数据中心备用电源并机控制及功率管理逻辑优化设计

田智会，陆宝冬，周路来

（上海科泰电源股份有限公司，上海 201712）

0 引 言

以某数据中心备用电源项目为例，项目要求备用电源采用10 kV高压机组，多台机组并机运行，系统总容量10 MW，采用N+1备份方式。在规定的环境下，机组功率均为主用功率，即1 800 kW或2 000 kW，备用功率为2 000 kW或2 200 kW，每12 h允许备用功率带载1 h。具体并机方案由柴油发电机（以下简称柴发）厂商根据自己的设备控制系统确定，但均需提供标准通信接口[1]。主控柜可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）支持简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP），可以实现柴发、并机系统等数据上传，也可以透传开关柜、消防等信息，实现远程控制与并机。并机管理系统要求具有负载分配管理功能，动态化将负载在投运机组之间按设定比例分配或均匀分配。全部机组并联运行设定时间后，根据负载增减变化对运行机组数量进行管理，调整机组输出功率和实际负载需求之间的动态平衡[2]。

1 系统结构和硬件配置

结合用户要求，最终方案确定为备用电源采用7台1 800 kW柴发机组进行并机，整套系统包含7台柴发、1套并机主控柜、7台进线柜、2台出线柜以及1台假负载测试柜。其中，柴发主控制器可以实现机组控制、并机控制、功率分配、负载分级控制、保护控制以及集中显示控制等，配合进线柜、馈线柜、接地电阻柜、PT柜、直流屏以及低压配电系统形成一套完整的柴发系统。优化设计后的系统如图1所示。

图1 系统架构

柴发主控制器为DGC-2020，可以实现对机组的控制、保护和测量。微处理器具有精确的测量、参数设定及计时功能，用户通过PC界面很容易完成参数设置。控制器具有并机功能，7台柴发控制器通过传输控制协议/网际协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）进行通信[3]。

并联主控制柜柜体采用落地直立式，面板设计便于运维人员操作，通过PLC和人机接口（Human Machine Interface，HMI）实现对发电机系统并机逻辑控制，同时与外部机组控制器、动环系统等实现通信。通过高分辨率HMI界面显示的设备状态和参数，运维人员可以对现场供电系统进行监测和控制。PLC用来控制两路市电回路开关、7台柴发进线开关柜分合闸动作及故障监控，而HMI界面上的虚拟按钮则用来操作各断路器，并显示断路器的位置状态。并机控制系统中的PLC可以透传各发电机组控制器、电动百叶以及供油系统等的数据信息，其中PLC北向接口可以支持SNMP协议，方便后一级组网[4]。

触摸屏采用DEIF人机界面AGI 415，可以使用PC、平板电脑或智能手机实现远程控制，通过标准通信协议可连接至DGC-2020控制器。AGI415适用于各种平台的可视化和实时控制，能够提供完整的图形概述和用户友好的触摸屏控制，实现同时监控各种设置或通过以太网分享数据。此外，AGI415可以设置不同用户的访问权限，确保分级用户权限管理。

PLC采用西门子新一代具有冗余功能的S7-1513R，具有很强的通信功能和扩展能力，方便现场调试，能够实现调试诊断。

串口服务器采用研华EKI-152X系列，支持具有RS232、RS422、RS485等通信接口的串口设备联网服务器，可以将PLC、机组控制器、传感器等转换为网口通信连入基于TCP/IP的以太网。EKI-152X提供了多种操作，可以让现场众多串口设备之间实现点到点的通信。

系统由中压方仓的综保设备检测两路市电状态，并将市电状态以干接点的形式输出到柴发并机主控柜的端子排[5]。信号经过端子排后，通过控制7个继电器线圈将此信号1分为7，7只继电器触点分别输送给7台厂家柴发主机控制屏。柴发主机控制器实时监测市电状态，并根据市电状态执行相应的动作。

系统中需连接的信号线如下：一是柴发和并机主控柜之间的信号线（5组信号），包括RS485/TCP通信线、市电1#状态干接点（1#市电进线柜综保直接到柴发）、市电2#状态干接点（2#市电进线柜综保直接到柴发）、远程启动干接点以及远程停机干接点；二是并机主控柜与后台接线（3组信号），包括并机柜中的交换机到管控柜交换机、1#市电进线柜综保市电状态干接点以及2#市电进线柜综保市电状态干接点。为了避免单点故障，提高系统可靠性，并机控制系统的主控柜及各机组之间的通信均采用双链路连接。

2 并机系统的控制逻辑设计

柴发系统采用分布式控制方式，同步条件中采用判定频率和电压偏差达到同步的方式并联。机组控制器之间进行并机功能通信，并且以模拟量信号输出到调压器和调速器的形式提供模拟量输出信号，自动调整发电机组的频率、电压、无功功率输出以及有功功率输出。优化设置7台柴油发电机组启动和同步时的工作模式，采用竞争上岗模式。所有机组控制器会同时接收到启动信号，同时启动，最先达到电压和频率等设定指标并稳定运行的机组先向失电母线合闸，其余机组以同步母线上的电压和频率等指标为参照，在达到已在控制器中设置好的同步并机设定条件后完成合闸并机。由于同时启动而不是逐一启动，因此并机速度较快。各机组在同步过程中只参照并机母线上的电压和频率等设定指标，不受其他机组的影响，相互间不会因其他机组问题而造成整个并机系统难以完成并机。柴发主机控制器主要实现并机，而并机主控柜主要实现馈线柜的合分闸控制及整个柴发系统的数据上传。相关运行工作状态分析如下。

2.1 自动状态

系统所有控制模块处于自动状态，市电中压进线柜A、B的综保设备输出市电状态干接点信号给柴发并机主控柜，分别表示市电A路状态和B路状态。

（1）柴发自启动逻辑。综保设备将市电失败信号发送至并机柜及柴发，柴发直接启动完成并机，将电力送至中压方仓柴发进线柜。综保设备发送市电失败信号给并机主控柜及7台柴发，柴发先打开集装箱体上的百叶窗，然后启动。依据竞争上岗模式完成并机，并机主控柜的PLC在并机完成后合闸2台馈线柜，系统将自动分配功率给所有在线机组。

（2）柴发停机逻辑。后台下发柴发停机命令，经延时确认后，备用电源系统将启动停机过程。控制系统确认机组功率输出功率低于设定值时，输出命令断开断路器，柴油发电机组解列。发电机组控制器启动冷却停机程序完成停机，进入准备下一次启动的待机状态。

（3）柴发远程启动逻辑。柴发控制器通过串口服务器及交换机将数据传递至监控系统，后台同样可以通过网络控制柴发启停。在接收到远程启动命令后，7台柴发控制器之间相互通信，通过竞争上岗模式自动完成并机。主控制柜PLC在检测到柴发进线柜合闸（7台进线柜合闸6个及以上）、市电开关处在脱离位置等条件后，控制两个馈线柜断路器合闸，向负载母线供电。因系统是N+1备份，在柴发6台机组并机完成后即合闸馈线柜，将电送至中压方仓开始带载。在设定时间延迟后，控制器开启功率管理功能，控制器相互通信并检测负载功率，按认定依据和逻辑自动增减机组台数。

综上所述，机组并机由柴发主机控制器与并机柜PLC共同完成。需注意的是，极端情况下当主控柜互为备用的2台PLC均故障后，柴发收到市电中压进线柜A、B的综保设备提供的市电故障信号，虽然仍会依照上述逻辑执行，但馈线柜无法控制合闸，此时需要人为将馈线柜合闸，将柴发发电送至中压方仓系统逻辑动作顺序如图2所示。

图2 系统逻辑动作顺序

2.2 手动状态

（1）手动解列。所有在线运行的发电机组均允许以手动方式完成解列，按下对应的发电机组控制器面板上的停机按钮，控制器将按预先设定进行负载转移，使待解列的发电机组输出功率逐步降低，达到设定值后合闸并与并机母线上的并联断路器自动断开，从而完成该台发电机组解列。发电机组控制器启动冷却停机程序完成停机，进入准备下一次启动的待机状态。

（2）紧急停机。当运行中的发电机组被触发紧急停机按钮或控制器发出故障停机命令时，并机控制系统将立即断开对应机组的出线断路器，并控制机组停机。如果故障或紧急停机发生在并机母线侧，并列运行的发电机组自身并无故障，则发电机组进行正常程序的冷却停机过程。停机后进入准备下一次启动的待机状态，同时控制器上将显示报警信息。如果故障或紧急停机发生在发电机组侧，则发电机组不会进行冷机过程，而是立即停机，并在机组控制器屏幕上和主控柜HMI上同时显示报警。

（3）手动并机操作。如果发电机控制器转换为手动模式，并机系统设置在手动状态，此时并机系统不受外部启动信号控制，完全由人工控制。当需要启动发电组时，在控制器面板上触发合闸按钮，并机系统将按自动模式下的程序自动同步并自动合闸，完成并机后自动进行功率管理。需要注意的是，手动模式下系统无法自动停机，需手动触发停机或解列按钮，对应的机组将按前述自动模式下的程序完成负载转移自动转移，自动断开断路器，完成机组解列。解列后机组仍继续运行，需要手动操作停机。

3 系统功率管理逻辑设计

机组启动逻辑设置为接到系统无源干接点启动命令后，7台油机同时启动、并机，5台并机成功（即储备功率大于9 000 kW）时合馈线开关，延时10 min后进入功率管理停机流程，开始解列至保留3台机组在线。

带载后负载功率增加对应的机组起机条件优化设置为：负载功率低于1 800 kW时保持在线运行3台；负载功率高于1 800 kW时增加第4台，负载功率为1 801～3 799 kW时在线运行4台；负载功率高于3 800 kW时增加第5台，负载功率为3 800～5 799 kW时在线运行5台；负载功率高于5 800 kW时增加第6台，负载功率为5 800～7 799 kW时在线运行6台；负载功率高于7 800 kW时增加第7台，负载功率为7 800～9 799 kW时在线运行7台。

带载后负载功率减少对应的机组停机条件优化设置为：负载功率为7 600～9 599 kW时，保持7台机组在线运行；负载功率为5 600～7 599 kW时，减少到6台机组在线运行；负载功率为3 600～5 599 kW时，减少到5台机组在线运行；负载功率为1 600～3 599 kW时，减少到4台机组在线运行；负载功率小于1 600 kW时，保持3台机组在线运行。

为了避免负载波动引起误动，实际调试时在停机临界值基础上减去100 kW来测试停机流程。例如，测试停第7台机组时，负载应减到7 499 kW。如果假负载波动较大，则应在临界值基础上减去200 kW来测试停机流程。此外，提供两种优先停机条件，分别是按IP地址停机和按累计运行小时数停机。

4 结 论

经过优化的并机控制及功率管理逻辑方案在数据中心备用电源系统应用后，在系统可靠性、应急响应速度、机组功率管理运行经济性等方面均取得了较好的效果，深受行业客户好评，值得借鉴。