数据中心10 KV 进线电能质量监测系统的应用研究

邵沁源

（淮南联合大学 机电系，安徽 淮南 232001）

数据中心是近年来迅速发展的新兴行业，伴随互联网技术的快速革新，数据中心作为互联网的载体，在生产生活中已然随处可见。数据中心是为满足用户快速接入互联网，或为用户提供安全稳定、优质服务的IT 基础设施［1］。小到手机APP 应用，大到股票、金融行业的稳定运行，都离不开数据中心的保障。数据中心的核心负荷是服务器和网络通信设备，对供电可靠性要求极高，国标中对A 级数据中心供电电源要求供电中断不能超过4 ms［2-3］。因此，在数据中心的设计当中，大量的采用高可靠性设计，以确保负载不会中断。然而上游电源的可靠性，往往在设计中容易被忽略。尤其是夏季雷雨、台风多发季节，市电难以避免的出现闪断、波动现象，会导致保护误动作甚至柴发误启动的事件，严重威胁数据中心的供电安全。

一般闪断，基本依靠电力监控监控系统，来推断还原事件发生时间及过程，受系统精度和设计限制，无法迅速获得精准的闪断发生的时间、次数、中断时长、电压电流波形等参数，较快的闪断系统甚至无法察觉。准确的掌握电能质量参数，对闪断等事件的发现、分析，保护参数修正，进而针对不同类型的闪断制定相应的应急方案，有着至关重要的作用。

1 10 KV 电能质量监测系统设计

1.1 硬件设计

数据中心最常见的电源结构是10 KV 单母线分段结构［4］，由两路来自不同变电站的10 KV 进线电源配合母联开关，实现双电源互备。本文设计采用CET 的iMeter7智能电表，安装在四路电源进线处作为电能质量采集分析装置，从进线电源柜的PT、CT上采集电压电流信号，包括三相电压、三相电流、三相功率、三相功率因数、频率、2～63次谐波，三相电压角度、三相电流角度等。其中电压、电流采样精度应不低于0.1%，谐波测量精度达到IEC 61000-4-7 A 级，如图1所示。

同时该装置还具有高精度的录波功能，采样频率高达512点/周波，记录波形存储于电能质量监测装置内部，掉电不丢失。并且能够通过TCP/IP 协议上传到后台软件上进行展示、分析，还应具备诸如报警、报表、对时、SOE 等功能。

图1 采集装置示意图

1.2 软件

软件同样采用CET 公司的CET DiagSys 上位机软件，通过该软件能够实现：

1）设备通信：能够通过TCP/IP 方式与各装置进行通信，查看各个电能质量监测装置内所有信息。

2）数据采集：能够实时采集各电表数据，并存储在本地上位机。

3）数据分析：具有简单的数据分析功能，能够根据采集数据，得出电源波动或中断的时间、电压幅值等数据，谐波数据能够反映出THD、THDU、THDI 等参数。

4）报表功能：能够根据需求，定制或自定义报表。

5）报警功能：能够实时显示装置告警或者根据测量量自定义告警，并对告警进行分级，根据重要级别进行声光告警及弹窗提醒等。

6）多客户端安装：支持两台及以上电脑安装后台软件的客户端。

2 安装调试

2.1 安装接线方案

iMeter7需要从进线柜取进线电源的三相电压和电流数据，需要将装置采样回路接入进线柜，具体是将三相电压采样回路并接进PT 二次回路，电流采样回路串接进CT 二次回路。根据进线柜二次图及装置背板图，设计施工接线图，如图2所示。

图2 安装接线图

2.2 通信组装方案

10 KV 进线电源监测装置通过变电所的电池监控交换机，进入安防网。通过配置ECC 工作站网口至安防网段并连接安防网与电表通信。

配置电力监控对时装置的网口二为安防网对时服务器，将对时报文接入安防网，配置电表对时协议，完成与对时装置对时。

2.3 上位机软件安装

CET DiagSys 为CET 基于windows 平台开发的iMeter7上位机后台管理软件，能够通过读取并存储iMeter7的采样参数、波形、事件，实时查看历史数据并提供波形分析、序分量分析、向量分析、谐波分析等分析功能。

安装CET DiagSys 软件需在windows 操作系统下，并且预先安装数据库软件，硬件上还要有加密狗的情况下才能完成安装运行。安装完成后，需配置通信参数、对时参数，配置画面组态等工作。安装后的软件画面图3、4所示。

3 应用分析

电能质量监控系统能够高精度的采样10 KV 进线电源的电压电流信号，进而可以对频率、相位、功率、谐波等进行分析，配合高频率的录波功能，对电源闪断、电压电流波动可进行毫秒级分析，进而有效调整保护参数，避免保护误动作。同时对系统的电能质量进行实时监控分析，制定实验多种调整方案，提高电能质量，保障供电的可靠性。

3.1 闪断录波

图3 软件主界面

图4 软件分界面

图5 电源闪断波形

图5是某次闪断录波的波形，从图中可以看到电压波动大概持续了20 ms，AC 相电压暂降大约350 ms，引起的电流波动大约持续400 ms。这种情况，往往是由于上游重合闸引起的闪断，由于电压电流均未中断，而且会及时恢复，此时母联开关不应该动作，保护定时应设置大于400 ms，方能躲过这个闪断。

图6是电压波动波形，此类波动时间非常短暂，从图中可以看出波动持续时间不到10 ms，此类短时波动，一般设备精度都很难抓取，现场所有设备也仅UPS 有放电动作，如遇此类波动，如果没有电能质量监测系统，就很难抓取分析故障波形，找到UPS等高精度用电设备报故障的原因。

3.2 谐波分析

通过装置2～63次的谐波测量，图7所示。可以发现系统中的谐波分量，观察谐波特征，计算出THD 评估供电质量，进而制定调整方案。如改变补偿装置投切策略，将电机等感性负载同UPS 容性负载放在同一变压器下，若是电源上游供电质量问题，也可凭波形及分析结果，要求供电局切换供电线路，改善供电质量。

图6 电源波动波形

图7 谐波分析图

4 结语

综上所述，本文设计并应用实施的电能质量监测系统，通过iMeter7装置采样电源参数配合DiagSys 上位机软件分析10 KV 进线电能质量，根据分析结果对10 KV 综保设计参数进行修正、调整补偿装置投切策略，能够有效降低数据中心由于闪断、谐波相关电能质量问题导致保护误动等供电事故的风险，提高供电质量，切实保障数据中心供电的高可靠性。