数据中心柴油发电机电源切换逻辑探讨

李益惠, 叶丽娟

(中国建筑设计研究院有限公司, 北京 100044)

0 引 言

依据标准GB 50174—2017《数据中心设计规范》[1],A级数据中心应由双重电源供电,并应设置备用电源。双重电源互为备用,平时负载率一般不超过50%,为了避免对市电资源的“占而不用”,备用电源通常不会选择另设专用馈电线路,而是采用独立于市电系统的自备柴油发电机组。另外,Uptime Institute(数据中心标准机构)认为对于数据中心,来自建筑红线以外的公用市政设施(市电等)均不是可靠的服务供应,因此国内大型数据中心如要满足Uptime Tier等级要求,柴油发电机系统的设置为一个“必选项”[2]。

与普通民用建筑相比,数据中心供配电系统架构更复杂。Uptime Institute Tier Ⅳ等级的必要条件之一是:基础设施控制系统可自动响应故障,同时维持关键环境。市电失去后,在UPS后备15 min时间内需完成市电和柴油发电机电源切换,实现柴油发电机电源正常带载。因此,为保证复杂数据中心的高可靠性,有必要在设计施工阶段对电源切换操作流程进行预设[3-6]。

1 数据中心负载特性

数据中心主要负载为IT机柜、空调系统、建筑功能性负荷等。空调系统包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、末端精密空调等制冷设备。建筑功能性负荷为照明、普通风机和消防等。其中,IT机柜和空调系统所占比重为80%～90%,为柴油发电机的重点保障对象[7-8]。

IT负载等开关型设备、UPS设备在运行中呈容性状态,而动力设备为数据中心主要的感性负载,但通常数据中心PUE小于2,感性负载小于容性负载。为降低电网电能损耗,在变压器低压侧设置无功补偿,补偿电容器的投入进一步加大容性电流产生的可能性;IT负载、蓄电池充电设备、UPS、变频动力设备等非线性负载在运行中也会产生大量谐波。当柴油发电机作为供电电源时,超前的负载功率因数及大量谐波电流有可能导致柴油发电机过热、输出过压和输出功率下降,甚至自保护停机。因此,除适当增大柴油发电机容量外,在切换柴油发电机电源时可采取负载分步投入、先感性负载后容性负载的投切思路,避免柴油发电机受容性大电流冲击而被拉垮。

2 供电架构

两路相对独立的10 kV市电供电数据中心典型供电架构如图1所示。两路10 kV市电进线A、B和两路备用电源柴油发电机进线分别通过主进断路器QF1、QF2、QF3、QF4输入到两段10 kV母线,两段母线间设联络开关QF5;由于数据中心A、B路配电分室设置,且母联的两侧都有可能向另一侧供电,在B段10 kV母线上设常闭母联手动开关QF6,但QF6可不纳入自动控制范围。两段母线分别以放射式线路向IT变压器、动力变压器和10 kV高压冷机等负载供电。正常运行时,负载由市电供电,当市电失电时由柴油发电机给负载供电。

图1 两路相对独立的10 kV市电供电数据中心典型供电架构

当柴油发电机房不满足自然进排风条件需要依靠风机强制进排风时,风机电量通常较大,且主要在柴油发电机带载时启用,故风机可不使用UPS供电。此时可考虑在柴油发电机并机母线再馈出两路电源(A路/B路)直供进排风机配电变压器(动力变压器),以保证在柴油发电机带载同时风机可正常启用,保障柴油发电机正常进排风。

为确保供电系统安全,需通过中压柜二次侧线路将进线、母联开关进行如下闭锁。

(1)QF1或QF2合闸时,QF3或QF4不能合闸。

(2)QF3或QF4合闸时,QF1或QF2不能合闸。

(3)QF1、QF2和QF5不能同时合闸,3个开关同时只能合2个。

(4)QF3、QF4和QF5不能同时合闸,3个开关同时只能合2个。

(5)QF31和QF33不能同时合闸,QF32和QF34不能同时合闸。

3 电源切换逻辑

3.1 运行工况

依据供电架构和开关闭锁逻辑,不同电源情况下的6种运行工况如表1所示。

表1 不同电源情况下的6种运行工况

以上工况中,两路市电供电为正常工况,当其中一路市电失电时,可通过母联开关,切换成另一路市电+母联供电形式,此转换过程不涉及柴油发电机电源,且馈线断路器无需动作,流程相对简单,可由综合保护装置完成母联备自投切换。其余涉及柴油发电机电源的运行工况切换,均建议以PLC控制方式实现。

3.2 PLC控制流程

10 kV自动切换PLC控制系统实现的功能主要有两部分:一是当两路市电均失电后,市电和柴油发电机供电的自动切换,以及市电恢复后柴油发电机与市电的自动切换;二是在电源切换过程中负荷的自动投切。图1中,纳入PLC控制的中压断路器有QF1～QF5、QF11～QF28、QF31～QF34,共计27个。柴油发电机起动及并机由另一套PLC流程控制,包括油路阀门动作、柴油发电机起动并机以及并机母线段上开关动作等,一般由柴油发电机厂家配套提供。2套PLC逻辑清晰,互不干扰,只在通信上有联系。

以下对典型工况间的切换进行控制流程说明。

(1)正常运行工况下,两路市电电源失电、两路柴油发电机进线供电的系统操作流程。

① 两路市电失电,延时确定市电失电。

② 断开QF1、QF2市电进线断路器,并确认处于分闸状态,确认母联断路器QF5处于分闸状态。

③ 打开柴油发电机进排风风阀(风阀应由UPS电源供电);确认风阀开启50%时(满足柴油发电机启动的风阀开启比例需柴油发电机厂家确认),发出柴油发电机起动信号,由柴油发电机并机系统控制柴油发电机完成起动及并机过程。

④ 记忆两段10kV母线各个馈线断路器状态,按先容性负载后感性负载的顺序依次断开两段母线上所有馈线断路器;如A段10kV母线断开顺序为QF11、QF13、QF15、QF17、QF19、QF21、QF23、QF25、QF27;切除不被柴油发电机保障的三级负荷或数据机房无关负荷。

⑤ 断开柴油发电机进排风相关动力变压器前市电进线断路器QF31、QF32,闭合柴油发电机电源进线断路器QF33、QF34。

⑥ 柴油发电机起动且并机完成后,由柴油发电机并机控制系统闭合并机母线上馈线开关(包括10 kV母线供电开关和柴油发电机变压器专用柴油发电机电源开关)。

⑦ 检测QF33、QF34电源上口带电,柴油发电机进排风风机供电变压器获得柴油发电机供电;确认风阀全部开启后,起动柴油发电机强制进排风机。

⑧ 检测柴油发电机电源供电断路器QF3、QF4上口带电,闭合QF3、QF4断路器,两段10 kV母线带电。

⑨ 按顺序依次恢复两段母线上所有馈线断路器状态,按先感性负载后容性负载的顺序依次闭合被断开的馈线断路器;如A段10 kV母线闭合顺序为QF27、QF25、QF23、QF21、QF19、QF17、QF15、QF13、QF11。

⑩ 完成市电和柴油发电机电源切换。

(2)两路柴油发电机供电工况下,两路市电恢复供电的系统操作流程。

① 延时判断市电恢复。

② 确认母联断路器QF5处于分闸状态。

③ 确认蓄冷装置后备供冷时间、UPS后备电池时间可以维持电源转换期间的需求。

④ 断开柴油发电机供电断路器QF3、QF4,并确认处于分闸状态。

⑤ 闭合市电进线断路器QF1、QF2,两段10 kV母线带电。

⑥ 断开柴油发电机进排风供电动力变压器前柴油发电机电源进线断路器QF33、QF34,闭合市电电源进线断路器QF31、QF32。

⑦ 加载不被柴油发电机保障的三级负荷或数据机房无关负荷。

⑧ 延时发送柴油发电机停机信号,停柴油发电机强制进排风机,关风阀(风机和风阀应在接到柴油发电机组停止运转的信号反馈之后关闭)。

⑨ 完成柴油发电机和市电电源切换。

(3)两路柴油发电机供电工况下,仅A路市电恢复供电的系统操作流程。

① 延时判断市电恢复。

② 确认母联断路器QF5无故障。

③ 确认蓄冷装置后备供冷时间、UPS后备电池时间可以维持电源转换期间的需求。

④ 断开柴油发电机供电断路器QF3、QF4,并确认处于分闸状态。

⑤ 确认已切除单路市电无法保障的三级负荷;加载不被柴油发电机保障的二级及以上负荷。

⑥ 确认B路市电断路器QF2处于分闸状态,闭合A路市电进线断路器QF1,闭合母联断路器QF5,两段10 kV母线带电。

⑦ 断开柴油发电机进排风相关动力变压器前柴油发电机电源进线断路器QF33、QF34,闭合市电电源进线断路器QF31、QF32。

⑧ 延时发送柴油发电机停机信号,停柴油发电机强制进排风机,关风阀(风机和风阀应在接到柴油发电机组停止运转的信号反馈之后关闭)。

⑨ 完成柴油发电机和市电电源切换。

以上流程考虑了柴油发电机强制进排风(无自然进排风条件),柴油发电机电源总容量不足(无法保障数据中心全部负荷或存在非数据中心负荷)和单路市电电源容量无法保证三级负荷的问题,如数据中心各类条件均为理想条件,则流程可相应简化。从理论上,市电为容量无限大系统,因此在市电恢复后,柴油发电机切市电过程中可不再依次断开闭合馈线断路器,但同样要注意低压侧各大型电机(如低压冷机、大型泵组)的轮起控制,以免多台设备起动电流叠加引起变压器低压侧断路器自保护跳闸。

市电-柴油发电机电源切换控制流程示意图如图2所示。

可以粗略推算,两路市电失电到两路柴油发电机供电的切换时间,约为210 s,在蓄冷罐和UPS后备时间充足的情况下,两路柴油发电机供电切回两路市电供电时间约为35 s,两路柴油发电机供电切回单路市电供电时间约为35 s。值得注意的是,以上时间仅为电源切换时间,数据中心各个系统的切换仍要考虑非UPS供电动力设备如冷水机组断电后的自检重起时间。从起动电源切换流程到所有设备投入正常工作,才是数据中心在电源切换后的真正恢复时间。

4 结 语

本文旨在从设计角度考虑市电和柴油发电机电源切换过程的逻辑合理性,例如,根据柴油发电机自身特性考虑带载时先加载感性负载后加载容性负载,起动柴油发电机时要考虑进排风风阀动作时间避免柴油发电机自保护停机,柴油发电机电源切回市电时要综合考虑蓄冷罐充冷情况和UPS电池充电情况,柴油发电机或单路市电总容量有限时要注意非保证负载的提前切除等。鉴于数据中心的复杂性,具体切换逻辑仍需结合数据中心具体情况及业主运维团队的操作流程进行调整。