市电有电，备自投动作，母联合位，1#市电又失电，1#市电及2#市电同时恢复供电。

4.6 两路市电同时失电（1种）

1#市电、2#市电同时失电。

4.7 两路市电同时失电，陆续恢复供电（2种）

（1）1#市电、2#市电同时失电，1#市电恢复供电，备自投动作，母联合位，2#市电又恢复供电；

（2）1#市电、2#市电同时失电，2#市电恢复供电，备自投动作，母联合位，1#市电又恢复供电。

4.8 两路市电同时失电，同时恢复供电（1种）

1#市电、2#市电同时失电，1#市电、2#市电同时恢复供电。

5 各级备自投动作时间及油机启停逻辑

5.1 各级备自投动作时间

（1）园区内110 kV变电站10 kV侧为第一级，备自投时间为6 s；1号楼10 kV开关站备自投第二级，备自投时间为8 s；1号楼低压母联第三级，备自投时间分别为1楼低压配电室50 s，2楼低压配电室60 s，4楼低压配电室70 s。

（2）备自投投入顺序为：第一级＞第二级＞第三级。

5.2 油机启动/停止逻辑

2路市电同时失电，由ATS发信号油机启动；当任一路市电来电，由ATS发信号油机停机[4,5]。

6 结 论

数据中心中压供电系统具备自动投切能力非常重要，一是能快速应对紧急事件的发生，提高系统可靠性；二是减少人员的投入，节约大量的运维人力成本。不同于使用PLC控制器实现各类断路器分合闸操作的供电系统，本文案例中设计的中压供电系统采用的是独立的中压ATS、备自投母联，通过对各类场景和运行逻辑的设计，以实现供电系统自投自复的功能，减少了对PLC控制器的依赖，是一种以可靠小系统实现大系统稳定性的典型做法。在对整个供电系统做拓扑分析和关键节点可靠性分析时，能很好地体现其优势。