10 kV配电系统自动运行控制在数据中心的应用

陈 硕，魏 华，杨 青

（北京电信规划设计院有限公司，北京100048）

随着网络和信息技术的快速发展，人们对“大数据”业务需求不断增长，为了满足日益增长的应用需求，数据中心的建设规模也在向超大型、园区级数据中心方向发展。通信、金融、商业等行业，面对未来数据业务的爆发式增长需求，都在积极做出调整，提前布局，为在未来的竞争中取得先机，在发展的浪潮中处于领先地位，园区级数据中心的建设在很多领域相继展开。

园区级数据中心，动辄承载几十万千瓦IT负荷，注定拥有规模庞大的电力基础设施，而供电的连续性和可靠性，又是数据中心核心品质的基本保障，面对庞大的园区规模，如何在保证安全连续供电的前提下，提高电源系统自动化运行程度，降低维护管理成本，将是每一位数据中心建设者及管理者迫切面临的问题。

本文以某数据中心10 kV配电系统设计方案为例，介绍工程中10 kV配电系统的构成及运行方式，分析其自投控制原理及实现方式，希望可以从工程设计的角度提高数据中心10 kV配电系统的自动化程度。

1 数据中心10 kV配电系统

（1）配电系统构成

某数据中心概况如下：机房楼IT及空调、建筑等负荷合计约9 800 kVA，遵照国标 GB50174《电子信息系统机房设计规范》A级标准建设，交流变配电系统按2N方式配置，配置10 kV配电系统1套，低压变配电系统4套（每套包含2 500 kVA变压器2套，低压配电设备1套）。电源系统框架如图1所示。

（2）系统运行要求

10 kV配电系统采用单母线分段带联络方式运行，配置10 kV柴油发电机组作为后备电源，与市电电源在10 kV侧进行切换。正常运行时，母联开关断开，两路市电电源分别供电于两段高压母线，8台2 500 kVA变压器分别接入两段高压母线；当1路市电发生故障，闭合联络开关，由另外1路电源供电于整个模组。当两路10 kV市电电源均发生故障，由备用柴油发电机组为两段高压母线供电。10 kV电源优先级依次为10 kV高压双电源、10 kV高压单电源、高压发电机组。

电源投切具备自动运行方式，也可手动进行操作。市电进线与母联开关之间，市电进线与油机进线开关之间，分别设置运行方式选择装置，方便选择。

自动运行状态下高压系统的开关状态如表1所示。

表1 高压系统开关状态表

2 配电系统自动控制

2．1 自动控制应用技术

图1 数据中心交流变配电一次系统图

为实现配电系统自动投切控制，传统方式采用各种继电器、接触器、开关触点，根据不同的运行方式构成相应的电源自动投切二次回路，其特点是二次回路设计复杂，元器件使用种类多且用量大，可靠性低。随着电力系统的规模越来越大，结构越来越复杂，特别是数据中心对电源连续供电的高品质要求，传统的电源自动控制装置已经很难满足使用需求。

可编程序控制器（PLC）是近几十年发展起来的一种新型工业控制器，由于它编程灵活，功能齐全，相比传统继电器系统具有控制简单、抗干扰力强、工作寿命长、可靠性高、免维护等特点。使用PLC内部的软继电器简化继电器电路的复杂中间环节，实现软接线逻辑构成系统，方便集中控制。此外，PLC还具有自诊断、故障报警、故障报警种类显示及网络通讯功能，便于操作和维修人员检查。

目前，配电系统自动运行控制优选通过可编程控制器实现，为了实现复杂的自动运行方式，本工程采用可编程控制器代替传统的继电器二次系统，实现自动控制功能。

2．2 基于可编程控制器的自控系统

构建基于PLC的控制系统，以PLC作为整个系统的控制中枢，根据预设的逻辑关系对PLC进行编程，使其内部虚拟继电器连接构成预定逻辑关系电路。通过采集外部（综合继电保护装置、断路器、PT、CT、手车等）大量的模拟量及开关量信息，经逻辑电路进行判断，满足条件后发出动作指令。

为防止误动作造成两路电源并网，必须满足电气闭锁关系。通过将发出的分、合闸控制信号接入断路器二次控制回路，即便误发动作信号，由于二次回路其它闭锁条件（电气连接硬接点）不成立，可以有效避免误动作发生，保障系统安全运行。

2．3 信号的采集

配电系统自动运行控制一般采用中小型可编程控制器，装置采用模块化配置。一般装置本体配置有数十个IO／IB端口，通过扩展模块可以提供更多IO／IB端口，经编程定义端口内容，采集信息详见图2。

图2 高压配电系统采集信息

2．4 自动控制逻辑原理

为满足10 kV配电系统自投、自复的使用功能，自动控制逻辑原理（如图3）主要从3方面考虑。

（1）市电供电时，两路市电进线与母联开关（201、202、245）之间的自投、自复，详见表2。

表2 市电及母联开关自投、自复逻辑原理

图3 市电及母联开关自投、自复逻辑原理图

（2）市电停电时，备用柴油发电机组自启动，备用发电机进线开关（211、212）自投如图4，详见表3。

表3 备用电源自启及开关自投逻辑原理

图4 备用电源自启及开关自投逻辑原理图

（3）市电恢复时，备用发电机进线开关（211、212）分闸，市电进线开关（201、202）自复如图5，详见表4。

表4 备用电源开关自复及市电开关自投逻辑原理

图5 备用电源开关自复及市电开关自投逻辑原理图

3 改进与应用

通过上述逻辑判断，已基本实现数据中心10 kV配电系统的自控要求，但仍需不断的调试与改进，一方面，进一步增强系统的可靠性，避免误动发生。另一方面结合用户使用习惯及现场应用条件，做出调整。

（1）为保障柴发电源的有效性，增加变压器出线分路自动分、合闸功能

市电正常供电时，配电系统两段母线同时为负荷供电。当两路市电均停电，系统转由备用柴油发电机组供电。应避免备用柴油发电机并机系统因单步加载负荷容量过大，造成备用电源失效或并机解列，无法满足预期带载要求，给用户造成重大损失。这个问题对10 kV配电系统的自动控制提出了进一步要求，在配电系统自动运行状态下，当市电失电转由备用柴油发电机供电时，变压器出线柜逐台自动合闸（合闸时间可调）恢复供电，以降低单步加载对柴油发电机并机系统的影响如图6。逻辑关系详见表5。

表5 变压器出线柜自动分、合闸逻辑原理

（2）为增加供电系统可靠性，考虑可编程控制器（PLC）冗余配置

可编程控制器是整套自动控制系统中枢核心，信号及动作指令均由其判断并出发，需由专业的技术人员进行编程与调试。为增加供电系统可靠性，减短故障排查时间，尽快恢复配电系统自动控制，采用可编程控制器冗余配置是避免配电系统单点故障的有效方法。

图6 两路市电停电备用发电机组供电，变压器出线柜自动分、合闸逻辑原理图

（3）为增加供电系统运行灵活性，考虑采用多套应用逻辑控制程序

自数据中心投产初期至终期负荷满载运行的过程中，用电负荷随着IT设备的增加不断增长，可以根据供电系统负载率变化情况，分期（初、终期）设置配电系统的运行方式。对于采用传统继电器搭接而成的二次回路，分期设置运行方式将会使二次电路变得更为复杂，而使用可编程控制器，通过选择预制的逻辑控制程序，实现运行方式的转换，增加了使用与维护的灵活性。

采用分期设置配电系统运行方式时，在负荷初期，两路市电容量可以满足冗余供电要求，当1路市电电源失电，优先选用另1路电源作为后备电源；在负荷终期（负载容量超过单路市电供电容量），超出部分可转由备用发电机组供电，直至两路市电均恢复正常供电；在两路市电均正常供电的情况下，则可以进一步提高市电电源利用率。

（4）有效利用采集信息，构建高效维护管理平台

为了满足逻辑判断需要，使用可编程控制器构建的配电系统自动控制系统采集了大量模拟量、开关量信息，如电压、电流、综合继电保护装置、断路器状态、手车状态等。这些信息除了作为逻辑判断的依据，还可进一步加以利用，简化电力监控系统现场数据采集量，降低监控系统建设成本，减少重复的采集设备，简化监控系统，构建高效的监控平台系统。

4 结束语

数据中心的建设与发展使得进一步提高配电系统自动化运行能力成为发展趋势，低压配电系统自动运行的应用已较为普遍。而对于10 kV系统的自动运行，由于各地供电局对于只能采用电气闭锁的方式认可程度不一（担心电气闭锁失效，向电网反送电，因此只批准手动运行方式），这在一定程度上影响了10 kV系统自动运行的广泛应用。然而，配电自动控制系统的不断完善与进步，10 kV系统自动运行将在提高供电可靠性、提升维护管理水平方面发挥更大作用。

［1］ 中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手册（第三版）［M］．北京：中国电力出版社，2005．

［2］ 钟景华，朱利伟，曹 播，丁麟钢．新一代绿色数据中心的规划与设计［M］．北京：电子工业出版社，2010．