10 kV配電系統自動運行控制在數據中心的應用

陳 碩，魏 華，楊 青

（北京電信規劃設計院有限公司，北京100048）

隨著網絡和信息技術的快速發展，人們對“大數據”業務需求不斷增長，為了滿足日益增長的應用需求，數據中心的建設規模也在向超大型、園區級數據中心方向發展。通信、金融、商業等行業，面對未來數據業務的爆發式增長需求，都在積極做出調整，提前布局，為在未來的競爭中取得先機，在發展的浪潮中處于領先地位，園區級數據中心的建設在很多領域相繼展開。

園區級數據中心，動輒承載幾十萬千瓦IT負荷，注定擁有規模龐大的電力基礎設施，而供電的連續性和可靠性，又是數據中心核心品質的基本保障，面對龐大的園區規模，如何在保證安全連續供電的前提下，提高電源系統自動化運行程度，降低維護管理成本，將是每一位數據中心建設者及管理者迫切面臨的問題。

本文以某數據中心10 kV配電系統設計方案為例，介紹工程中10 kV配電系統的構成及運行方式，分析其自投控制原理及實現方式，希望可以從工程設計的角度提高數據中心10 kV配電系統的自動化程度。

1 數據中心10 kV配電系統

（1）配電系統構成

某數據中心概況如下：機房樓IT及空調、建筑等負荷合計約9 800 kVA，遵照國標 GB50174《電子信息系統機房設計規范》A級標準建設，交流變配電系統按2N方式配置，配置10 kV配電系統1套，低壓變配電系統4套（每套包含2 500 kVA變壓器2套，低壓配電設備1套）。電源系統框架如圖1所示。

（2）系統運行要求

10 kV配電系統采用單母線分段帶聯絡方式運行，配置10 kV柴油發電機組作為后備電源，與市電電源在10 kV側進行切換。正常運行時，母聯開關斷開，兩路市電電源分別供電于兩段高壓母線，8臺2 500 kVA變壓器分別接入兩段高壓母線；當1路市電發生故障，閉合聯絡開關，由另外1路電源供電于整個模組。當兩路10 kV市電電源均發生故障，由備用柴油發電機組為兩段高壓母線供電。10 kV電源優先級依次為10 kV高壓雙電源、10 kV高壓單電源、高壓發電機組。

電源投切具備自動運行方式，也可手動進行操作。市電進線與母聯開關之間，市電進線與油機進線開關之間，分別設置運行方式選擇裝置，方便選擇。

自動運行狀態下高壓系統的開關狀態如表1所示。

表1 高壓系統開關狀態表

2 配電系統自動控制

2．1 自動控制應用技術

圖1 數據中心交流變配電一次系統圖

為實現配電系統自動投切控制，傳統方式采用各種繼電器、接觸器、開關觸點，根據不同的運行方式構成相應的電源自動投切二次回路，其特點是二次回路設計復雜，元器件使用種類多且用量大，可靠性低。隨著電力系統的規模越來越大，結構越來越復雜，特別是數據中心對電源連續供電的高品質要求，傳統的電源自動控制裝置已經很難滿足使用需求。

可編程序控制器（PLC）是近幾十年發展起來的一種新型工業控制器，由于它編程靈活，功能齊全，相比傳統繼電器系統具有控制簡單、抗干擾力強、工作壽命長、可靠性高、免維護等特點。使用PLC內部的軟繼電器簡化繼電器電路的復雜中間環節，實現軟接線邏輯構成系統，方便集中控制。此外，PLC還具有自診斷、故障報警、故障報警種類顯示及網絡通訊功能，便于操作和維修人員檢查。

目前，配電系統自動運行控制優選通過可編程控制器實現，為了實現復雜的自動運行方式，本工程采用可編程控制器代替傳統的繼電器二次系統，實現自動控制功能。

2．2 基于可編程控制器的自控系統

構建基于PLC的控制系統，以PLC作為整個系統的控制中樞，根據預設的邏輯關系對PLC進行編程，使其內部虛擬繼電器連接構成預定邏輯關系電路。通過采集外部（綜合繼電保護裝置、斷路器、PT、CT、手車等）大量的模擬量及開關量信息，經邏輯電路進行判斷，滿足條件后發出動作指令。

為防止誤動作造成兩路電源并網，必須滿足電氣閉鎖關系。通過將發出的分、合閘控制信號接入斷路器二次控制回路，即便誤發動作信號，由于二次回路其它閉鎖條件（電氣連接硬接點）不成立，可以有效避免誤動作發生，保障系統安全運行。

2．3 信號的采集

配電系統自動運行控制一般采用中小型可編程控制器，裝置采用模塊化配置。一般裝置本體配置有數十個IO／IB端口，通過擴展模塊可以提供更多IO／IB端口，經編程定義端口內容，采集信息詳見圖2。

圖2 高壓配電系統采集信息

2．4 自動控制邏輯原理

為滿足10 kV配電系統自投、自復的使用功能，自動控制邏輯原理（如圖3）主要從3方面考慮。

（1）市電供電時，兩路市電進線與母聯開關（201、202、245）之間的自投、自復，詳見表2。

表2 市電及母聯開關自投、自復邏輯原理

圖3 市電及母聯開關自投、自復邏輯原理圖

（2）市電停電時，備用柴油發電機組自啟動，備用發電機進線開關（211、212）自投如圖4，詳見表3。

表3 備用電源自啟及開關自投邏輯原理

圖4 備用電源自啟及開關自投邏輯原理圖

（3）市電恢復時，備用發電機進線開關（211、212）分閘，市電進線開關（201、202）自復如圖5，詳見表4。

表4 備用電源開關自復及市電開關自投邏輯原理

圖5 備用電源開關自復及市電開關自投邏輯原理圖

3 改進與應用

通過上述邏輯判斷，已基本實現數據中心10 kV配電系統的自控要求，但仍需不斷的調試與改進，一方面，進一步增強系統的可靠性，避免誤動發生。另一方面結合用戶使用習慣及現場應用條件，做出調整。

（1）為保障柴發電源的有效性，增加變壓器出線分路自動分、合閘功能

市電正常供電時，配電系統兩段母線同時為負荷供電。當兩路市電均停電，系統轉由備用柴油發電機組供電。應避免備用柴油發電機并機系統因單步加載負荷容量過大，造成備用電源失效或并機解列，無法滿足預期帶載要求，給用戶造成重大損失。這個問題對10 kV配電系統的自動控制提出了進一步要求，在配電系統自動運行狀態下，當市電失電轉由備用柴油發電機供電時，變壓器出線柜逐臺自動合閘（合閘時間可調）恢復供電，以降低單步加載對柴油發電機并機系統的影響如圖6。邏輯關系詳見表5。

表5 變壓器出線柜自動分、合閘邏輯原理

（2）為增加供電系統可靠性，考慮可編程控制器（PLC）冗余配置

可編程控制器是整套自動控制系統中樞核心，信號及動作指令均由其判斷并出發，需由專業的技術人員進行編程與調試。為增加供電系統可靠性，減短故障排查時間，盡快恢復配電系統自動控制，采用可編程控制器冗余配置是避免配電系統單點故障的有效方法。

圖6 兩路市電停電備用發電機組供電，變壓器出線柜自動分、合閘邏輯原理圖

（3）為增加供電系統運行靈活性，考慮采用多套應用邏輯控制程序

自數據中心投產初期至終期負荷滿載運行的過程中，用電負荷隨著IT設備的增加不斷增長，可以根據供電系統負載率變化情況，分期（初、終期）設置配電系統的運行方式。對于采用傳統繼電器搭接而成的二次回路，分期設置運行方式將會使二次電路變得更為復雜，而使用可編程控制器，通過選擇預制的邏輯控制程序，實現運行方式的轉換，增加了使用與維護的靈活性。

采用分期設置配電系統運行方式時，在負荷初期，兩路市電容量可以滿足冗余供電要求，當1路市電電源失電，優先選用另1路電源作為后備電源；在負荷終期（負載容量超過單路市電供電容量），超出部分可轉由備用發電機組供電，直至兩路市電均恢復正常供電；在兩路市電均正常供電的情況下，則可以進一步提高市電電源利用率。

（4）有效利用采集信息，構建高效維護管理平臺

為了滿足邏輯判斷需要，使用可編程控制器構建的配電系統自動控制系統采集了大量模擬量、開關量信息，如電壓、電流、綜合繼電保護裝置、斷路器狀態、手車狀態等。這些信息除了作為邏輯判斷的依據，還可進一步加以利用，簡化電力監控系統現場數據采集量，降低監控系統建設成本，減少重復的采集設備，簡化監控系統，構建高效的監控平臺系統。

4 結束語

數據中心的建設與發展使得進一步提高配電系統自動化運行能力成為發展趨勢，低壓配電系統自動運行的應用已較為普遍。而對于10 kV系統的自動運行，由于各地供電局對于只能采用電氣閉鎖的方式認可程度不一（擔心電氣閉鎖失效，向電網反送電，因此只批準手動運行方式），這在一定程度上影響了10 kV系統自動運行的廣泛應用。然而，配電自動控制系統的不斷完善與進步，10 kV系統自動運行將在提高供電可靠性、提升維護管理水平方面發揮更大作用。

［1］ 中國航空工業規劃設計研究院．工業與民用配電設計手冊（第三版）［M］．北京：中國電力出版社，2005．

［2］ 鐘景華，朱利偉，曹 播，丁麟鋼．新一代綠色數據中心的規劃與設計［M］．北京：電子工業出版社，2010．