基于IEC 61850的數據中心智能控制系統的設計與實踐

李軍學，霍海鋒，朱帥華

（1.廣州中浩控制技術有限公司，廣州 510070；2.廣東水利電力職業技術學院，廣州 510925）

0 引言

隨著人工智能、大數據和云計算等新一代信息技術的普及，其背后需要海量的數據作為計算支持，同時在國家十四五規劃、新基建、東數西算與數字化行業的驅動下，數據中心進入持續快速發展期[1]，因此作為基礎支撐的數據中心建設得到了蓬勃發展。數據中心廣泛應用于通信、金融、商業等網絡交易系統中，通常要求24 h 不間斷運行，具有極高的可靠性要求。任何現代化的IT 設備都離不開電源系統，數據中心供配電系統是為機房內所有需要動力電源的設備提供穩定、可靠的動力電源支持的系統。供配電系統對于整個數據中心系統來說猶如人體的心臟-血液系統。根據電力系統可靠性等級劃分，數據中心屬于一級負荷中的重要負荷，對數據中心的供電可靠性提出了更高要求[2]。依據GB 50174—2017《數據中心設計規范》規定，數據中心必須有可靠的供電措施。根據規范，一級負荷必須配置雙路不同電源供電，并且應配置獨立應急電源供電[3]。因此，在電源進線配置2 路來自不同變電站市電，再配置柴油發電機（以下簡稱“油機”）作為市電全失后的備用電源就成為數據中心的典型配置。

A 級數據中心采用2 N 的供電網絡，2 路10 kV 市電電源互為熱備用，當一路進線失電，通過合上母聯，另一路能承擔全部數據中心負荷；當兩路市電停電時，需要啟動柴油發電機供電，由于油機功率有限，在實現市電供電向油機供電轉換過程中，應自動逐級投切負荷；當柴油發電機出現故障時，由UPS不間斷電源進行供電，保證負荷供電可靠性[4]。

但一般數據中心的UPS 電源按15 min 配置，當市電電源出現故障時，運維人員要在15 min 內快速完成電源和負載的投切工作且不能出錯，還需要對系統是否存在故障進行判斷，這對運維人員要求極高。因此，需要一套智能投切系統來完成復雜的備用電源和負載投切[5]。

傳統實現數據中心智能投切功能是用PLC 或獨立的投切裝置，對裝置的硬件配置要求較高，還需要配合大量的繼電器和二次接線來實現，十分繁雜。本文以實際工程項目介紹一種基于IEC 61850 的數據中心智能控制系統的設計與應用方式，可以極大地降低設計、施工、調試和維護成本，并提高智能投切的可靠性。

1 智能控制系統原理

智能控制系統的實現主要有3種方式。

（1）基于PLC的控制系統

傳統的PLC 技術被廣泛應用于工業控制領域，其優勢是邏輯可編程,是針對工業環境設計的電子裝置[6]。但是，使用PLC 實現數據中心電源切換，需要有源電壓電流變送器、開出繼電器等大量額外附件，導致整個系統環節繁雜，影響系統的可靠性和可用性。更為重要的是，PLC 專為工業控制設計，其電磁兼容性能不滿足高壓電網的基本要求（PLC電磁兼容按工廠配電環境考慮(B級，380 V)），而與公用電網相連的數據中心高壓系統屬于C級，參見《IEC 61131-2可編程控制的設備要求和測試》，并且《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施》要求保護裝置由屏外引入的開入回路應采用±220 V/110 V直流電源。光耦開入的動作電壓應控制在額定直流電源電壓的55%～70%。所以基于PLC 的智能控制系統并不能滿足數據中心要求。

（2）基于獨立控制裝置的控制系統

采用獨立的電力專用自動控制裝置來實現智能控制系統功能，可以避免上述PLC 控制系統的問題。但該方案存在弊端，由于智能控制系統邏輯復雜，需要大量的信號傳輸和交換，因此需要大量的二次接線，這不僅使得前期設計工作變得復雜，也增加了施工的工作量，施工周期長，成本高。而且繁雜的二次接線容易出錯，會間接影響項目周期。另外，大量的信號傳輸使得裝置需要配置大量的I/O 來實現，這對硬件配置要求較高，成本也會隨著I/O 數量升高，有時會出現裝置的I/O 數量并不滿足復雜邏輯信號的數量要求。所以采用獨立一體的電力裝置實現控制系統具有接線復雜，設計、實施和維護成本較高的問題。

（3）基于IEC 61850 GOOSE的控制系統

IEC 61850標準是目前通信網絡和系統的趨勢，是國際國內通用的標準[7]，其特點是面向對象技術定義了一個變電站自動化的抽象模型，規定了各個IED（智能設備）之間如何通信。IEC 61850標準體系完善，相對于基于報文結構的傳統規約，應用面向對象技術有明顯的技術特點和優勢。面向對象的建模技術，實現了IED 的互操作性，建立了統一的設備和系統模型[8]，采用XML 配置語言。XML 是一種文本文檔的標記語言，具有可擴展性且可以建立任何需要的標記[9]，設備具有自描述、自診斷和即插即用的特性，大大提高了系統的集成性。IEC 61850是變電站自動化通信標準，標準的本質目標是實現雙方快速準確地理解相互傳達與接收的邏輯信息命令，并正確執行命令，IEC 61850使電力系統形成一個整體結構，其可行性、開放性的特點，不僅節省成本，而且延長了系統的使用壽命[10]。

在數據中心10 kV 系統進出線柜配置施耐德電氣公司Micom P5 系列的保護裝置，采用IEC 61850 的GOOSE協議[11]。GOOSE 是IEC 61850 定義的一種快速報文傳輸機制[12]，面向對象的事件方式傳遞信息，采用RSTP 快速生成協議樹的網絡協議，實現裝置與裝置之間快速、可靠的數據交換。裝置與裝置之間采用網絡方式替代二次控制電纜，GOOSE 報文是一種實時應用，主要傳送間隔閉鎖信號和實時跳閘信號。GOOSE 應用層協議具有檢查重發的功能，能夠有效提高傳輸可靠性，信號的通信延遲小于4 ms[13]。

GOOSE 對于信息傳輸具有實時可靠的優勢，其最大特點是通信連接一經確立，在保證充足寬帶情況下，可隨意添加通信連接，具有較強的擴展性。利用GOOSE通信可減少電纜連接，節約資源成本，還能有效解決二次回路錯誤接觸問題，保證二次回路的完好性。采用GOOSE 后，二次電纜的設計和連接工作變成了GOOSE通信組態和GOOSE 配置文件下載的工作。對于每一臺裝置而言，其GOOSE 輸入輸出與傳統端子排仍然存在對應關系[14]。二次設備廠家可以根據傳統設計規范設計并提供出其裝置的GOOSE 輸入輸出端子定義；屏柜內接線大量減少，屏柜間實際接線工作也大量減少，其他工作是類似的。調試工作也將變得快速簡單，這些將有利于提高建設調試速度。

作為提高可靠性的措施，保護GOOSE 需要檢查到背板有效的起動信號，才會發送跳閘類型信號，否則跳閘信號始終為‘0’不啟動。保護GOOSE 板接收除多播地址匹配外，還要嚴格檢查AppID、REF、DATASET，在雙網的情況下，GOOSE 板根據報文中的ST、SQ 值來判斷是新報文還是冗余報文，分別進行處理，如果超過設定的間隔而沒有收到設定的GOOSE 輸入，將報GOOSE斷鏈報警，提醒用戶檢查鏈路[15]。

綜上，淋水降溫依然未能根本解決高負載比鉆機車連續長下坡制動問題，必須研究其他形式的速度控制方法，筆者分析了采用緩速裝置來控制鉆機車車速的方法。

為提高系統的可靠性，保護裝置的通信網絡一般設為雙環冗余模式。冗余環系統可以實現在嚴酷的環境下系統網絡遇到故障時，在較短時間內恢復通信，并返回用戶故障信息，有效保護關鍵數據，減少網絡中斷造成的損失，提高系統網絡的穩定性[16]。因此在突發狀態下，巨量網絡報文應能及時發送到合適的裝置。因此，使用基于RSTP 協議的保護裝置具有快速網絡風暴的檢測功能[17]，快速網絡報文的處理功能，在網絡風暴的情況下可以保證保護裝置不丟失正常網絡的報文，保護功能性能不受影響。RSTP 是在STP（Spanning Tree Protocol）基礎上發展起來的環網協議[18]，RSTP 為快速生成樹協議，網絡中各交換設備通過RSTP 算法來定義各端口狀態（轉發或不轉發），最后構成樹狀通信網絡結構。當某兩個交換設備之間鏈路出現問題，可以再通過RSTP 算法找到其他鏈路來生成新的樹，達到網絡冗余。智能控制系統拓撲示意圖如圖1所示。

圖1 智能控制系統拓撲示意

2 智能控制系統設計組成

該數據中心由兩級供電系統構成，一級供電系統由兩路10 kV 外部市電進線和數據中心柴油發電機進線組成，二級供電系統由上一級電源出線作電源進線，并和母聯柜及負載出線柜組成二級供電系統。

數據中心電氣接線如圖2 所示。安裝在各個高壓柜的微機繼電保護裝置A1～A4、B1～B3、C1～C6、D1～D6、E1～E2 通過網線組成RSTP 冗余網絡，它們通過IEC 61850 GOOSE通信協議相互傳遞信號。

圖2 數據中心電氣接線

（1）安裝于1、2號市電進線柜和1、2號油機進線柜的A1～A2、A3～A4 分別組成ATS 系統，通過其內部的ATS 控制邏輯，當市電停電時，自動切換至柴油發電機供電，保障供電可靠性。

（2）安裝于1號電源進線、母聯柜和2號電源進線柜的B1～B3 微機繼電保護裝置組成母聯備自投系統，通過其內部的母聯備自投邏輯，當1號電源進線或2號電源進線停電時，自動斷開其開關，并自動合上母聯柜，保證停電母線繼續供電，進一步提高供電可靠性。

（3）安裝于負載出線柜的C1～C6、D1～D6 微機繼電保護裝置分別組成了負載智能投切系統。當市電切換至油機供電時，由于油機的容量有限且變壓器負載較多，為避免切換至油機供電時變壓器的勵磁涌流對發電機產生沖擊電流，導致發電機拖垮，

變壓器需要逐級投切[19]，當1、2號市電進線停電啟動ATS系統時，負載智能投切系統將逐個負載出線柜切除；當ATS完成切換至油機供電時，負載智能投切系統將負載出線逐個投入恢復供電。同理，當1、2號電源進線停電啟動母聯備自投系統時，負載智能投切系統將自動逐級切除和投入負載。負載的投入順序可以根據負載的重要性進行調整。

3 智能控制系統邏輯

總體要求：數據中心10 kV 系統采用單母分段的接線方式，每段安裝一套中壓ATS 柜，采用N+1 的供電方式。每段母線安裝兩回進線其中一回市電進線、一回油機進線，正常運行由各自市電帶本段母線負載，市電與聯絡之間采用備自投自投不自復的模式。優先采用市電供電，當兩回進線全部失電后，ATS 系統啟動柴油發電機供電。油機不能承受在同一時間多臺變壓器啟動，還需在油機供電后實現變壓器的逐級投切功能。

正常運行狀態：兩路市電進線斷路器合、母聯分位；油機并機柜上各發電機斷路器打開；油機并機柜上發電機出線斷路器打開；10 kV Ⅰ段和10 kV Ⅱ段上油機進線斷路器打開；負荷由市電電網供電。

以市電一失電為例，分析備自投邏輯。初始運行狀態：市電進線1 開關和市電進線2 開關合位，母聯分位，油機進線1和油機進線2分位且在工作位置，系統為自動狀態。若市電進線1失電（10 kV Ⅰ段母線無壓、市電進線1無流）、市電進線1開關合位，判定市電電源1異常，自動跳開市電進線1 開關。確認上述操作跳開的各開關均已分開后，合上母聯開關，原來由市電電源1 供電的負荷轉由市電電源2 供電。上述邏輯的閉鎖條件：PT 斷線告警（VTFF）；手動跳開市電1進線開關；市電1進線開關無電流保護動作。市電二失電的備自投邏輯同理。

雙市電電源失電情況下的智能投切邏輯。系統處于自動狀態。市電1 和市電2 均異常時（市電1失電、市電2 失電），經油機啟動延時，智能投切系統跳開10 kV 母線段所有進出線、母聯開關，ATS 系統發油機啟動信號至發電機控制系統并保持，同時啟動發電機最大正常啟動時間計時器。發電機控制系統分別啟動油機，并控制最先達到電壓和頻率條件的發電機的斷路器合閘到發電機母線，此后發電機控制系統將控制其他各臺發電機經過同期檢查逐一并列到發電機母線。發電機并機完成后，發電機控制系統控制合上油機出線斷路器1 和油機出線斷路器2。判定油機電源正常后（油機電源1、2 電壓正常），經過油機電源穩定延時，市電電源仍異常，則開始由市電電源向油機電源切換過程。ATS 系統合油機進線開關，確認開關合閘后，此時閉鎖失電備自投。完成市電全失后發電機啟動供電過程。

智能投切系統投切邏輯控制。檢測到油機進線有壓且合閘后，由智能投切系統按照負荷出線重要性等級，由重要性最高向重要性最低順序逐次合上數據中心10 kV 母線Ⅰ段和Ⅱ段各出線開關。各負荷出線斷路器有保護動作/試驗位置/就地控制信號送到智能投切系統ATS，說明該路出線有故障或退出運行等狀況，智能投切系統執行會跳過分合該斷路器的步驟。

4 智能控制系統優勢

本文提出利用10 kV 高壓柜上的微機繼電保護裝置，通過IEC 61850 GOOSE 協議來實現數據中心的智能控制系統。相比于傳統方式，該方式具有以下優勢。

（1）設計簡單

前期圖紙設計時不需要設計復雜的信號，減少設計工作量，加快設計出圖速度，加快項目進度。

（2）施工簡單

由于信號傳遞通過IEC 61850 實現，只需一根網線，無需大量的二次線，節省了大量的施工量，縮短了施工周期，節約施工成本。

（3）可靠性提高

采用IEC 61850 標準的數字化變電站系統設計，將二次硬接線改為數字化裝置之間基于高速以太網的數據交換，從而避免共模和差模干擾，減少接線錯誤，提高系統的運行可靠性[20]。

（4）節約硬件成本

利用微機繼電保護裝置實現，無需配置專用的控制裝置和組屏安裝，節約大量的硬件成本。

（5）靈活擴容

當系統需要調整控制邏輯時，無需更改二次接線，只需調整GOOSE 信號即可，不僅節省了施工成本，而且對不能隨意停電的數據中心作用很大。

（6）主動報警

傳統的二次接線如果出現松動，系統無法察覺，會導致智能控制系統需要切換的關鍵時刻無法實現，對供電可靠性造成威脅。使用IEC 61850 GOOSE 實現時，當GOOSE 信號傳遞出現異常時，會主動報GOOSE 錯誤，提醒運維人員及時排查故障，保證智能控制系統的可靠性。

5 結束語

該數據中心已經投入使用，其10 kV 供電系統經過調試運行良好，市電母聯備自投、市電-油機備自投、變壓器冷熱備自投等功能準確無誤，智能投切系統逐級減載加載順序正確，各方面都達到或超出了用戶的預期，成為數字化供配電系統應用的典型案例工程。該系統的建立，不僅可以提高工程效率，減少浪費，賦能運維，還能讓專業化的協作全生命周期保持一致，并且具有顯著的經濟價值，具有縮短交付周期、降低成本及提升運維效率的優勢。本文總結的基于IEC 61850 的數據中心智能投切系統設計可廣泛推廣于重要終端用戶的供用電系統新建、改造項目，為國家綠色電網發展貢獻積極的力量。