數據中心10kV供電自動投切控制系統

劉 贊，孟祥宇，賈恩明，周春旭，崔慧東

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

數據中心10kV供電自動投切控制系統

劉 贊，孟祥宇，賈恩明，周春旭，崔慧東

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

隨著信息技術的迅速發展和互聯網+時代的到來，社會各界對信息系統的應用越來越廣泛，信息和數據量呈幾何級增長，由此對數據中心的需求日益增加。因為大型數據中心在這些行業中承載著企業的核心業務，其供電系統的規模越來越大，結構也越來越復雜，性能要求越來越高，自動投切控制系統的起到了舉足輕重的作用。控制系統針對數據中心供電系統滿足Uptime Tier4標準下進行研究，采用PLC冗余配置的方法搭建系統，同時搭配觸摸屏，實現本地的在線可視化監控。可以保證數據中心供電系統滿足容錯要求和實現安全可靠的不間斷供電功能。

數據中心；供電系統；PLC冗余；自動控制

0 引言

信息技術、網絡技術的迅速發展，使得建立能夠存儲核心數據信息的大型數據中心成為許多企業的迫切需求，例如銀行、保險、網絡公司等等。大型數據中心對供電系統的要求比一般的建筑設施要高，Uptime Tier4標準要求供電系統不應因操作失誤、設備故障、外電源中斷、維護和檢修而導致電子信息系統中斷運行。該標準要求供電系統采用兩路來自不同供電站的市電同時供電、N+1后備柴油發電機和兩套獨立的后備UPS系統的配置[1,2]。

大型數據中心的數據實時在存儲，一旦出現掉電的情況，企業將會遭受巨大的損失。為此數據中心的供電系統在10kV中壓側需要有自動投切控制系統保障，在低壓側有備用電源及UPS系統等，從每個環節保證供電的安全可靠性。如何設計好10kV側的自動投切控制系統成為數據中心供電系統的重要部分。

1 數據中心供電系統概述

1.1 數據中心簡介

數據中心是提供海量數據存儲、交換和處理的平臺，它基于高速網絡的接入。數據中心不同于計算機房，它對環境的要求是非常嚴格的，例如溫度、濕度、噪聲、照明、磁場干擾等。

數據中心通常是指在一個物理空間內實現對數據信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理，而計算機、服務器、網絡、通信、存儲設備等通常認為是數據中心的關鍵設備。數據中心的基礎設施是指為確保數據中心的關鍵設備和裝置能安全、穩定和可靠運行而設計配置的基礎工程，也稱為機房工程。因為數據中心的特殊性和重要性，為了保障其運行的可靠性與穩定性，數據中心的供電系統就顯得尤為重要[3]。

數據中心的供電范圍包括：IT設備、供電設備（包括發電機、轉換開關、變壓器、各級配電系統、不間斷電源系統等）、制冷系統（包括為適度調節系統、空調系統）、照明系統和輔助設備。進行數據中心的供電系統的規模設計時，需要充分考慮數據中心的可持續發展功能，即能保證五年的擴展能力、改造的經濟適用性和改造的技術可行性。

1.2 數據中心供電系統標準

數據中心要保證連續運行需要滿足兩個基本條件，即不間斷供電和連續制冷。Uptime Tier4標準要求涉及到任何供電系統有計劃的活動安排，都要保證數據中心中關鍵負載無中斷運行。關鍵負載是指構成IT業務架構的所有IT硬件組件，同時還包括相應的安全系統、消防系統和監控系統。有計劃的活動安排包括供電系統日常維護修理、更換零部件、增加新設備或者調整部件容量、進行部件和系統的測試工作等。供電系統在結構上要求同時存在兩段母線在線運行。所有關鍵負載的最大負荷總和不應超過每段母線最大輸出容量的90%。Uptime Tier4標準要求全部IT設備硬件有具備故障容錯功能的雙電源輸入。數據中心供電系統具備嚴格的故障容錯能力，可以保證數據中心維持計劃外的故障或運行錯誤時，不會出現機房運行過程中中斷事故。

數據中心供電系統在配置兩路10kV市電的同時，還配備有柴油發電機組，且其配電線路同樣也是冗余的。在主供電電網故障是，柴油發電機組有10～15S的啟動時間，活動斷路器也有百毫秒級的轉換時間，但在后級UPS的支撐下，并不會對關鍵負載設備產生影響。

1.3 供電系統的現狀及局限性

目前，數據中心供電系統的供電方案主要針對于低壓UPS部分。現有的數據中心大多采用交流UPS技術構建電源系統，它能提供不間斷的、頻率和幅值誤差可控的電力。但是，交流UPS技術在供電效率、可靠性、維護和擴展能力方面存在著許多問題。為了解決交流UPS技術存在的缺陷，數據中心采用了HVDC（High-voltage direct current,高壓直流輸電）供電技術取代了交流UPS技術（此處的高壓相對于傳統的48V直流供電技術而言，國內有240V、336V兩種規格）。HVDC采用高壓直流的供電方式，消除了UPS中的逆變環節，簡化了UPS系統結構的同時提高了電能利用率，可以顯著的降低用戶投入成本。

目前，國內的數據中心管理者普遍認為只要供電系統中配置了UPS設備，就能保證供電系統不間斷的供電，實際上情況卻并非如此。UPS依靠電池儲能并向IT設備等負載維持不間斷供電，但是UPS的電池容量是有限的，而且，其電池容量在系統投入運行后不允許再擴容。對于現代高功率密度的數據中心，UPS的電池容量只能支持市電斷電后關鍵IT設備短時間內繼續正常運行，數據中心的制冷系統在市電停電后隨之停止工作，如果僅僅依靠機房空間內存留的冷量，也只能維持IT設備繼續在運行1～2分鐘，數據中心機房存在溫度過熱產生的宕機故障。后備柴油發電機組在市電失電后維持高壓冷機繼續的持續制冷，與此同時，它還給UPS供電系統提供交流能源輸入。綜上所述，針對要求持續運行的高標準數據中心，UPS并不能從根本上解決數據中心因市電停電而導致的運行中斷故障。當市電的故障修復時間比UPS備用電池支撐時間長時，數據中心的IT設備同樣宕機。所以對于高標準的數據中心供電系統，在設計其供電系統時，必須考慮在中壓側供電方向增加冗余交流電源輸入。

2 系統要求

中國人壽數據中心的供電系統是按照Uptime Tier4標準要求建立的，10kV中壓供電由兩路分別來自不同配電所。并且每一路10kV供電都能滿足對數據中心所有負載的供電要求。正常工作時兩路10kV都投入工作，互為備用，每一路均給50%左右的負荷供電。同時供電系統配有發電機供電系統，發電機系統在市電失電時能夠滿足大部分主要負載的供電。供電結構示意圖如圖1所示。

在供電系統供電時，有可能會出現多種故障情況導致數據中心掉電，如何在情況發生時，保證數據中心供電系統的不間斷供電是控制系統的核心問題。

例如：

1）兩路市電供電，其中一路失電的情況；

2）兩路市電都失電的情況；

3）一路進線失電，而另一路母線故障的情況；

4）市電恢復供電時；

5）正常運行時，母線故障情況；.

6）柴油發電機運行情況下，柴油機發生故障情況。

當然，還會有其他的情況出現，如果出現上述情況，單純依靠人工操作會延誤時間，不滿足連續供電的要求。因此需要一套運行穩定可靠的自動化控制系統，能夠在各種情況發生時，自動進行供電系統的調整。并且能夠給操作人員以及上位集成平臺信息反饋。

圖1 供電結構示意圖

3 10kV自動投切控制系統設計

10kV自動投切控制系統需要能夠保證自身持續穩定工作的能力，安全可靠的保障供電系統的連續供電要求。如果當控制系統自身出現故障時，該系統應該滿足在線的硬件設施更換，不能因為控制系統自身發生故障而導致供電系統出現問題。為了能夠使控制系統能夠實現在線更換模塊，10kV自動投切控制系統采用冗余的結構配置PLC。本項目中選擇了西門子CPU412-5H系列PLC作為系統的核心控制器，并采用從電源、CPU到I/O模塊均冗余的形式。

3.1 西門子PLC412-5H

西門子S7-400H系列即表示冗余自動化系統，通過將發生中斷的單元自動切換到備用單元的方法，H（高可靠性）系統可以實現系統的不中斷工作，H系統冗余了PLC的工作部件，實現了系統的高可靠性。冗余自動化系統可用來降低生產損失風險，與該損失是由系統出錯或者是維護系統所導致無關。H系統不會因為其中單個的CPU故障問題導致PLC控制系統的癱瘓。H系統內各冗余部件實現無擾動切換，PLC不會丟失任何信息。排除故障的時間成本越高，越有必要使用冗余系統。通過避免數據中心的運行中斷所造成的損失，可以快速收回冗余系統所占用的較高的投資成本。西門子S7-400H冗余自動化系統適用于無需維護人員人為監視或執行操作的工作場合。

冗余自動化系統廣泛應用在有冗余設計的容錯自動化系統中，在容錯技術下用于需要高可靠性的場合，如再啟動或停機將會造成較大損失的生產領域、需要少量管理和維護的工廠等。

冗余自動化系統可以實現如下功能：

1）使系統具有冗余的中央功能。

2）加強I/O 的可用性：可自動切換I/O 的配置。

3）熱備功能：在故障事件發生時自動地切換到備用單元。

4）采用2個單獨的或1個分隔的中央機架配置，使連接到冗余PROFIBUS-DP 上的可切換I/O實現在線更換維修。

因此選擇西門子S400系列的PLC，412-5H能夠滿足本控制系統的要求。

3.2 冗余配置

S7-400H系統冗余原理是兩個CPU同時工作，CPU之間切換不需要時間。I/O為2oo2（2 out of 2）主動冗余，同時工作。

1）CPU冗余

10kV自動投切控制系統是數據中心高壓側供電連續可靠的保證，為了更好的提高其可靠性，在系統中使用CPU冗余的方式。兩臺CPU412-5H之間通過光纖連接，實現工作的同步，如圖2所示。當一臺CPU出現問題時，另外一臺CPU會自動投入使用。可以在系統運行時，更換其中的一臺CPU，不會影響系統運行。

圖2 CPU冗余結構圖

2）I/O冗余

系統采集現場進線、母聯、饋出、發電機等狀態信息進入PLC，同時PLC根據情況判斷進行輸出控制相關斷路器的動作。為了保證系統的可靠性采用I/O冗余的方式。I/O冗余一般有點冗余和模塊冗余，點冗余是在同一個模塊上兩個點是冗余的。當兩個單獨的模塊以冗余對的方式被組態使用時，采用的是冗余I/O方式。這種方式可以使PLC控制系統達到最高的可靠性，因為單個CPU和單個信號模塊發生故障對于控制系統正常工作均無影響。冗余I/O是通過使用功能塊庫“function I/O redundancy”來執行的。這些功能塊只能在S7-400H系統中使用。

本系統是采用相鄰兩個模塊冗余。數字量輸入通過西門的MTA DI模塊，把一個數字量輸入點轉換為2點并進入相鄰兩個模塊的輸入點。同樣的，PLC輸出點在相鄰兩個模塊同時輸出，通過MTA DO模塊轉換為一個輸出控制量控制現場設備。通過MTA AI模塊進行模擬量輸入的冗余。輸入輸出量進行I/O模塊冗余后可以實現在線的更換I/O模塊而不影響系統的正常運行，保證系統的連續工作，進而保證供電系統的連續可靠運行。

3）電源冗余

I/O信號采集的供電采用冗余的方式，兩路供電通過西門子24V電源模塊轉換為24V，通過冗余模塊后給I/O供電，當其中任何一路電源失電或者其中任何一個電源故障時都不會影響24V電源供電，供電電路如圖3所示。

3.3 觸摸屏設計

圖3 冗余電源電路圖

系統中觸摸屏作為人機交換的介質，取代了按鈕、指示燈的傳統操作方式。操作人員可以直接在觸摸屏上進行操作，簡單方便。選用西門子HMI設備MP377 15''Touch觸摸屏，與PLC品牌一致。觸摸屏上可以開發友好的人機界面，本地在線展示斷路器工作狀態、進線、窺出等電壓、電流，并且可以根據情況選擇PLC的工作模式，更改程序延時時間參數。

4 程序設計與實現

4.1 PLC程序開發

中壓PLC控制系統實現中壓自動投切的功能，主要是在硬件架構形成的基礎上依靠PLC的運行程序來實現各種故障情況下的控制功能。按照要求有以下八種控制要求。

1）#1進線失電情況；

設計流程圖如圖4所示。

2）#2進線失電情況；

3）兩路進線失電情況；

4）#1進線失電，2段母線故障情況；

5）#2進線失電，1段母線故障情況；

6）恢復市電供電；

7）正常運行情況下，母線故障情況；

8）柴油發電機運行情況下，柴油機發生故障情況。

根據第一種情況的程序流程圖，其他七種情況都可以用PLC的軟件程序來實現。通過軟件程序實現，可以考慮多種情況，不影響整體方案的改動。功能中的延時時間T11,T13,T14,T15,T16都可以在觸摸屏上設置。

在PLC控制機柜上設有選擇開關，設為自投自復、自投手復、解除。當兩路市電供電，而其中一路失電情況下：

圖4 設計流程圖

如果選擇為自投自復，那么PLC自動投切控制系統會自動檢測到一路失電，而自動斷開失電母排的出現斷路器，自動合上母聯，再自動合上負荷斷路器；當失電恢復正常時，備自投PLC控制系統會自動切除母聯，恢復兩路市電供電的狀態。

如果選擇自投手復，那么PLC自動投切控制系統會自動檢測到一路失電，而自動斷開失電母排的出現斷路器，自動合上母聯，再自動合上負荷斷路器；當失電恢復正常時，PLC自動投切控制系統不會自動恢復原來線路供電，而是要靠人為手動恢復失電線路的供電。

解除功能，選擇解除功能，PLC自動投切控制系統功能將被屏蔽。

4.2 觸摸屏程序

系統中觸摸屏取代了按鈕、指示燈的傳統操作方式。觸摸屏上可以本地在線展示斷路器分合閘狀態、故障報警，進線、窺出等電壓、電流，母線工作狀態。并且可以根據情況選擇PLC的工作模式，更改程序延時時間參數。觸摸屏界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏界面示意圖

5 結束語

10kV自動投切控制系統采用西門子可編程控制器412-5H為核心控制器，CPU與I/O雙冗余的方式，可靠的實現了數據中心供電系統功能需求。通過實際調試，人為模擬各種用電情況，系統能夠自動進行供電模式的切換。通過現場觸摸屏的操作，可以清晰的展示中壓供電系統進線、發電機、母線、各路饋出的工作狀態。通過調整系統切換時各路饋出投切的延時時間，可以達到優化供電的目的。系統可以通過Modbus方式與上位機系統進行數據交換。整個系統滿足了數據中心中壓供電側連續供電的需求，對數據中心供電系統發展起到了積極的作用。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》[S].北京:中國計劃出版社.

[2] Telecommunications Industry Association. ANSI/TIA-942-2005《Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers》[S].U.S.A:TELECOMMUNICATIONS INDUSTRY ASSOCIATION Standards and Technology Department.

[3] 張廣明,陳冰,張彥和.數據中心基礎設施設計與建設[M].電子工業出版社,2012.06.

[4] 陳茂英.備用電源自動投入裝置的應用[J].廣東電力,2007,20(12):55-59.

[5] 張廣明,陳冀生.現代數據中心對供電系統的要求和存在的問題[J].智能建筑與城市信息,2013(6).

[6] 西門子自動化.S7-400用戶手冊[Z].2004:8.

Automatic switching control system of 10kV power supply in data center

LIU Zan, MENG Xiang-Yu, JIA En-Ming, ZHOU Chun-xu, CUI Hui-dong

TM762

：B

1009-0134(2017)06-0031-05

2017-04-10

劉贊（1990 -），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為自動控制與檢測。