数据中心三路市电供电的实践与研究

娄洁良，周 坚

（中国电信股份有限公司 上海分公司，上海 200120）

0 引 言

高等级数据中心的负载一般要求提供两路互为冗余的市电加自备油机电源予以保障，由此数据中心一般都会引入两路市电，当两路市电均正常时，每路市电各承担部分负载，当一路市电故障时，由另一路市电承担全部负荷，当两路市电全部故障时则由油机进行供电。因此，两路市电中单路的平均负载率必须控制在50%以下。

某数据中心引入3路市电，通过一定的策略使3路市电和自备油机电源相互配合，为负载提供两路市电加油机电的保障。运行模式为当3路市电正常时，每路市电各承担数据中心的1/3负载；当一路市电故障时，另两路市电分担全部负载；当两路市电故障时，由剩余一路市电和自备油机分担全部负载；3路市电全部故障时，再由油机对全部负载进行供电。由此，每路市电的经常性负载率理论上可以提升至67%，3个主变压器也因此运行在其高效区内。该供电模式在不降低负载供电保障等级的前提下提升了市电资源利用率和变压器的运行能效，给数据中心的运营带来了极大的益处[1]。

本文阐述了该数据中心3路市电变配电系统的设计策略、运行策略以及自动控制策略，并对这3个方面所涉及的关键技术进行研究。

1 变配电供电系统设计策略

某数据中心按国标A级标准进行设计，全机楼规划负载接近40 000 kV·A，机楼内绝大部分负载都要求两路市电加油机电源保障。经与供电部门充分沟通后，从前级不同的35 kV开关站引入3路独立的市电电源，每路容量为20 000 kV·A。数据中心内设置20 000 kV·A的35 kV/10 kV主变压器3台,主用功率2 000 kW的10 kV柴油发电机20台，油机与市电间的切换在35 kV变电站内10 kV侧进行。35 kV变电站内的供电系统如图1所示。

图1 35 kV变电站供电系统图

为实现对数据中心负载提供两路市电加油机电源的高等级供电保障，在35 kV/10 kV的供电方案设计中采取了如下策略：

（1）每台主变压器下挂两段独立母线，不同主变压器下相邻两段母线之间设联络开关，通过联络开关可将3台主变压器下的6段母线环形相连。平时联络开关分闸运行，当某一段母线失电时，其下挂负载可通过联络开关的闭合由其他母线进行供电。

（2）每段母线引入油机电源。20油机分成了A、B两组，每10台油机为一组并机运行。油机群A供母线1、母线3和母线5，油机群B供母线2、母线4和母线6，即每个油机群承载3段母线的下接负载。

（3）数据中心内的所有负载分成功率相近的3组，每组负载由两台主变压器下相邻的可联络的两段母线上各取一路电源进行供电。为使供电系统更具灵活性，这两路电源在机楼后级的配电系统中也设置了切换装置，通过切换装置可选择任一路电源进行供电，切换装置的动作延时时间设定为35 kV变电站内对应的联络开关合闸耗时再加5 s。

（4）油机启停的控制策略为：单路市电故障时油机不启动，当任意两路或三路市电都出现故障时，油机群A和油机群B同时启动。当有两路或三路市电恢复正常后，油机群A和油机群B同时停机。

（5）为防止操作失误导致同一段母线下出现多个电源并列运行，同段母排下的市电受电开关和油机开关间设置电气联锁，确保两个开关不能同时合闸；油机开关和该段母排的联络开关间设置电气联锁，确保两个开关不能同时合闸；两台主变压器下相邻两段母线的市电受电开关与该两段母线之间的联络开关进行电气联锁，确保3个开关只能同时合闸两个[2]。

从35 kV变电站供电系统的设计策略中可以看出其中的关键技术点：

（1）为充分利用市电资源，引入的三路市电的容量宜相等。数据中心的负载最大可以达到引入市电（主变压器）总容量的2/3，市电容量上实现用二备一的运行模式。

（2）将数据中心总负载分成功率相近的3组后，每组负载由两段母线冗余供电，日常应均衡运行在这两段母线下，即每段母线承载总负载的1/6，单台主变压器带载其额定容量的2/3。当一段母线失电需要互为冗余的另一段母线进行供电时，联络开关合闸，数据中心的一组负载将由那一段母线全部带载，此时对应的主变压器将满载。

（3）负载的两路市电保障，可以在35 kV变电站内10 kV侧通过母线联络实现，也可以在后级的供电系统中切换。当供电系统中设置了多处切换功能时，应确定切换优先级，防止多级电源切换装置的频繁动作影响负载的正常运行。

（4）自备发电机的容量应能满足三路市电全部故障时的最不利场景。油机群进行分组供电是为了减少油机的并机数量，提供安全性，与市电引入两路或三路无关。

（5）为杜绝同段母线下不同电源的冲突运行，除了制定正确的运行策略外，在相关开关柜之间还必须设置联锁装置。

2 变配电供电系统运行策略

相比较于两路市电加一路油机电源的常规供电系统，三路市电加两个油机电源的供电系统运行模式相对复杂。以三路市电的正常与否作为场景的判断依据，在不同场景下35 kV变电站内各母线段的市电受电开关、油机开关以及母线联络开关的开合闸状态如表1所示。

表1 市电受电开关、油机开关和母线联络开关开合闸状态组合表

表1中各类开关的开合闸状态的确定原则是：

（1）当三路市电正常时，六段母线都由各自对应的市电供电，油机不启动。

（2）当一路市电故障时，其下挂的两段母线由其他两路市电供电，油机不启动。

（3）当两路市电故障时，第三路市电和两个油机群各承载数据中心的一半负载。市电受电开关、油机开关和联络开关状态会出现两种组合，以甲乙市电发生故障为例，丙路市电可以承载母线1、母线5、母线6，也可以承载母线4、母线5、母线6。

（4）当三路市电同时故障时，油机群A、油机群B承载所有负载。

（5）三路市电同时故障时由油机供电给全部负载，当恢复一路市电后，该路市电承载两段母线，其余4段母线由油机群A、油机群B承载。

在运行策略中，除了要做好在各种场景下各个开关的分合闸状态选择外，还需确定在场景切换时，各开关的投切顺序以及负载的延时投切，前者是要避免在切换过程中出现同一母线下多个电源的并列运行现象，后者是因为35 kV变配电系统的后接负载除了10 kV高压冷水机组外，均为10 kV/380 V变压器。为避免多个变压器同时投入时产生的励磁涌流对市电受电开关或油机开关的干扰，以及突加减负载过大对油机的冲击，每段母线下各个负载的馈线开关需要间隔数秒以上延时再动作[3]。

在各种场景转换时，各个开关的分合闸操作顺序应遵循以下规律：

（1）若场景发生转换时原先给母线供电的电源失电，需要转由新的电源进行供电，则应将前一场景中对母线供电的市电受电开关或油机开关或联络开关先分闸，再将全部馈线开关同时分闸，然后合闸新的供电电源开关，最后将馈线开关逐个延时合闸。

（2）若场景发生转换时原先给母线供电的电源仍处于有电状态，但需要对供电电源进行更换，如果原来的供电电源是市电，则将前一场景中对母线供电的市电受电开关或联络开关先分闸，再将全部馈线开关同时分闸。如果原来的供电电源是油机电源，则先将馈线开关逐个延时分闸，再分闸前一场景中对母线供电的油机开关，然后合闸新的供电电源开关，最后将馈线开关逐个延时合闸[4]。

综上所述可以看出，三路市电供电系统的运营策略较为复杂，在梳理其规律后可以总结出其中的关键技术点：

（1）每段母线都可以通过市电受电开关、油机开关以及联络开关进行供电，但各种场景下只能有一个供电电源，所以在每种场景下，这15个开关只能有6个处于合闸位置，而在不同变压器下相邻的两段母线中只能有两个处于合闸位置。

（2）由于相邻的两段母线分别由两组油机群供电，且两组油机群同时启动，因此在油机开关合闸时相邻的母线联络开关必须分闸。

（3）两路市电故障时，15个市电受电开关、油机开关以及联络开关有两种分合闸状态的组合，优先选择哪种组合的原则是从前一场景转换至这一场景时改变开关分合闸状态数量较小的那个组合。

（4）不同的场景转换过程中需考虑各开关的投切顺序以及负载的延时投切。

3 变配电供电系统自控策略

三路市电的正常与否组合构成了供电系统的14种运行场景，每种场景间的切换涉及几十个开关的操作。如果靠维护人员手动操作，不但易发生误判及误操作，而且耗时会很长，难以满足数据中心持续供电供冷的要求，所以该数据中心利用可编程逻辑控制器PLC技术建设了一套自动控制系统，实现在市电工况出现变动的情况下对供电系统进行自动操控，及时进行不同电源间的切换以及负载的投切，保证了数据中心的供电连续性[5]。

3.1 在PLC自控系统的建设中采用的策略

3.1.1 PLC控制装置输入输出信号的选择

PLC控制装置的信号输入用于判断供电电源以及10 kV开关柜、油机群的运行状态。检测供电电源状态的信号包括10 kV市电进线电压和电流、油机进线电压、10 kV母线电压；检测10 kV开关柜及油机群状态的信号包括手车工作位/试验位、开关分闸位/合闸位、接地刀闸位、远方/本地控制位、综保装置保护总信号、油机运行状态。

PLC控制装置的信号输出用于操控10 kV开关柜内开关及油机群的启停。输出控制信号包括开关合闸、开关分闸、油机启动、油机停机。

3.1.2 供电电源正常与否的判断

（1）市电电源失电、有电判据。市电进线同时满足无电压无电流且持续5 s判定为市电电源失电。3个线电压中出现两个及以上无压信号判定为无压，3个相电流中出现两个及以上无流信号判定为无流。市电进线出现有压信号或有流信号即判定为市电电源有电。3个线电压出现两个及以上有压信号且持续5 s判定为有压，3个相电流中出现两个及以上有流信号且持续5 s判定为有流。

（2）油机电源失电、有电判据。油机进线3个线电压中出现两个及以上无压信号且持续5 s判定为油机电源失电，出现两个及以上有压信号且持续5 s判定为油机电源有电。

（3）母线失电、有电判据。母线3个线电压中出现两个及以上无压信号且持续5 s判定为母线失电，出现两个及以上有压信号且持续5 s判定为母线有电。

3.1.3 开关所处分合闸位置的判断

同时采集每个开关的分闸位和合闸位信号，再进行相互校验。

3.1.4 允许开关执行分合闸动作的条件判断

允许开关执行分合闸动作必须同时满足场景判据和闭锁条件，场景判据是指在表1中列出的14种供电场景，各类开关的闭锁条件除了必须处于工作位及远方控制位以外，其他如下文所述。

（1）市电受电开关。合闸：母线联络开关、油机开关、市电受电开关处均处于分位，母线失电。分闸：市电受电开关处于合位。

（2）油机开关。合闸：母线联络开关、油机开关、市电受电开关均处于分位，油机电源有电，市电电源失电，母线失电。分闸：油机开关处于合位。

（3）母线联络开关。合闸：联络的两条母线中有一条母线的油机开关和市电受电开关均处于分位，油机电源和市电电源失电，母线失电，该联络开关处于分位。分闸：该联络开关处于合位。

（4）馈线开关。合闸：馈线开关和接地刀处于分位。分闸：馈线开关处于合位，接地刀处于分位。

3.1.5 油机启停的条件判断

发出油机启动信号的条件为两路及以上的市电失电，发出停机信号的条件为两路及以上的市电有电。

3.1.6 非正常场景下的应对方案

（1）如果系统正处于场景切换过程中，三路市电供电状况又发生了新的变化，自控系统将终止原流程中尚未执行的步骤，跳转重新执行新场景下的流程步骤。

（2）PLC在发出每一步控制信号前，先对发出的前一控制信号对应的开关或油机执行返回状态进行检查，一旦检测到市电受电开关、油机开关、母线联络开关、油机启动任一项控制信号的执行发生故障，系统将发出告警，并终止继续执行后续流程，如检测到馈线开关或油机停机的控制信号发生故障，系统在发出告警后，继续执行后续流程直至结束。

（3）若10 kV开关因综合继电保护装置发出指令而发生保护跳闸动作，则PLC控制装置对开关的分合闸控制信号失效。

3.2 关键技术点

对如此复杂的供电系统进行自动操控，安全可靠是关键。该数据中心利用PLC技术建设自控系统，其关键的技术点如下文 所述。

（1）PLC控制系统的输入采集信号以及输出控制信号，都应通过电气硬接线的方式保证数据传输的实时性和可靠性。

（2）PLC控制系统自身的故障不能影响供电系统的安全运行，主要部件如中央处理单元（CPU）、电源模块等的冗余配置、热备方式运行、自检发现故障时发出告警信号等都是有效手段。

（3）对关系到场景切换的信号采集采取冗余互校机制，避免由于单一检测元件故障或开关机械故障造成误判误动作。为避免前一控制信号未得到正确执行导致后续误动作，在发出每一步控制信号前，先对前一信号的执行结果予以确认。

（4）在允许各类开关分合闸的逻辑判断中设置开关操作的优先级，即当10 kV开关柜处于试验位、本地状态或综合保护继电装置发生动作后，PLC遥控指令信号失效。这些逻辑判据再结合10 kV开关柜内安装的电气联锁装置，可最大程度避免误操作，并为日常维护工作提供方便。

4 结 论

在数据中心引入三路市电的供电模式下，维持对负载提供两路市电加油机电源的保障等级，供电系统的建设方案和运行策略都会相对复杂，但宝贵的市电资源利用率会得到较大幅度的提高，数据中心项目的效益也会因此而提升。