数据中心10kV供电自动投切控制系统

刘 赞，孟祥宇，贾恩明，周春旭，崔慧东

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

数据中心10kV供电自动投切控制系统

刘 赞，孟祥宇，贾恩明，周春旭，崔慧东

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

随着信息技术的迅速发展和互联网+时代的到来，社会各界对信息系统的应用越来越广泛，信息和数据量呈几何级增长，由此对数据中心的需求日益增加。因为大型数据中心在这些行业中承载着企业的核心业务，其供电系统的规模越来越大，结构也越来越复杂，性能要求越来越高，自动投切控制系统的起到了举足轻重的作用。控制系统针对数据中心供电系统满足Uptime Tier4标准下进行研究，采用PLC冗余配置的方法搭建系统，同时搭配触摸屏，实现本地的在线可视化监控。可以保证数据中心供电系统满足容错要求和实现安全可靠的不间断供电功能。

数据中心；供电系统；PLC冗余；自动控制

0 引言

信息技术、网络技术的迅速发展，使得建立能够存储核心数据信息的大型数据中心成为许多企业的迫切需求，例如银行、保险、网络公司等等。大型数据中心对供电系统的要求比一般的建筑设施要高，Uptime Tier4标准要求供电系统不应因操作失误、设备故障、外电源中断、维护和检修而导致电子信息系统中断运行。该标准要求供电系统采用两路来自不同供电站的市电同时供电、N+1后备柴油发电机和两套独立的后备UPS系统的配置[1,2]。

大型数据中心的数据实时在存储，一旦出现掉电的情况，企业将会遭受巨大的损失。为此数据中心的供电系统在10kV中压侧需要有自动投切控制系统保障，在低压侧有备用电源及UPS系统等，从每个环节保证供电的安全可靠性。如何设计好10kV侧的自动投切控制系统成为数据中心供电系统的重要部分。

1 数据中心供电系统概述

1.1 数据中心简介

数据中心是提供海量数据存储、交换和处理的平台，它基于高速网络的接入。数据中心不同于计算机房，它对环境的要求是非常严格的，例如温度、湿度、噪声、照明、磁场干扰等。

数据中心通常是指在一个物理空间内实现对数据信息的集中处理、存储、传输、交换、管理，而计算机、服务器、网络、通信、存储设备等通常认为是数据中心的关键设备。数据中心的基础设施是指为确保数据中心的关键设备和装置能安全、稳定和可靠运行而设计配置的基础工程，也称为机房工程。因为数据中心的特殊性和重要性，为了保障其运行的可靠性与稳定性，数据中心的供电系统就显得尤为重要[3]。

数据中心的供电范围包括：IT设备、供电设备（包括发电机、转换开关、变压器、各级配电系统、不间断电源系统等）、制冷系统（包括为适度调节系统、空调系统）、照明系统和辅助设备。进行数据中心的供电系统的规模设计时，需要充分考虑数据中心的可持续发展功能，即能保证五年的扩展能力、改造的经济适用性和改造的技术可行性。

1.2 数据中心供电系统标准

数据中心要保证连续运行需要满足两个基本条件，即不间断供电和连续制冷。Uptime Tier4标准要求涉及到任何供电系统有计划的活动安排，都要保证数据中心中关键负载无中断运行。关键负载是指构成IT业务架构的所有IT硬件组件，同时还包括相应的安全系统、消防系统和监控系统。有计划的活动安排包括供电系统日常维护修理、更换零部件、增加新设备或者调整部件容量、进行部件和系统的测试工作等。供电系统在结构上要求同时存在两段母线在线运行。所有关键负载的最大负荷总和不应超过每段母线最大输出容量的90%。Uptime Tier4标准要求全部IT设备硬件有具备故障容错功能的双电源输入。数据中心供电系统具备严格的故障容错能力，可以保证数据中心维持计划外的故障或运行错误时，不会出现机房运行过程中中断事故。

数据中心供电系统在配置两路10kV市电的同时，还配备有柴油发电机组，且其配电线路同样也是冗余的。在主供电电网故障是，柴油发电机组有10～15S的启动时间，活动断路器也有百毫秒级的转换时间，但在后级UPS的支撑下，并不会对关键负载设备产生影响。

1.3 供电系统的现状及局限性

目前，数据中心供电系统的供电方案主要针对于低压UPS部分。现有的数据中心大多采用交流UPS技术构建电源系统，它能提供不间断的、频率和幅值误差可控的电力。但是，交流UPS技术在供电效率、可靠性、维护和扩展能力方面存在着许多问题。为了解决交流UPS技术存在的缺陷，数据中心采用了HVDC（High-voltage direct current,高压直流输电）供电技术取代了交流UPS技术（此处的高压相对于传统的48V直流供电技术而言，国内有240V、336V两种规格）。HVDC采用高压直流的供电方式，消除了UPS中的逆变环节，简化了UPS系统结构的同时提高了电能利用率，可以显著的降低用户投入成本。

目前，国内的数据中心管理者普遍认为只要供电系统中配置了UPS设备，就能保证供电系统不间断的供电，实际上情况却并非如此。UPS依靠电池储能并向IT设备等负载维持不间断供电，但是UPS的电池容量是有限的，而且，其电池容量在系统投入运行后不允许再扩容。对于现代高功率密度的数据中心，UPS的电池容量只能支持市电断电后关键IT设备短时间内继续正常运行，数据中心的制冷系统在市电停电后随之停止工作，如果仅仅依靠机房空间内存留的冷量，也只能维持IT设备继续在运行1～2分钟，数据中心机房存在温度过热产生的宕机故障。后备柴油发电机组在市电失电后维持高压冷机继续的持续制冷，与此同时，它还给UPS供电系统提供交流能源输入。综上所述，针对要求持续运行的高标准数据中心，UPS并不能从根本上解决数据中心因市电停电而导致的运行中断故障。当市电的故障修复时间比UPS备用电池支撑时间长时，数据中心的IT设备同样宕机。所以对于高标准的数据中心供电系统，在设计其供电系统时，必须考虑在中压侧供电方向增加冗余交流电源输入。

2 系统要求

中国人寿数据中心的供电系统是按照Uptime Tier4标准要求建立的，10kV中压供电由两路分别来自不同配电所。并且每一路10kV供电都能满足对数据中心所有负载的供电要求。正常工作时两路10kV都投入工作，互为备用，每一路均给50%左右的负荷供电。同时供电系统配有发电机供电系统，发电机系统在市电失电时能够满足大部分主要负载的供电。供电结构示意图如图1所示。

在供电系统供电时，有可能会出现多种故障情况导致数据中心掉电，如何在情况发生时，保证数据中心供电系统的不间断供电是控制系统的核心问题。

例如：

1）两路市电供电，其中一路失电的情况；

2）两路市电都失电的情况；

3）一路进线失电，而另一路母线故障的情况；

4）市电恢复供电时；

5）正常运行时，母线故障情况；.

6）柴油发电机运行情况下，柴油机发生故障情况。

当然，还会有其他的情况出现，如果出现上述情况，单纯依靠人工操作会延误时间，不满足连续供电的要求。因此需要一套运行稳定可靠的自动化控制系统，能够在各种情况发生时，自动进行供电系统的调整。并且能够给操作人员以及上位集成平台信息反馈。

图1 供电结构示意图

3 10kV自动投切控制系统设计

10kV自动投切控制系统需要能够保证自身持续稳定工作的能力，安全可靠的保障供电系统的连续供电要求。如果当控制系统自身出现故障时，该系统应该满足在线的硬件设施更换，不能因为控制系统自身发生故障而导致供电系统出现问题。为了能够使控制系统能够实现在线更换模块，10kV自动投切控制系统采用冗余的结构配置PLC。本项目中选择了西门子CPU412-5H系列PLC作为系统的核心控制器，并采用从电源、CPU到I/O模块均冗余的形式。

3.1 西门子PLC412-5H

西门子S7-400H系列即表示冗余自动化系统，通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法，H（高可靠性）系统可以实现系统的不中断工作，H系统冗余了PLC的工作部件，实现了系统的高可靠性。冗余自动化系统可用来降低生产损失风险，与该损失是由系统出错或者是维护系统所导致无关。H系统不会因为其中单个的CPU故障问题导致PLC控制系统的瘫痪。H系统内各冗余部件实现无扰动切换，PLC不会丢失任何信息。排除故障的时间成本越高，越有必要使用冗余系统。通过避免数据中心的运行中断所造成的损失，可以快速收回冗余系统所占用的较高的投资成本。西门子S7-400H冗余自动化系统适用于无需维护人员人为监视或执行操作的工作场合。

冗余自动化系统广泛应用在有冗余设计的容错自动化系统中，在容错技术下用于需要高可靠性的场合，如再启动或停机将会造成较大损失的生产领域、需要少量管理和维护的工厂等。

冗余自动化系统可以实现如下功能：

1）使系统具有冗余的中央功能。

2）加强I/O 的可用性：可自动切换I/O 的配置。

3）热备功能：在故障事件发生时自动地切换到备用单元。

4）采用2个单独的或1个分隔的中央机架配置，使连接到冗余PROFIBUS-DP 上的可切换I/O实现在线更换维修。

因此选择西门子S400系列的PLC，412-5H能够满足本控制系统的要求。

3.2 冗余配置

S7-400H系统冗余原理是两个CPU同时工作，CPU之间切换不需要时间。I/O为2oo2（2 out of 2）主动冗余，同时工作。

1）CPU冗余

10kV自动投切控制系统是数据中心高压侧供电连续可靠的保证，为了更好的提高其可靠性，在系统中使用CPU冗余的方式。两台CPU412-5H之间通过光纤连接，实现工作的同步，如图2所示。当一台CPU出现问题时，另外一台CPU会自动投入使用。可以在系统运行时，更换其中的一台CPU，不会影响系统运行。

图2 CPU冗余结构图

2）I/O冗余

系统采集现场进线、母联、馈出、发电机等状态信息进入PLC，同时PLC根据情况判断进行输出控制相关断路器的动作。为了保证系统的可靠性采用I/O冗余的方式。I/O冗余一般有点冗余和模块冗余，点冗余是在同一个模块上两个点是冗余的。当两个单独的模块以冗余对的方式被组态使用时，采用的是冗余I/O方式。这种方式可以使PLC控制系统达到最高的可靠性，因为单个CPU和单个信号模块发生故障对于控制系统正常工作均无影响。冗余I/O是通过使用功能块库“function I/O redundancy”来执行的。这些功能块只能在S7-400H系统中使用。

本系统是采用相邻两个模块冗余。数字量输入通过西门的MTA DI模块，把一个数字量输入点转换为2点并进入相邻两个模块的输入点。同样的，PLC输出点在相邻两个模块同时输出，通过MTA DO模块转换为一个输出控制量控制现场设备。通过MTA AI模块进行模拟量输入的冗余。输入输出量进行I/O模块冗余后可以实现在线的更换I/O模块而不影响系统的正常运行，保证系统的连续工作，进而保证供电系统的连续可靠运行。

3）电源冗余

I/O信号采集的供电采用冗余的方式，两路供电通过西门子24V电源模块转换为24V，通过冗余模块后给I/O供电，当其中任何一路电源失电或者其中任何一个电源故障时都不会影响24V电源供电，供电电路如图3所示。

3.3 触摸屏设计

图3 冗余电源电路图

系统中触摸屏作为人机交换的介质，取代了按钮、指示灯的传统操作方式。操作人员可以直接在触摸屏上进行操作，简单方便。选用西门子HMI设备MP377 15''Touch触摸屏，与PLC品牌一致。触摸屏上可以开发友好的人机界面，本地在线展示断路器工作状态、进线、窥出等电压、电流，并且可以根据情况选择PLC的工作模式，更改程序延时时间参数。

4 程序设计与实现

4.1 PLC程序开发

中压PLC控制系统实现中压自动投切的功能，主要是在硬件架构形成的基础上依靠PLC的运行程序来实现各种故障情况下的控制功能。按照要求有以下八种控制要求。

1）#1进线失电情况；

设计流程图如图4所示。

2）#2进线失电情况；

3）两路进线失电情况；

4）#1进线失电，2段母线故障情况；

5）#2进线失电，1段母线故障情况；

6）恢复市电供电；

7）正常运行情况下，母线故障情况；

8）柴油发电机运行情况下，柴油机发生故障情况。

根据第一种情况的程序流程图，其他七种情况都可以用PLC的软件程序来实现。通过软件程序实现，可以考虑多种情况，不影响整体方案的改动。功能中的延时时间T11,T13,T14,T15,T16都可以在触摸屏上设置。

在PLC控制机柜上设有选择开关，设为自投自复、自投手复、解除。当两路市电供电，而其中一路失电情况下：

图4 设计流程图

如果选择为自投自复，那么PLC自动投切控制系统会自动检测到一路失电，而自动断开失电母排的出现断路器，自动合上母联，再自动合上负荷断路器；当失电恢复正常时，备自投PLC控制系统会自动切除母联，恢复两路市电供电的状态。

如果选择自投手复，那么PLC自动投切控制系统会自动检测到一路失电，而自动断开失电母排的出现断路器，自动合上母联，再自动合上负荷断路器；当失电恢复正常时，PLC自动投切控制系统不会自动恢复原来线路供电，而是要靠人为手动恢复失电线路的供电。

解除功能，选择解除功能，PLC自动投切控制系统功能将被屏蔽。

4.2 触摸屏程序

系统中触摸屏取代了按钮、指示灯的传统操作方式。触摸屏上可以本地在线展示断路器分合闸状态、故障报警，进线、窥出等电压、电流，母线工作状态。并且可以根据情况选择PLC的工作模式，更改程序延时时间参数。触摸屏界面如图5所示。

图5 触摸屏界面示意图

5 结束语

10kV自动投切控制系统采用西门子可编程控制器412-5H为核心控制器，CPU与I/O双冗余的方式，可靠的实现了数据中心供电系统功能需求。通过实际调试，人为模拟各种用电情况，系统能够自动进行供电模式的切换。通过现场触摸屏的操作，可以清晰的展示中压供电系统进线、发电机、母线、各路馈出的工作状态。通过调整系统切换时各路馈出投切的延时时间，可以达到优化供电的目的。系统可以通过Modbus方式与上位机系统进行数据交换。整个系统满足了数据中心中压供电侧连续供电的需求，对数据中心供电系统发展起到了积极的作用。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》[S].北京:中国计划出版社.

[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] 张广明,陈冰,张彦和.数据中心基础设施设计与建设[M].电子工业出版社,2012.06.

[4] 陈茂英.备用电源自动投入装置的应用[J].广东电力,2007,20(12):55-59.

[5] 张广明,陈冀生.现代数据中心对供电系统的要求和存在的问题[J].智能建筑与城市信息,2013(6).

[6] 西门子自动化.S7-400用户手册[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

刘赞（1990 -），男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向为自动控制与检测。