大型数据中心备自投装置的设计

沈 政，金震

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

随着物联网、云计算和大数据等信息化时代新技术的普及，数据中心的建设蓬勃发展，同时对数据中心的供电可靠性提出了更高要求。依据GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定，数据中心必须要有可靠的供电措施。为此，来自不同变电站双路市电、冗余配置的柴油发电机（以下简称“柴发”）成为数据中心的典型配置。当一路市电或双路市电因故障停电后，就要进行备用电源的自动切换，加装备用电源自投（以下简称“备自投”）装置成为保证供电可靠性的重要措施之一［1-5］，其具有动作时间短、可靠性高、维护方便等优点。因此，数据中心安装备自投装置保证供电质量成为未来的发展趋势［6-9］。

常规的备自投装置大都按照“一主一备”或者双电源互为备用设计的，满足N-1 原则。对于具有3路、4路供电的大型数据中心供电电源，其控制逻辑更为复杂，需采集的模拟量和开关量增加，常规备自投装置往往不能满足需求，由于供电系统中通常只有一个备用电源，当出现开关拒动情况时，备自投装置缺乏补救措施［10-13］。在负载较重时，备自投将失电负载备投到其他备用电源，其动作后可能会导致备用电源上级主变压器（以下简称“主变”）过负荷。常见的备自投动作后引起过负荷的解决方案分为两种［14-16］：一是备自投动作前对负荷进行预判，根据负载情况开放或闭锁备自投；二是备自投动作后投入过负荷联切功能。上述两种过负荷解决方案在传统供电模式都能起到不错的效果，但对于数据中心这种供电拓扑结构复杂且负荷对供电要求更为严苛的情况，提前预判或者事后切除的方式往往不能满足其需求。针对以上常规备自投在数据中心使用可能面临的问题，本文将结合具体工程应用介绍一种适用于数据中心供电模式的备自投设计方式。

1 数据中心电气接线

为保证数据中心的稳定供电，工程建设了110 kV 用户变电站。如图1 所示，用户变电站通过两条来自不同电源的110 kV 线路与外部电网相连，站内有3 台110 kV/10 kV 变压器，110 kV 母线分段运行，3台主变分列运行，主变低压侧分为3 条10 kV 母线，3 条10 kV 低压母线之间没有直接的电气联系。

图1 用户站主接线

整个数据中心共建设了12 个10 kV 配电室，其中6 个配电室分配在A1 栋楼里，另外6 个分配在A2 栋楼里，其中A1 栋每个配电室电源1 进线来自于1号主变，电源2进线来自于3号主变；A2栋每个配电室电源1 进线来自于2 号主变，电源2进线来自于3号主变。配电室10 kV母线通过馈线给数据中心负荷供电。每个配电室配置有柴发，通过发电机组母线与两段供电母线相连，柴发采用PLC（可编程逻辑控制器）控制，在收到启动柴发脉冲信号后，能在10 s 内完成启动，并作为应急电源给负荷供电。每个配电室电气主接线相同，如图2 所示，其中QF1—QF5 为开关编号。根据用户需求，在每个10 kV配电室分段配电柜中安装1台备自投装置，本文将在后续章节中对此备自投装置进行设计说明。

2 备自投切换逻辑

如图2 所示，正常运行时，两路电源同时供电，10 kV母线分列运行，即1QF和2QF在合位，分段3QF 在分位，两段供电母线互为热备用，柴发回路4QF和5QF处于分位备用状态。

图2 配电室主接线

10 kV配电室供电方式如下：当电源1进线故障失电，可优先转移到电源2 进线带两段母线运行，电源1进线可自动恢复到正常运行条件；电源2进线故障失电，可优先转移到电源1带两段母线运行，电源2进线可自动恢复到正常运行条件；双路电源同时失电，可转移到柴发运行，柴发作为应急电源只有当双市电无法正常工作时才会启用。

由于A1 栋和A2 栋配电室所有电源2 进线都来自3 号变10 kV 低压侧，当用户站1 号主变和2号主变上级110 kV 母线或者1 号110 kV 线路发生故障，按照上述分析，备自投动作逻辑会优先将所有负荷都转移到3号主变，在极端重负载情况下会导致3号主变过负荷，而主变不允许长时间过负荷运行，应采取措施避免这种情况发生。由于数据中心负荷的特殊性，不能随意切除负载，考虑到每个配电室备自投的配合关系，需将主变过负荷信号做为备自投动作逻辑的条件之一，根据主变是否过负荷切换到不同的动作方式，备自投过负荷传输设计将在第3章中介绍。

3 系统设计

3.1 主变过负荷信号传输设计

考虑到每个备自投装置均会组网进行后台或远方信号监控，将主变过负荷信号通过交换机站控层网络传输给每个组网的备自投装置，备自投接收主变过负荷信号的网络传输框图见图3。

图3 主变过负荷信号传输框图

本方式采用光纤传输，减少电缆投资并且提高信号传输质量。线路保护装置将远传模块传输过来的电信号转换成站控层信号，通过网络交换机发送给每个配电室备自投装置，这样每个配电室组网的备自投装置都能收到信号。110 kV/10 kV变压器一般为双重化保护配置，将两台变压器保护的过负荷信号同时传输能够保证过负荷信号的可靠性，而且不会增加新的投资。

3.2 备自投硬件设计

装置引入两段10 kV母线电压，用于有压、无压判别；引入两电源电压作为自投准备及动作的辅助判据；两进线电源开关，各引入一相电流，不但能防止TV（电压互感器）三相断线后造成备自投装置误动作，而且能更好地确认电源开关已跳开。

装置引入1QF、2QF、3QF、4QF 和5QF 的跳闸位置接点和柴发启动完成信号接点，用于系统运行方式判别、自投准备及自投动作。装置可选引入配电室电源1进线、电源2进线和分段开关的合后位置信号，作为各种运行情况下手跳闭锁备自投。如果无法接入开关的合后位置信号，则必须把相应开关的手跳接点接到备自投总闭锁开入端子，防止手跳开关时出现备自投误动的情况。另外还需设置有闭锁备自投方式开入，用来外部其他条件闭锁备自投。

装置输出有跳1QF、2QF 和3QF 动作命令，用于跳开电源1进线、电源2进线和分段开关；有合1QF、2QF、3QF、4QF 和5QF 动作命令，用于合上电源1、电源2、分段开关和柴发回路开关；同时还能输出联切母线馈线命令和分轮合母线馈线命令，前者便于柴发轻载启动，后者是待柴发启动后重新恢复负载。分轮次投入负载是由于发电机带载特性所决定的，发电机不允许带载启动。

3.3 备自投自投方式设计

备自投工作时的基本要求［17-20］：主供电源确定断开后，备用电源才允许投入；在下次充电完成前，备自投只允许动作一次；工作母线失压时必须检查工作电流无流后才能启动备自投，防止电压二次回路断线造成误动；手跳主供电源时应闭锁备自投；备自投跳闸延时需躲过线路重合闸时间；应具有闭锁备自投的逻辑，防止备自投动作合闸于故障元件上；应有分段开关自投于故障母线或者故障设备的加速保护。

为达到上述备自投切换过程中的要求，每个配电室备自投装置共配置了8种备自投方式，且采用相同逻辑控制提高装置的兼容性。方式一和方式二为市电自恢复模式；方式三至方式五为分段自投模式或发电机自投模式；最后3种方式为主变过负荷自投模式；每种备自投模式相互独立，通过独立的控制字投退。

3.3.1 市电自恢复模式

如图2所示，方式一为电源2进线自恢复，方式二为电源1进线自恢复，两种市电自恢复模式类似。以方式一为例，该方式充电条件：1QF、3QF在合位，2QF、4QF 和5QF 在分位；Ⅰ母、Ⅱ母三相有压，电源2进线无压。同时满足以上条件经延时充电完成。

放电条件：2QF、4QF 或5QF 合上；1QF、2QF或3QF位置异常；外部闭锁开入；3QF拒跳；1QF 分位；收到变电站侧3 号主变过负荷信号，此时需要特别注意，该配电室上级主变已经超负荷运行，如再将负荷分配过来将导致更加严重的过负荷（对于电源1 进线自恢复逻辑则不需要该放电条件）。

动作过程：当充电完成后，电源2有压，则启动经延时跳3QF，确认3QF跳开后经延时合2QF。市电自恢复动作逻辑如图4所示。

图4 市电自恢复备自投动作逻辑

3.3.2 分段备自投模式

方式三为电源1进线和电源2进线各带一段母线运行，分段备用，1QF 和2QF 在合位，分段3QF 在分位。充电条件：1QF、2QF 在合位，3QF、4QF和5QF在分位；Ⅰ母、Ⅱ母三相有压。

放电条件：3QF、4QF 或5QF 合上；备用母线不满足有压条件，延时放电；外部闭锁开入；手跳闭锁；1QF、2QF 或3QF 位置异常；主供电源拒跳。

当充电完成后，电源1进线或电源2进线故障失电，主供进线无流，母线无压，经延时跳主供电源，确认主供电源跳开后，合分段3QF，3QF合闸成功则该方式结束。若3QF 拒合，则切除失电母线所带负载，同时发出启动柴发命令，待收到柴发启动完成信号，合失电母线所在发电机组回路，并按照一定轮次投入负载。分段备自投动作逻辑如图5所示。

图5 分段备自投动作逻辑

3.3.3 发电机自投模式

方式四为电源1进线带两段母线运行。方式五为电源2进线带两段母线运行。当出现方式三至方式五任一运行方式时，充电条件为：1QF、2QF和3QF 3 台开关中任两台处于合位，剩余一台开关和4QF、5QF处于分位；Ⅰ母、Ⅱ母三相有压。

放电条件：4QF 或5QF 合上；1QF 或2QF 拒跳；外部闭锁开入；手跳闭锁；1QF、2QF 或3QF位置异常。

当充电完成后，两路电源同时发生故障，两进线无流，母线无压，经延时跳开1QF、2QF 和3QF，同时联跳两段母线所有负荷。

若1QF、2QF 和3QF 都跳开，则启动柴发，待收到启动完成信号，经延时合开关4QF和5QF。4QF 和5QF 都合上且母线有压后，经一定轮次投入负载。若4QF 或5QF 仅有一个合闸成功，则再合分段3QF后，经轮次合负载。

若1QF、2QF 跳开，3QF 拒跳，启动柴发，待收到启动完成信号，经延时合4QF或5QF（优先合4QF，若4QF 拒合再合5QF）。确认4QF 或5QF合上后，经轮次合负载。

3.3.4 主变过负荷模式

备自投完成负荷切换后，每个配电室电源2进线承载的负荷总容量大于主变容量，3号主变过负荷。此时需要将部分配电室电源2进线所带负载转移到该配电室其他备用电源上。根据备用电源和每个配电室的供电形式可分为3 种主变过负荷模式。

1）方式六（主变过负荷模式一）：电源1 进线、电源2进线各带一段母线运行，分段备用。充电条件：1QF、2QF 在合位，3QF、4QF、5QF 在分位，Ⅰ母、Ⅱ母三相有压。

放电条件：3QF、4QF 或者5QF 合上；2QF拒跳；5QF 拒合；外部闭锁开入；手跳闭锁；1QF、2QF或3QF位置异常。

当充电完成后，备自投收到3号主变过负荷信号则启动，经延时跳2QF，确认2QF 跳开后，经延时合3QF。若3QF 合闸成功则结束；若3QF 拒合，则跳Ⅱ母所有负载，同时启动柴发。待收到柴发启动完成信号后合5QF，经轮次投入负载。

2）方式七（主变过负荷模式二）：Ⅰ母由柴发供电，Ⅱ母由电源2 进线供电，即4QF 和2QF 在合位，3QF、1QF 和5QF 在分位。充电条件：4QF、2QF 在合位，3QF、1QF 和5QF 在分位，Ⅰ母、Ⅱ母三相有压。

放电条件：3QF 或者5QF 合上；2QF 拒跳；5QF 拒合；外部闭锁开入；手跳闭锁；1QF、2QF或3QF位置异常。

当充电完成后，收到3号主变过负荷信号则启动，经延时跳2QF 并联跳Ⅱ母的所有负载开关。确认2QF 跳开后，且Ⅱ母无压，启动柴发。待收到柴发启动完成信号后合5QF，经轮次投入负载。

3）方式八（主变过负荷模式三）：电源2进线带两段母线运行，即2QF 和3QF 在合位，1QF、4QF 和5QF 在分位。充电条件：3QF、2QF 在合位，1QF、4QF、5QF 在分位；Ⅰ母、Ⅱ母三相有压。

放电条件：1QF、4QF 或5QF 合上；2QF 拒跳；4QF 和5QF 同时拒合；外部闭锁开入；手跳闭锁；1QF、2QF或3QF位置异常。

当充电完成后，收到3号主变过负荷信号则启动，经延时跳2QF 和3QF，同时联跳两段母线所有负荷。

若2QF 和3QF 都跳开且母线均无压，则启动柴发，待收到柴发启动完成信号，合4QF和5QF。若4QF 和5QF 都合上且母线有压后，经轮次投入负载。

若2QF 跳开且母线均无压，但3QF 拒跳，仍启动柴发，待收到柴发启动完成信号，合4QF 或5QF（优先合4QF，若4QF 拒合则再合5QF）。确认4QF 或5QF 合上且母线有压后，经轮次投入负载。

4 仿真验证

采用图6所示接线搭建试验仿真系统，对A1、A2 栋6 个配电室进行简化处理，用一个总模型代替。分别模拟K1、K2 点母线发生故障，观察A1栋和A2栋备自投动作情况。

图6 仿真试验系统

模拟K1 点发生故障，且A1 栋配电室分段开关出现故障拒动，在未收到3号主变过负荷信号情况下，满足分段自投或发电机自投模式，备自投首先跳开1QF，确认1QF 跳开后合3QF，如3QF拒合，则随后联切馈线并启动柴油发电机，待收到柴发启动完成信号后合4QF，并按照一定轮次投入负载。A1 栋备自投开关量录波信息如图7 所示，与预期相符。

图7 K1故障A1备自投开关量录波

模拟K2点发生故障，此时A1和A2栋Ⅰ母无压，电源1进线无流，首先将负荷切换转移到电源2 进线，假设此时负荷重载导致3 号主变过负荷，为优先保证A1 栋负荷由市电供电，设置A1 栋备自投过负荷跳闸时间整定值大于A2栋整定值，若将A2 栋负载转移到柴发后，3 号主变过负荷信号消失，则A1 栋备自投置无需再动作，此时A1 栋和A2栋备自投开关量录波分别如图8和图9所示，与预期相符。

图8 K2故障A1备自投开关量录波

图9 K2故障A2备自投开关量录波

5 结语

数据中心供电系统中由于新增了应急柴发，整个电源系统的控制逻辑更为复杂，采用常规的备自投控制逻辑往往不能满足需求。本文结合具体案例，考虑可能出现的N-2 故障（主供电源失电、开关拒跳拒合）及主变过负荷情况，优化备自投控制逻辑以满足数据中心对供电高可靠性的需求，也为后续数据中心备用电源自控逻辑设计提供参考。