数据中心中压电源投切方案分析

王 昀，赵祎晨，王 超

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

伴随着物联网、大数据、云计算、人工智能、5G等信息化时代新技术的应用与普及，数字化经济正与各领域广泛融合，这也推动着数据中心建设的蓬勃发展，同时对数据中心的基础设施的可靠性等提出了更高的要求。

依据GB 50174-2017《数据中心设计规范》：8.1.12条规定：A级数据中心应由双重电源供电。Uptime Institute相关标准 《Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology》：2.4 Tier IV：容错数据中心应拥有多个独立的物理隔离系统提供冗余容量组件，以及多个独立、不同、主用的分配路径同时为关键环境提供服务。冗余容量组件和不同的分配路径配置时应采用的原则是，任何基础设施出现故障后，“N”容量均会为关键环境提供电力和冷却。

参照国内外相关规范、标准，数据中心的供配电系统通常采用两路电源分段运行的2N冗余方式，并设置备用电源。对于关键负载(如中压冷机、冷源用变压器等)来说，要求供电电源具有自动投切的功能，用于保障负载的连续运行，是数据中心供电系统中的关键环节，可靠性倍受重视。其解决方案包括备自投装置和中压自动转换开关装置。

1 备自投装置

备用电源自动投入装置简称“备自投装置”，其组成是由两台断路器及综合继电保护装置加一定的逻辑控制以实现双电源切换。备自投装置并非完整独立的产品，而是一种能够实现在常用电源发生故障时能将备用电源自动投入的功能的一种解决方案。

备自投装置的更迭与继电保护装置一样，经历了从电磁(整流)型、晶体型、集成电路型到微机型的主要发展进程。纵观整个衍变过程，主要是对采集数据的运算方法及逻辑功能实现方式上的改进，现阶段主流的微机型备自投装置是将电流、电压等模拟量转变为开关量开展综合逻辑分析，将分析结果作用于相应断路器，进而实现电源自动切换的功能。

依托于微处理技术的日趋成熟及计算机系统的长足发展，应用可编程控制器(PLC)的备用电源自动投入装置成为数据中心供配电系统中较为常用的一种解决方案，采用PLC搭建的备用电源自动投入装置控制器，具备若干改进特性：可靠性有所提高，PLC减少了继电器在设备中的应用，时间继电器、计数器等均通过程序及系统内存实现；更具灵活性，控制逻辑通过更改程序即可实现，无需将设备拆除重新接线安装。

2 中压自动转换开关

中压自动转换开关设备使用两台带机械和电气连锁的真空断路器进行切换，既可作为带线路故障保护功能的进线开关和切换转换应用，也可独立应用于不具有线路选择保护功能的切换开关，自动监控和管理电源状态，准确判断，快速转换，保障设备的供电质量和连续性。

中压自动转换开关的组成主要包括：承载进线电源及开关设备的柜体、真空断路器、智能控制器、电气及机械连锁等。

(1)柜体：装设母线、电流电压互感器、接地开关、带电显示器、线路保护及二次设备等。

(2)断路器：用于闭合、开断常用或备用电源，如与控制器分设柜体，可更好实现物理隔离。

(3)控制器：用于判断和执行设备自动转换、可靠动作，具备自动控制、就地控制及遥控转换等方式。一般集成电源监视、逻辑判断、条件闭锁、动作输出、事故报警、事件记录、通讯组网等功能，除此之外还可以加入发动机启动、负载逐级投切等功能。可在进线电源端出现失压、欠压、过压、频率漂移、任意一相断相等故障时控制开关部分快速切换。

(4)电气及机械连锁：保证了同一时间内只有一对主触头可以实现闭合，此类连锁独立于控制系统，针对任何时候的任何操作均可实现直接有效的安全保障。

3 中压自动转换开关与备自投装置的对比

3.1 中压ATS与备自投装置的应用优势

在低压配电系统中，ATS设备已经得到广泛的应用，随着中压ATS产品的技术革新，及新技术在中压ATS设备中的不断加入与融合，中压自动转换开关相较备自投装置更具备普遍的适用性、扩展性及便捷的运维特性。

中压ATS设备具备备自投装置所不具备的3C、CE等权威认证。由于中压ATS由设备厂家成套提供，区别于备自投装置的多个设备组合，其相应的服务体系更为完备。

备自投装置是由几种设备组成的一套系统，装置本身的逻辑功能和参数设定直接影响了备自投的正确动作率。目前，中压备自投装置应用更为普遍，与中压ATS装置相比，其优势主要表现在更好的经济性。

3.2 不同特性负载双电源切换

双电源转换闭合过程中，电流峰值可能高于稳态电流幅值，这取决于负载特性及闭合瞬间的电压相位角。

数据中心内应用的大量电子信息设备均为电容性负载，且传统UPS(Uninterruptible Power System)在不同的负载率下阻抗特性并不一致，低负载率下可呈现容性，较高负载率下呈现感性，而市电直供PSU(Power Supply Unit)电源、高压直流等技术，在理论上是带有功率因数校正电路的高频开关电源类负载，在高负载率情况下可以实现较高的功率因数和很好的谐波抑制，但在实际应用中因数据中心常采用2N系统冗余配置，在项目初期负载率均较低，呈现出一定的容性阻抗特性。电容性负载的电气特性类似于电容器，若在电容器未充电时合闸，产生的合闸涌流仅与电路阻抗有关，涌流最大值发生在合闸瞬间；若电容性负载未经放电再次合闸，则可能产生更为严重的合闸涌流，开关转换闭合过程中的合闸涌流可能导致保护误动作，或加速电气设备老化致其更易损坏。

对于感性负载，当从常用电源切换至备用电源时，负载会产生反向感应电动势，此电动势和备用电源电动势叠加，有可能产生较大的冲击电流，或导致保护动作，负载设备受到极大的机械应力。故转换时间并非越快越好，尤其对于电动机负载，当从常用电源转换为备用电源时，进线端的残压可能与正在切换给电动机的电源不同相，电压的相位差可能导致电动机的严重损坏。

此外，电源切换控制器还应对下端各路负载断路器的状态进行监控，按照可设定的程序，包括时间间隔和预设顺序在转换到备用电源后，逐步投入负载，防止冲击电流过大；并且在断开备用电源前，逐步断开各路负载断路器，以利于电源电流平稳过渡。

中压ATS采用多种的控制系统组态方式，能实现更加精确的逻辑控制，可灵活设定特意引入延时中的暂态停留时间，便于储能负载释放能量，例如电动机、整流器、滤波器等；且可通过控制器与馈线断路器的配合实现逐步投入、断开负载的操作。

3.3 中压ATS与备自投装置的部分技术特点对比

部分技术特点对比如表1所示。

中压ATS与备自投装置对比 表1

4 中压自动转换开关的应用场景

中压自动转换开关在数据中心的配置，依据备用电源的不同，主要有两种应用场景，以数据中心典型供配电架构为例，如图1所示。

4.1 场景一：备用电源为柴油发电机电源

目前数据中心供配电系统中市政中压电源与10kV柴油发电机电源的投切，较为成熟的解决方案是运用带有可编程控制器的备自投装置。中压ATS借助于其控制器亦可实现该切换流程。

当两路10kV市电同时停电时，自动断开两路进线开关及母联开关，按设定逻辑依次切断负载，中压ATS控制器可提供一组发电机启停控制节点发信给发电机自动启动，柴油发电机完成并机后，则发电机并机母线上馈线开关合闸，中压ATS控制器监测到发电机电源参数指标具备带载条件，控制开关机构及断路器完成市电电源与发电机电源的切换。

图1 数据中心典型供配电架构图

若发电机电源供电时，一路10kV市电电源先行恢复，则经确认市政电源稳定后，发电机并机母线馈线开关分闸，发电机启停控制节点转换状态使发电机停止工作，发电机系统退出供电，控制母联合闸，手动操作恢复的10kV进线开关合闸，中压ATS控制器监测到市电电源恢复，控制开关机构及断路器完成发电机电源与市电电源的切换。由该路10kV市电电源同时为两段母线供电。

4.2 场景二：备用电源为市电电源

备用电源为市电电源，通常的应用场景为两路10kV母线均以放射式向中压冷机供电，在中压冷机负载进线侧安装中压ATS以实现供电电源的自动切换。控制器同时对两路进线进行实时检测，当常用电源参数正常时均由常用电源为负荷供电；当常用电源异常，触发转换条件时，经过延时，切换为备用电源供电，当常用电源故障解除，则中压ATS能够自动将备用电源切断，转换为常用电源向负载供电。

5 结束语

数据中心供电可靠性备受关注，而业界对诸如中压ATS等此类新兴产品的应用存在顾虑，因此其在业界的应用并不广泛。