基于2N供电架构的数据中心市电与高压柴油发电机的切换模式应用与探索

徐 飞

（中移（杭州）信息技术有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

数据中心高压变配电系统是联系外市电供电网络和机房楼内用电设备的中间环节，起着变换和分配电能的作用，其电压等级主要有110 kV、35 kV、10 kV、6 kV。随着数据中心爆发式发展，集中能源需求越来越大，为了提高后备电源的效率，大中型数据中心建设中采用10 kV高压柴油发电机作为后备电源已形成趋势。目前，数据中心行业高压柴油发电机一般指10 kV高压水冷柴油发电机。

通过对数据中心典型高压变配电架构特点以及常用的市电与高压柴油发电机的切换方式分析，并结合后期日常运维工作，为数据中心机房10 kV市电与高压柴油发电机系统的高效利用与提升资源价值提供可行性方案应用与研究思考。

1 数据中心供配电系统

1.1 典型供配电架构

数据中心的外市电是从电网引入，通常要经历生产、输送、变换以及分配等供配电环节，根据数据中心规模不同一般可分为设置总压降变电站和电网引专线2种引入方式。总压降变电站一般指为了满足机房容量及经济性，要求数据中心自建电压等级为110 kV/35kV变电站，并转化成10 kV电压等级进行电能分配使用。电网引专线是指直接从电力公共电网引入10 kV市电给数据中心使用。

机房高压供电系统的主接线方式通常分为有汇流排和无汇流排两大类，其中有汇流排方式为数据中心高压配电系统的主要选择方式，主要包括单母线和双母线2种架构。双母线系统架构因其结构复杂、造价高、利用率低等，作为主接线在数据中心极少用到。

在数据中心规划设计时从机房规模、等级定位、安全性、经济性等综合考虑，单母线接线方式最为普遍应用，主要分单母线接线和单母线分段接线2种方式。单母线接线又分单电源和双电源连锁方式，主要用于规模较小、等级较低的数据中心机房。单母线分段接线则在规模较大、等级较高的大中型数据中心机房为主接线架构。无论数据中心机房外市电引入的电压等级是多少，通常都转换成10 kV电压等级后再经变压器降压到低压380 V给末端设备进行电能的分配和使用，高压柴油发电系统则在10 kV配电侧进行接入切换。因此10 kV高压配电系统的接线架构，影响着柴油发电系统的接入模式及切换逻辑。

1.2 单母线分段架构

在实际应用中单母线分段接线架构的运行方式主要分为2种，即按10 kV高压配电系统是否设置母联自动切换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）装置分为单母线分段母联接线架构和单母线不设母联接线架构，并与高压柴油发电系统形成不同方式的接入逻辑。其常见的典型框架如图1、图2所示。

图1 单母线分段母联架构

图2 单母线分段不设母联架构

上述2种架构主要区别在于10 kV高压分段母线间是否设置ATS母联装置，其与高压柴油发电机的切换逻辑如下。有母联架构则是典型的5选2开关市电柴油发电机切换模式，如图1所示。2路市电进线开关和母联开关进行联锁，2路市电与2个柴油发电机开关进行联锁，任何情况下5个开关只能2个开关处于合闸状态的逻辑设置。高压侧不设母联装置架构则仅仅是2路市电分别与柴油发电机输出开关之间的两两联锁，单路市电故障时通过低压母联进行有效切换，如图2所示。

1.3 切换逻辑

经调研以单母线分段2种方式为配置架构的数据中心机房，在实际运用中与高压柴油发电机的切换逻辑设计基本是当2路市电都停电的情况下，高压柴柴油发电机系统启动给末端负载供电。这也是当前2路市电与柴油发电机的应用最广泛的典型切换模式。

《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）规定，A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源[1]。当正常电源发生故障时，备用电源应能承担数据中心正常运行所需要的用电负荷。上述切换逻辑符合国标设计规范的要求，但设计规范中并未规定只有在2路正常电源同时故障情况下，后备电源才能运行承担所需用电负荷，即在2N供配电架构中高压侧供电特别是单母线分段为主接线的情况下，是否可设置单路电源故障时后备柴油发电机启动，并承担起该故障电源侧的负荷与另一路正常电源共同承担数据中心机房的全部用电负荷。这种切换逻辑模式是否可行、可靠值得数据中心从业人员思考与实践探索。下面以某数据中心市电柴油发电机的切换过程思路为例进行对比分析。

2 两路市电都停电启动柴油发电机模式

因2N供配电系统架构简单、设备和线路容易实现物理隔离、可用性高，运行成本适中、运维难度低等优势，目前国内数据中心机房楼内的供配电架构，基本以2路10 kV高压线路形成2N供电架构模式。下面以某数据中心单母线分段不设母联的高压接线方式为例，分析2路市电与高压柴油发电机系统典型的切换逻辑模式，并提出论述另1种切换逻辑的可行性[2]。该数据中心楼内10 kV电压等级市电及高压柴油发电机系统主备供电架构如图3所示。

该数据中心为2路10 kV高压配电以单母线分段不设母联接线架构，图3中的后备电源配置7台2 000 kW的高压水冷柴油发电机系统，其中K1、K2为1#、2#这2路市电进线开关，K3、K4为2路柴油发电进线开关，K1与K3、K2与K4之间设置ATS系统并进行机械电气互锁。K5、K6为2路柴油发电机侧输出开关。

图3 某数据中心高压供电架构

其相互切换设计逻辑是当2路市电都停电的情况下，高压柴油发电机系统启动发电给末端负载供电。具体过程逻辑为2路市电都停电、柴油发电机启动并机成功后，输出柜把柴油发电机电送至高压进线柜侧，ATS系统判断并确认2路市电都为停电状态后执行切换动作，开关切换至柴油发电机供电侧对末端负载进行供电[3]。在此判断切换过程中，不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高压直流等交直流不间断设备的蓄电池对负载进行短暂的电力不间断供电。

其切换逻辑过程主要包含满足柴油发电机启动及并机条件、柴油发电机电输出条件、ATS系统判断切换逻辑、柴油发电机电退出条件以及柴油发电机停机条件及过程。

（1）柴油发电机启动条件及并机过程。当市电停电故障发出ATS干接点启动信号，1#ATS与2#ATS中任何1个ATS单一有信号都不启动柴油发电机，必须满足2路ATS都有启动信号才启动柴油发电机。7台柴油发电机同时收到启动信号，开始执行启动运行，柴油发电机盘车启动运行至正常状态，用时约25 s。开始执行自动并机逻辑，G1发电机AK1开关最先合闸，其他机组AK2～AK7后续捕捉同步参数，进行柴油发电机并机流程，同步并机时间约35 s。

（2）柴油发电机电输出条件。当柴油发电机满足并机运行数量≥4台时，2个出线开关K5、K6具备合闸输出条件，小于4台并机运行台数，出线开关不能自动合闸，可以人工操作就地模式进行合闸操作。当满足柴油发电机运行台数等于4台时，出线开关合闸顺序：当2个ATS系统都发出柴油发电机启动信号，延时第1 s送出线K5合闸信号；延时第3 s送出线K6合闸信号。

（3）ATS判断切换逻辑。当ATS监测到2路市电停电及柴油发电机启动至正常供电状态，高压输入开关K1、K2执行分闸动作，后ATS切换至柴油发电机供电侧，K3、K4开关执行合闸，即先切断负载，再执行ATS切换合闸，降低带负荷切换风险，提高切换效率及可行性。

（4）柴油发电机电退出条件。当1#、2# ATS系统监测到任意一路市电来电的条件下：延时第2 s送出线K5分闸信号；延时第4 s送出线K6分闸信号。

（5）柴油发电机停机条件及过程。市电故障恢复，ATS发出停机信号，当2个ATS都发出柴油发电机停机信号；当1#、2# ATS中任何1个发出停机信号。柴油发电机并机系统作出逻辑判断后发出停机信号给7台柴油发电机，7台柴油发电机收到停机信号延时30 s后，并机开关AK1～AK7自动分闸解列，7台柴油发电机并机开关分闸，柴油发电机进入180 s冷却延时停机。如在柴油发电机冷却运行过程中，一旦市电突然停电，柴油发电机将自动执行并机运行程序[4]。

上述过程为基于2路市电同时停电条件下高压柴油发电机系统启动及并机输出，通过ATS与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制切断负载及ATS切换柴油发电机侧合闸,市电恢复后柴油发电机解列退出的全过程市电与柴油发电机切换流程。过程中后端负载采用逐级投切的模式避免大电流冲击对变配电设备的损伤。此切换设计方案在当前的大中型数据中心高压切换模式中应用较为广泛，理论上是一种典型可靠、可行的模式。

3 单路市电停电启动柴油发电机切换模式

在数据中心市电的实际应用过程中，2路市电停电启动柴油发电机切换逻辑设计方案在市电停电、柴油发电机启动并机及ATS切换整个过程中，因控制逻辑判断、信号接收、断路器分合闸动作等存在时延因素，在市电切换柴油发电机电过程存在一定时间断档期，该时间段根据数据中心及柴油发电系统规模不同从几十秒甚至数分钟不等[5]。在此期间，由交直流不间断设备的后备蓄电池对后端负载进行供电，部分不经交直流不间断设备的直供负载则会掉电。因此在现有的供电架构及高压柴油发电机系统模式下，是否存在进一步的缩短切换时间以保障负载为前提的方案是一个值得研究的问题。笔者结合多年运维经验并通过多个数据中心调研，下面以单母线分段不设母联的高压配电系统为例，对上述切换逻辑进行优化提出另一种思路，即在数据中心2N供电架构中任意一路市电停电，启动柴油发电机给该路末端负载供电的切换逻辑。其切换逻辑过程如下文所述。

（1）柴油发电机启动条件及并机过程。当任一市电停电故障发出ATS干接点启动信号，1#ATS或2#ATS中任何一个ATS单一有信号启动柴油发电机。7台柴油发电机同时收到启动信号，开始执行启动运行，柴油发电机盘车启动运行至正常状态。开始执行自动并机逻辑，G1发电机AK1开关最先合闸，其他机组AK2～AK7后续捕捉同步参数，进行柴油发电机并机流程。

（2）柴油发电机电输出条件。当柴油发电机满足并机运行数量≥4台时，2个出线开关K5、K6具备合闸输出条件，小于4台并机运行台数，出线开关不能自动合闸，可以人工操作就地模式进行合闸操作。如满足柴油发电机运行台数等于4台时，出线开关合闸顺序：当1#ATS发柴油发电机启动信号的条件下：延时第1 s送出线K5合闸信号；当2#ATS发柴油发电机启动信号的条件下：延时第3 s送出线K6合闸信号。

（3）ATS切换逻辑。当ATS监测到2路市电中任意一路停电即柴油发电机启动至正常供电状态，停电故障市电对应的高压输入开关K1、K2执行分闸动作，后ATS切换至柴油发电机供电侧，对应的K3、K4开关执行合闸，即先分断负载，再执行ATS切换，降低带负荷切换风险，提高切换效率及可行性。

（4）柴油发电机电退出条件。当1#ATS监测到市电来电的条件下：延时第2 s送出线K5分闸信号；当2# ATS监测到市电来电的条件下：延时第3 s送出线K6分闸信号。

（5）柴油发电机停机过程。市电停电故障恢复，ATS发出停机信号，当2个ATS都发柴油发电机停机信号。柴油发电机并机系统作出逻辑判断后发出停机信号给7台发电机，7台发电机收到停机信号延时30 s后，并机开关AK1～AK7自动分闸解列，7台柴油发电机并机开关分闸后，发电机进入180 s冷却延时停机。如在柴油发电机冷却运行过程中，一旦市电突然停电，柴油发电机将自动执行并机运行程序。

4 可行性与优势分析

4.1 可行性分析

数据中心机房市电与柴油发电机之间的切换逻辑，单路市电停电启动柴油发电机供电模式可以实现。此切换模式存在单路外市电和柴发电同时分别给2路供配电路由供电，这种通过不同类型电源给数据中心机房末端负载供电是否可行，需进一步进行分析论证。

首先从数据中心柴油发电机机组性能分析，根据《往复式内燃机驱动的交流发电机组 第1部分：用途、定额和性能》（GB/T 2820.1—2009）中对于柴油发电机组的性能指标分为G1、G2、G3、G4这4个等级[6]。根据数据中心机房负载特性，对柴油发电机组的输出电压、频率、波形都有严格的要求，因此数据中心机房的柴油发电机性能等级要求不低于G3级，即国家标准中要求的数据中心柴油发电机机组性能指标至少能适用电信负荷和晶闸管控制的设备。

其次针对数据中心应用场景分析，柴油发电机与其负荷的匹配性，主要针对柴油发电机组与容性负载UPS、整流设备等系统的匹配度。两者之间的匹配度，已通过谐波治理、软启动、柴油发电机永磁励磁、增大机组容量降低内阻等措施技术得到有效解决。

结合当前单路市电停电启动柴油发电机供电切换模式是在数据中心2N供配电架构中进行应用，其状态为2路不同类型的电源分别给机房2路供配电路由的末端负载供电，正常状态2路电源不论是2路市电还是1路市电1路柴油发电机电都是独立给负载供电。综合上述分析在2N供配电架构中，只要满足数据中心机房电能质量要求，单路市电停电启动柴油发电机供电模式从切换逻辑到供电应用是可行的。

4.2 优势分析

根据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）规定，当以柴油发电机为后备电源时，A级数据中心蓄电池最少备用时间为15 min。理论上不间断电源蓄电池的后备保障时长，足以保障市电与柴油发电机的切换时间。但在实际应用中会发现，蓄电池充放电过程为化学反应过程其不稳定性相对较大，特别是接近报废年限的蓄电池，存在单体落后甚至电池开路的情况发生，给供电切换带来了负载断电的风险。在此数据中心单母线分段不设母联的供电架构下，当单路市电停电，通过低压侧母联切换至另一路市电供电，然后柴油发电机启动并机供电，低压侧母联切回2路供电模式。此过程节省了柴油发电机启动并机至柴油发电机出线柜送电60 s时间。相比较2路市电同时停电故障下后备柴油发电机执行启动，单路市电停电故障后备柴油发电机执行启动的方式，在保障用电负载的可靠性、及时性上更为优越。

在单路市电停电故障条件下，前者方案为全部负载切换至正常侧单路市电，后备柴油发电机为冷备状态。而后者方案为后备柴油发电机启动给故障侧负载供电，与正常侧市电共同承担机房全部负载，为热备状态。为市电二次故障做好了准备，节约了柴油发电机启动并机时间，从供电角度看提高了及时性。

在日常运维中定期对柴油发电机系统的带载测试提供了便利及降低了演练故障风险度。单路市电故障启动柴油发电机模式，可定期对柴油发电机进行单边侧负载带载测试，测试过程中有不间断设备蓄电池和正常侧市电ATS系统双重保障，相比两路市电故障切换柴油发电机模式，仅靠蓄电池后备保障切换期间的后端负载，提高了供电系统日常运维操作的安全性、可靠性，降低了演练操作故障风险。

单路市电故障启柴油发电机模式，还可在外部电网供电紧张的条件下，启动柴油发电机为单边负载供电，有效利用库存柴油生产电能，提高能源利用率，变废为宝的同时减轻电力部门的供电压力，彰显社会责任。

5 结 论

当前国内数据中心2路市电同时存在故障停电的概率很小，年不可用度基本都能达到一类市电的要求。柴油发电系统利用率很低，一般只有在日常运维中的空载、带载测试才开机运行，运行时间都相对较短。如何提高柴油发电机在运用率、合理利用柴油在报废周期内使其转化为有效电能用于生产，这也在是种合理利用闲置资源，降本增效的途径，而这一途径可通过对2N供电架构的分析,同时结合设备日常运维的可行性、便利性、实用性角度出发，对现有市电与柴油发电机切换逻辑思路的优化调整来实现，以期达到更优的效果。