基于IEC 61850的数据中心智能控制系统的设计与实践

李军学，霍海锋，朱帅华

（1.广州中浩控制技术有限公司，广州 510070；2.广东水利电力职业技术学院，广州 510925）

0 引言

随着人工智能、大数据和云计算等新一代信息技术的普及，其背后需要海量的数据作为计算支持，同时在国家十四五规划、新基建、东数西算与数字化行业的驱动下，数据中心进入持续快速发展期[1]，因此作为基础支撑的数据中心建设得到了蓬勃发展。数据中心广泛应用于通信、金融、商业等网络交易系统中，通常要求24 h 不间断运行，具有极高的可靠性要求。任何现代化的IT 设备都离不开电源系统，数据中心供配电系统是为机房内所有需要动力电源的设备提供稳定、可靠的动力电源支持的系统。供配电系统对于整个数据中心系统来说犹如人体的心脏-血液系统。根据电力系统可靠性等级划分，数据中心属于一级负荷中的重要负荷，对数据中心的供电可靠性提出了更高要求[2]。依据GB 50174—2017《数据中心设计规范》规定，数据中心必须有可靠的供电措施。根据规范，一级负荷必须配置双路不同电源供电，并且应配置独立应急电源供电[3]。因此，在电源进线配置2 路来自不同变电站市电，再配置柴油发电机（以下简称“油机”）作为市电全失后的备用电源就成为数据中心的典型配置。

A 级数据中心采用2 N 的供电网络，2 路10 kV 市电电源互为热备用，当一路进线失电，通过合上母联，另一路能承担全部数据中心负荷；当两路市电停电时，需要启动柴油发电机供电，由于油机功率有限，在实现市电供电向油机供电转换过程中，应自动逐级投切负荷；当柴油发电机出现故障时，由UPS不间断电源进行供电，保证负荷供电可靠性[4]。

但一般数据中心的UPS 电源按15 min 配置，当市电电源出现故障时，运维人员要在15 min 内快速完成电源和负载的投切工作且不能出错，还需要对系统是否存在故障进行判断，这对运维人员要求极高。因此，需要一套智能投切系统来完成复杂的备用电源和负载投切[5]。

传统实现数据中心智能投切功能是用PLC 或独立的投切装置，对装置的硬件配置要求较高，还需要配合大量的继电器和二次接线来实现，十分繁杂。本文以实际工程项目介绍一种基于IEC 61850 的数据中心智能控制系统的设计与应用方式，可以极大地降低设计、施工、调试和维护成本，并提高智能投切的可靠性。

1 智能控制系统原理

智能控制系统的实现主要有3种方式。

（1）基于PLC的控制系统

传统的PLC 技术被广泛应用于工业控制领域，其优势是逻辑可编程,是针对工业环境设计的电子装置[6]。但是，使用PLC 实现数据中心电源切换，需要有源电压电流变送器、开出继电器等大量额外附件，导致整个系统环节繁杂，影响系统的可靠性和可用性。更为重要的是，PLC 专为工业控制设计，其电磁兼容性能不满足高压电网的基本要求（PLC电磁兼容按工厂配电环境考虑(B级，380 V)），而与公用电网相连的数据中心高压系统属于C级，参见《IEC 61131-2可编程控制的设备要求和测试》，并且《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施》要求保护装置由屏外引入的开入回路应采用±220 V/110 V直流电源。光耦开入的动作电压应控制在额定直流电源电压的55%～70%。所以基于PLC 的智能控制系统并不能满足数据中心要求。

（2）基于独立控制装置的控制系统

采用独立的电力专用自动控制装置来实现智能控制系统功能，可以避免上述PLC 控制系统的问题。但该方案存在弊端，由于智能控制系统逻辑复杂，需要大量的信号传输和交换，因此需要大量的二次接线，这不仅使得前期设计工作变得复杂，也增加了施工的工作量，施工周期长，成本高。而且繁杂的二次接线容易出错，会间接影响项目周期。另外，大量的信号传输使得装置需要配置大量的I/O 来实现，这对硬件配置要求较高，成本也会随着I/O 数量升高，有时会出现装置的I/O 数量并不满足复杂逻辑信号的数量要求。所以采用独立一体的电力装置实现控制系统具有接线复杂，设计、实施和维护成本较高的问题。

（3）基于IEC 61850 GOOSE的控制系统

IEC 61850标准是目前通信网络和系统的趋势，是国际国内通用的标准[7]，其特点是面向对象技术定义了一个变电站自动化的抽象模型，规定了各个IED（智能设备）之间如何通信。IEC 61850标准体系完善，相对于基于报文结构的传统规约，应用面向对象技术有明显的技术特点和优势。面向对象的建模技术，实现了IED 的互操作性，建立了统一的设备和系统模型[8]，采用XML 配置语言。XML 是一种文本文档的标记语言，具有可扩展性且可以建立任何需要的标记[9]，设备具有自描述、自诊断和即插即用的特性，大大提高了系统的集成性。IEC 61850是变电站自动化通信标准，标准的本质目标是实现双方快速准确地理解相互传达与接收的逻辑信息命令，并正确执行命令，IEC 61850使电力系统形成一个整体结构，其可行性、开放性的特点，不仅节省成本，而且延长了系统的使用寿命[10]。

在数据中心10 kV 系统进出线柜配置施耐德电气公司Micom P5 系列的保护装置，采用IEC 61850 的GOOSE协议[11]。GOOSE 是IEC 61850 定义的一种快速报文传输机制[12]，面向对象的事件方式传递信息，采用RSTP 快速生成协议树的网络协议，实现装置与装置之间快速、可靠的数据交换。装置与装置之间采用网络方式替代二次控制电缆，GOOSE 报文是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。GOOSE 应用层协议具有检查重发的功能，能够有效提高传输可靠性，信号的通信延迟小于4 ms[13]。

GOOSE 对于信息传输具有实时可靠的优势，其最大特点是通信连接一经确立，在保证充足宽带情况下，可随意添加通信连接，具有较强的扩展性。利用GOOSE通信可减少电缆连接，节约资源成本，还能有效解决二次回路错误接触问题，保证二次回路的完好性。采用GOOSE 后，二次电缆的设计和连接工作变成了GOOSE通信组态和GOOSE 配置文件下载的工作。对于每一台装置而言，其GOOSE 输入输出与传统端子排仍然存在对应关系[14]。二次设备厂家可以根据传统设计规范设计并提供出其装置的GOOSE 输入输出端子定义；屏柜内接线大量减少，屏柜间实际接线工作也大量减少，其他工作是类似的。调试工作也将变得快速简单，这些将有利于提高建设调试速度。

作为提高可靠性的措施，保护GOOSE 需要检查到背板有效的起动信号，才会发送跳闸类型信号，否则跳闸信号始终为‘0’不启动。保护GOOSE 板接收除多播地址匹配外，还要严格检查AppID、REF、DATASET，在双网的情况下，GOOSE 板根据报文中的ST、SQ 值来判断是新报文还是冗余报文，分别进行处理，如果超过设定的间隔而没有收到设定的GOOSE 输入，将报GOOSE断链报警，提醒用户检查链路[15]。

综上，淋水降温依然未能根本解决高负载比钻机车连续长下坡制动问题，必须研究其他形式的速度控制方法，笔者分析了采用缓速装置来控制钻机车车速的方法。

为提高系统的可靠性，保护装置的通信网络一般设为双环冗余模式。冗余环系统可以实现在严酷的环境下系统网络遇到故障时，在较短时间内恢复通信，并返回用户故障信息，有效保护关键数据，减少网络中断造成的损失，提高系统网络的稳定性[16]。因此在突发状态下，巨量网络报文应能及时发送到合适的装置。因此，使用基于RSTP 协议的保护装置具有快速网络风暴的检测功能[17]，快速网络报文的处理功能，在网络风暴的情况下可以保证保护装置不丢失正常网络的报文，保护功能性能不受影响。RSTP 是在STP（Spanning Tree Protocol）基础上发展起来的环网协议[18]，RSTP 为快速生成树协议，网络中各交换设备通过RSTP 算法来定义各端口状态（转发或不转发），最后构成树状通信网络结构。当某两个交换设备之间链路出现问题，可以再通过RSTP 算法找到其他链路来生成新的树，达到网络冗余。智能控制系统拓扑示意图如图1所示。

图1 智能控制系统拓扑示意

2 智能控制系统设计组成

该数据中心由两级供电系统构成，一级供电系统由两路10 kV 外部市电进线和数据中心柴油发电机进线组成，二级供电系统由上一级电源出线作电源进线，并和母联柜及负载出线柜组成二级供电系统。

数据中心电气接线如图2 所示。安装在各个高压柜的微机继电保护装置A1～A4、B1～B3、C1～C6、D1～D6、E1～E2 通过网线组成RSTP 冗余网络，它们通过IEC 61850 GOOSE通信协议相互传递信号。

图2 数据中心电气接线

（1）安装于1、2号市电进线柜和1、2号油机进线柜的A1～A2、A3～A4 分别组成ATS 系统，通过其内部的ATS 控制逻辑，当市电停电时，自动切换至柴油发电机供电，保障供电可靠性。

（2）安装于1号电源进线、母联柜和2号电源进线柜的B1～B3 微机继电保护装置组成母联备自投系统，通过其内部的母联备自投逻辑，当1号电源进线或2号电源进线停电时，自动断开其开关，并自动合上母联柜，保证停电母线继续供电，进一步提高供电可靠性。

（3）安装于负载出线柜的C1～C6、D1～D6 微机继电保护装置分别组成了负载智能投切系统。当市电切换至油机供电时，由于油机的容量有限且变压器负载较多，为避免切换至油机供电时变压器的励磁涌流对发电机产生冲击电流，导致发电机拖垮，

变压器需要逐级投切[19]，当1、2号市电进线停电启动ATS系统时，负载智能投切系统将逐个负载出线柜切除；当ATS完成切换至油机供电时，负载智能投切系统将负载出线逐个投入恢复供电。同理，当1、2号电源进线停电启动母联备自投系统时，负载智能投切系统将自动逐级切除和投入负载。负载的投入顺序可以根据负载的重要性进行调整。

3 智能控制系统逻辑

总体要求：数据中心10 kV 系统采用单母分段的接线方式，每段安装一套中压ATS 柜，采用N+1 的供电方式。每段母线安装两回进线其中一回市电进线、一回油机进线，正常运行由各自市电带本段母线负载，市电与联络之间采用备自投自投不自复的模式。优先采用市电供电，当两回进线全部失电后，ATS 系统启动柴油发电机供电。油机不能承受在同一时间多台变压器启动，还需在油机供电后实现变压器的逐级投切功能。

正常运行状态：两路市电进线断路器合、母联分位；油机并机柜上各发电机断路器打开；油机并机柜上发电机出线断路器打开；10 kV Ⅰ段和10 kV Ⅱ段上油机进线断路器打开；负荷由市电电网供电。

以市电一失电为例，分析备自投逻辑。初始运行状态：市电进线1 开关和市电进线2 开关合位，母联分位，油机进线1和油机进线2分位且在工作位置，系统为自动状态。若市电进线1失电（10 kV Ⅰ段母线无压、市电进线1无流）、市电进线1开关合位，判定市电电源1异常，自动跳开市电进线1 开关。确认上述操作跳开的各开关均已分开后，合上母联开关，原来由市电电源1 供电的负荷转由市电电源2 供电。上述逻辑的闭锁条件：PT 断线告警（VTFF）；手动跳开市电1进线开关；市电1进线开关无电流保护动作。市电二失电的备自投逻辑同理。

双市电电源失电情况下的智能投切逻辑。系统处于自动状态。市电1 和市电2 均异常时（市电1失电、市电2 失电），经油机启动延时，智能投切系统跳开10 kV 母线段所有进出线、母联开关，ATS 系统发油机启动信号至发电机控制系统并保持，同时启动发电机最大正常启动时间计时器。发电机控制系统分别启动油机，并控制最先达到电压和频率条件的发电机的断路器合闸到发电机母线，此后发电机控制系统将控制其他各台发电机经过同期检查逐一并列到发电机母线。发电机并机完成后，发电机控制系统控制合上油机出线断路器1 和油机出线断路器2。判定油机电源正常后（油机电源1、2 电压正常），经过油机电源稳定延时，市电电源仍异常，则开始由市电电源向油机电源切换过程。ATS 系统合油机进线开关，确认开关合闸后，此时闭锁失电备自投。完成市电全失后发电机启动供电过程。

智能投切系统投切逻辑控制。检测到油机进线有压且合闸后，由智能投切系统按照负荷出线重要性等级，由重要性最高向重要性最低顺序逐次合上数据中心10 kV 母线Ⅰ段和Ⅱ段各出线开关。各负荷出线断路器有保护动作/试验位置/就地控制信号送到智能投切系统ATS，说明该路出线有故障或退出运行等状况，智能投切系统执行会跳过分合该断路器的步骤。

4 智能控制系统优势

本文提出利用10 kV 高压柜上的微机继电保护装置，通过IEC 61850 GOOSE 协议来实现数据中心的智能控制系统。相比于传统方式，该方式具有以下优势。

（1）设计简单

前期图纸设计时不需要设计复杂的信号，减少设计工作量，加快设计出图速度，加快项目进度。

（2）施工简单

由于信号传递通过IEC 61850 实现，只需一根网线，无需大量的二次线，节省了大量的施工量，缩短了施工周期，节约施工成本。

（3）可靠性提高

采用IEC 61850 标准的数字化变电站系统设计，将二次硬接线改为数字化装置之间基于高速以太网的数据交换，从而避免共模和差模干扰，减少接线错误，提高系统的运行可靠性[20]。

（4）节约硬件成本

利用微机继电保护装置实现，无需配置专用的控制装置和组屏安装，节约大量的硬件成本。

（5）灵活扩容

当系统需要调整控制逻辑时，无需更改二次接线，只需调整GOOSE 信号即可，不仅节省了施工成本，而且对不能随意停电的数据中心作用很大。

（6）主动报警

传统的二次接线如果出现松动，系统无法察觉，会导致智能控制系统需要切换的关键时刻无法实现，对供电可靠性造成威胁。使用IEC 61850 GOOSE 实现时，当GOOSE 信号传递出现异常时，会主动报GOOSE 错误，提醒运维人员及时排查故障，保证智能控制系统的可靠性。

5 结束语

该数据中心已经投入使用，其10 kV 供电系统经过调试运行良好，市电母联备自投、市电-油机备自投、变压器冷热备自投等功能准确无误，智能投切系统逐级减载加载顺序正确，各方面都达到或超出了用户的预期，成为数字化供配电系统应用的典型案例工程。该系统的建立，不仅可以提高工程效率，减少浪费，赋能运维，还能让专业化的协作全生命周期保持一致，并且具有显著的经济价值，具有缩短交付周期、降低成本及提升运维效率的优势。本文总结的基于IEC 61850 的数据中心智能投切系统设计可广泛推广于重要终端用户的供用电系统新建、改造项目，为国家绿色电网发展贡献积极的力量。