A级数据中心10 kV自动切换模式探讨

摘 要：针对A级数据中心对供电可靠性的要求，结合目前在运维过程中的无人值守模式，对数据中心的双路市电及备用柴油发电机电源自动切换模式提出了3种不同的方案，对各方案的切换逻辑进行了介绍，对各方案的特点进行分析、总结和对比，有助于选择更可靠简便的切换方式，以保证供电系统的稳定性和可靠性。

关键词：数据中心；电源切换；供配电；2N系统；自动切换；系统设计

中图分类号：TU855    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）13-0023-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.13.006

0    引言

信息技术、网络技术的迅速发展，使得建立能够存储核心数据信息的大型数据中心成为许多企业的迫切需求，例如银行、保险公司、网络公司等[1]。数据中心是指同时具有较大规模的服务器、存储/网络设备等及其他相关硬件设备的集中设施，为更好地保证设备正常运行，务必要保证电力系统正常安全运行，由此可见，大型数据中心对供电系统的要求比一般的建筑设施要高。GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定，A级数据中心要求供电系统不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统中断运行[2]。该规范要求供电系统采用两路来自不同供电站的市电同时供电、N+1后备柴油发电机作为后备电源和两套独立的后备UPS系统作为不间断电源的配置，保证A级数据中心整体供电的稳定性和可靠性。

A级大型数据中心一般的电源结构形式为2N双路市电供电外加柴油发电机作为备用电源，结合A级大型数据中心的电源结构特征，加上其在运维时一般为无人值守模式，故数据中心的供电系统在10 kV中压侧需要有自动切换控制系统来保证在10 kV市电出现故障时能快速可靠地切换至应急电源，在10 kV市电恢复时能按照要求切换至市电电源[3]。因此，稳定可靠的10 kV中压侧自动切换控制系统成为数据中心供电系统的重要组成部分。

1    数据中心供电系统概述

1.1    数据中心简介

数据中心的基础设施是指为确保数据中心的关键设备和装置能安全、稳定和可靠运行而设计配置的基础设施工程，也称为“机房工程”。鉴于数据中心的特殊性和重要性，为了保障其运行的可靠性与稳定性，数据中心的供电系统就显得尤为重要[4]。

数据中心的供电范围包括：IT设备、暖通系统、给排水系统、弱电系统、消防系统、照明系统和辅助设备，为此所有的供配电设备，包括发电机、变压器、各级配电系统、不间断电源系统等均需要稳定可靠运行，将电输送到最末端的设备是数据中心供电最重要的任务[5]。

1.2    数据中心供电系统架构

A级数据中心供电系统在配置双重10 kV市电电源的同时，还配备有10 kV柴油发电机组作为备用应急电源，在两路10 kV市电均发生故障时，柴油发电机组作为备用电源启动来给数据中心提供电源[6]。

经过变压器变换电压后，在低压侧末端配置UPS作为不间断电源来进行供电，避免中压或低压的切换需要一定的时间造成末端的服务器、交换机、存储等数据设备断电。

2    10 kV侧自动切换模式

A级数据中心的供电架构模式一般为单母线分段，配10 kV柴油发电机组作为应急电源，发生市电故障时，一般优先对10 kV中压侧电源进行切换，保证供电稳定可靠，因此10 kV侧自动切换逻辑和模式需要严格设计，避免中低压反复切换造成断路器多次动作，导致一些不必要的故障。

当仅一路市电出现故障或恢复时，两路市电进行备自投切换，此过程相对比较简单，一般用综合保护继电装置即可实现。在仅一路母线出现问题，另外一路市电正常供电时，因为目前负载全部加载到无故障的10 kV市电侧，两路市电备自投切换时无须断开馈线断路器，故障路市电恢复后的切换不会出现大量负载突然加载的情况，因此此种切换方式没有问题。

基于以上原因，本文仅讨论当10 kV侧两路市电均失电情况下的自动切换模式，此种切换模式需要综合考虑10 kV侧供电架构、低压侧变配电架构、UPS的配置等情况，但是大型数据中心的典型供配电架构基本一致，具有代表性。

本文按照最典型的A级数据中心的变配电架构进行讨论，图1为2N模式的典型架构图，以单路10 000 kVA容量为例，配置4台2 500 kVA变压器，每台变压器后端配置4台600 kVA不间断电源为整体供电；设置7台10.5 kV/1 800 kW（主用）快速自启动柴油发电机组作为自备应急电源，按6+1方式并机运行。

自动切换逻辑的主要断路器状态参照表1。

目前自动切换模式主要有以下3种模式：1）馈线断路器全动作模式；2）市电恢复馈线断路器不动作、油机供电馈线断路器动作模式；3）馈线断路器不动作模式。

2.1    馈线断路器全动作模式

馈线断路器全动作模式即市电失电切至柴油发电机供电，或市电恢复后供电从柴油发电机切回至市电供电时中压侧的馈线断路器全部断开再合闸供电。此种切换模式能够大大降低突然合闸加载对柴油发电机和市电电网的影响，但是此种模式操作过程复杂，整体切换时间较长，容易出现切换问题。

此种模式下，市电从失电到恢复供电的控制逻辑如下：

1）市电断电：断开市电进线断路器（201/202/245）及所有馈线断路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；2）发送油机启动信号，油机启动成功后并机输出至油机进线柜；3）油机进线柜合闸（E201/E202）；4）油机供电：馈线断路器间隔一定时间依次合闸（211/212/213/214/221/222/223/224）；5）市电恢复：断开油机进线断路器（E201/E202/245）及所有饋线断路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；6）市电进线断路器合闸（201/202）；7）馈线断路器依次合闸（211/212/213/214/221/222/223/224）。

2.2    市电恢复馈线断路器不动作、油机供电馈线断路器动作模式

市电恢复馈线断路器不动作、油机供电馈线断路器动作模式即当两路市电均出现故障时，需要启动柴油发电机供电时中压侧的馈线断路器全部断开再合闸供电；市电恢复后供电从柴油发电机切回至市电供电时，中压侧的馈线断路器不动作。此种切换模式一定程度上降低了切换逻辑的复杂性，能够减少突然合闸加载对柴油发电机的影响。由于10 kV上级一般为35 kV或110 kV或220 kV变电站，市电容量相对较大，对市电电网的冲击基本上不大，市电也可以接受此种切换方式。

市电失电再恢复供电的控制逻辑如下：

1）市电断电断开市电进线断路器（201/202/245）及所有馈线断路器（211/212/213/214/221/222/223/224）；2）发送油机启动信号，油机启动成功后并机输出至油机进线柜；3）油机进线柜合闸（E201/E202）；4）油机供电：馈线断路器间隔一定时间依次合闸（211/212/213/214/221/222/223/224）；5）市电恢复：断开油机进线断路器（E201/E202/245）；6）市电进线断路器合闸（201/202）。

2.3    馈线断路器不动作模式

由于在市电停电切换至油机供电或油机供电切回至市电供电的过程中有短暂的时间是处于中压停电状态的，此时末端设备是由UPS通过电池进行供电，因此可以利用UPS的联合供电功能进一步简化切换逻辑。

UPS联合供电模式指的是UPS从电池供电切换到主路供电时并不是立刻切换过来，而是按照慢慢降低电池带载的比例、提高主路带载的比例，直至由电池供电切换到完全主路供电。整个过程持续10～20 s，主路电流是平稳增加的，在切换至油机供电时，油机的带载率是慢慢提高的，并没有突然增加到100%，可以有效降低油机的压力。

由这个模式供电，可以在切换中只对市电进线断路器、油机进线断路器、母联断路器5个断路器进行操作，馈线断路器无须操作。此种模式可以大大降低切换系统的复杂性，提高可靠性和稳定性。

市电失电再恢复供电的控制逻辑如下：

1）市电失电：断开市电进线断路器（201/202/245）；2）发送油机启动信号，油机启动成功后并机输出至油机进线柜；3）油机供电：油机进线柜合闸（E201/

E202，负载由电池慢慢转至油机侧）；4）市电恢复：断开油机进线断路器（E201/E202/245）；5）市电进线断路器合闸（201/202，负载由电池慢慢转至市电侧）。

3    切换模式比较

表2对几种切换模式进行了对比分析。

通過以上对比可以发现，如果UPS支持联合供电模式，即可在中压馈线断路器不断开的情况下实现市电失电切换至油机供电、市电恢复切回至市电供电的切换过程。

4    结束语

不同的自动切换模式对整体供电稳定性有一定的影响，因此选择最合适且可靠的切换模式，可以更好地保证10 kV中压侧供电的稳定性和可靠性。

在UPS具备联合供电功能时，可在中压馈线断路器不断开的情况下实现市电失电切换至油机供电、市电恢复切回至市电供电的切换过程。此种模式可以仅对市电进线断路器、母联断路器、油机进线断路器进行切换，大大降低了逻辑的复杂程度，大幅度提高了切换系统和切换过程的可靠性及稳定性，是一种值得推广的自动切换模式。

[参考文献]

[1] 于智勇，徐义.数据中心10 kV供配电系统切换自动化工程实践[J].智能建筑电气技术，2019，13（3）：79-82.

[2] 数据中心设计规范：GB 50174—2017[S].

[3] 王海东，苗晓春.数据中心10 kV供电系统双电源切换逐级投切的应用研究[J].电信工程技术与标准化，2019，32（7）：12-14.

[4] 钟景华，朱利伟，曹播，等.新一代绿色数据中心的规划与设计[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5] 刘林.某A级数据中心的供配电系统设计[J].现代建筑电气，2021，12（8）：29-32.

[6] 秦珲.大数据中心高压油机供电模式探讨[J].通信电源技术，2020，37（1）：120-121.

收稿日期：2023-02-16

作者简介：刘艺伟（1986—），男，山东潍坊人，工程师，主要从事数据中心电气架构及设计工作。