淺析新型數據中心電力監控設計

李昌旺 豐剛明 吳遠培

【摘要】 為了實現大型數據中心高低壓配電設備的安全、可靠、自動化運行，提出了融入傳統配電自動化技術的新型數據中心電力監控設計。新型監控系統是集計算機技術、數據傳輸、自動化控制技術、智能管理于一體的綜合監控管理系統，不僅提高整個數據中心的安全性、可靠性、靈活性，而且對提升數據中心的運維管理水平有很大的幫助。

【關鍵詞】 數據中心 電力監控 控制 自動化

隨著信息化技術和IT技術的發展，各行業的業務和數據從分散部署走向集中，數據中心的數量、規模也在不斷的增長，配套的電力基礎設施也日益增多，因此，傳統的監視監控系統已無法滿足大型數據中心電力設備的運維需求，新的電力監控系統需以標準性、可靠性、可用性、安全性、先進性為技術原則，采用標準化和開放式設計，同時實現配電設備遠程控制及就地自動化。

一、電力監控系統結構設計

新型電力監控系統采用傳統的工業自動化與IT技術相結合方式，以標準化、集成化、智能化、國際化、組件化設計理念，支持數據中心各個智能設備的集成監控。其中系統將采用分層、分布、開放式式雙以太網通訊結構，由站控層、間隔層及網絡設備組成，雙網均能同時進線數據通信，能實現網絡無縫切換，確保監控系統的高可靠性。

站控層采用雙以太網冗余結構，根據需要可設置數據庫服務器、電氣操作員站、電氣工程師站、打印機以及負責與其它系統通信的管理裝置，形成電氣系統監控、管理中心。整個監控系統采用面向對象、模塊化設思想，遵循國際標準，符合開放性系統的設計要求。

網絡層主要由通信管理單元、交換機等組成。對于10kV綜保裝置，可采用以太網方式直接接入交換機；對于低壓智能儀表、UPS、空調、變壓器、直流屏、精密配電柜等裝置，采用通信管理單元實現規約轉換和裝置通信。通過“功能插件”可獲得強大的擴展功能，實現即插即用。

間隔層可由就地各變電所，劃分成變電所（一）、變電所（二）、變電所（三）、變電所（四）等子站構成。在站控層網絡失效的情況下，間隔層須能獨立完成間隔層的監測和斷路器的就地控制功能。其中保護測控裝置、通訊管理機通過以太網口直接接入系統雙網。（圖1）

二、電力監控系統功能設計

電力監控系統需要充分考慮電力設備自動化系統的各中應用需求，采用一體化設計，構建開放、強大的集成化平臺，實現系統配置管理、實時數據庫管理、網絡通訊管理、圖像管理、權限管理、告警服務、報表功能、一體化五防、操作票管理、程序化控制、保護信息管理、WEB信息發布、操作員仿真培訓等數據中心電力設備日常運維所需功能。具體功能設計如下：

1）具備程序化操作功能：可在監控室監控平臺上實現對開關柜的自定義操作控制。

2）具備OPC接口及開放相關協議，實現與數據中心其它系統連接。

3）監控系統軟件應包括但不限于操作系統、數據庫、支撐軟件、應用軟件等所有必備軟件。

4）顯示畫面：包括主接線圖、設備分畫面、實時狀態參數、保護信息、報警信息等，其中接線圖中的帶電設備須具有顏色標識。

5）數據采集與處理：模擬量主要包括電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度、溫度等；開關量包括開關位置、事故信號和預告信號、自動裝置投入及退出信號、開關當地/遠動操作位置信號、變壓器溫度報警信號、超溫跳閘信號等；事件信號包括開關狀態的變位、綜合保護裝置動作信號、控制操作及操作后狀態變化等以及事件發生的時刻、事件性質和名稱。

6）操作控制功能：提供完備的操作控制功能，包括遙控、遙調、保護壓板投退、保護定值整定、信號復歸等。同時控制支持閉鎖功能。

7）報警處理：報警應能分層、分級、分類處理，起到事件的過濾作用，能現場自定義配置報警的處理方式。設置預告信號和事故信號，并產生不同的音響報警及閃光，自動推出相應畫面，對應事故、故障設備的圖形發生閃動變位，窗口提示事件內容及處理指導。報警信號可在監控主機上人工確認復歸。報警同時啟動事件打印輸出功能。

8）事故追憶及顯示畫面：動作發生時，系統自動啟動相關的測量數據記錄，供系統進行事故追憶。要求系統可追憶事故前后全站各個間隔的測量數據。并提供曲線、表格等形式選擇想要查看的事故追憶數據。

9）歷史數據存儲：系統主站設有歷史數據庫，記錄實時參數數據、統計數據、變位、報警、操作記錄等，并能保存一年以上。同時支持歷史數據以移動存儲設備方式進行備份。

10）數據報表：能提供功能強大、靈活自如的報表編輯工具。能提供典型報表模板，支持自定義編輯及Excel格式導出。報表可顯示數據包括：各種歷史采樣數據；各種統計值，如最大值、最小值、平均值、峰谷平值等。報表顯示支持數值、曲線、棒圖、餅圖等。

11）能耗管理：按設備、變電所統計顯示能耗情況，同時可實時顯示數據中心PUE值，顯示方式包括折線圖、餅狀圖、柱狀圖等（PUE值=設備總能耗/IT設備能耗）。

12）保護定值修改：監控主機能顯示各線路的保護配置并能對所有保護定值進行設置和修改，也能對各保護功能進行投退，以適應開關所內保護多種運行方式，修改時必須輸入相應密碼才能執行。

13）諧波分析功能：能對電壓、電流諧波分析，奇次、偶次、總諧波越限等多種啟動方式，顯示諧波頻譜圖以及總諧波畸變率等。

14）一體化五防功能：可根據運行要求完成操作票的生成、預演、打印、執行、記錄；對操作口令、操作權限不符的操作具有閉鎖功能，并在屏幕上顯示拒絕執行的原因；操作過程中應能實時、準確采集現場數據，保證與實際一次設備狀態的一致性。

15）安全性管理：系統軟件設置支持多種權限分區和密級設置，為系統管理員、工程師、一般值班操作人員等提供分級密碼，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，可建立良好的反事故措施。

16）系統對時：監控系統配置衛星時鐘設備，以接收GPS的標準授時信號，對站控層各工作站及間隔層各單元等有關設備的時鐘進行校正。

17）WEB瀏覽功能：實現WEB方式實時瀏覽設備狀態、采集參數、報警信息等，并與電力監控系統作正向隔離。

18）聯動功能：通過與視頻監控系統的數據交互，實現視頻聯動；通過與門禁系統的數據交互，實現變電所相關門禁信息查詢。

19）系統滿足如下性能指標：

系統遙信響應時間≤2s

遙測響應時間≤3s

遙控響應時間≤3s

站內事件順序記錄分辨率≤2ms

畫面實時數據更新≤3s

控制操作正確率=100%

遙控動作成功率≥99.99%

系統平均無故障間隔時間（MTBF）≥20000h

三、數據中心自動化控制設計

電力設備自動化控制在傳統的工業領域已經廣泛應用，例如在火電廠，不但提高了電廠的自動化運轉，更加強了其管理，提升了系統可靠性，避免人為誤操作事故等。因此，加強對大型數據中心電力電氣自動化的技術運用，將成為數據中心實現“安全、可靠、節能”運轉的前提之一。以標準的兩段母線分列運行的數據中心為例，自動化控制設計如下：1）數據中心10KV母線電源在市電正常、一路市電斷電、兩路市電斷電工況下開關的自動化切換，其中一期市電進線開關、發電機進線開關、母聯開關分合閘狀態如下：

2）數據中心在10KV母線在兩路市電斷電后，切除所有變壓器出線開關，待應急發電供電時，各變壓器出線開關能分級自動合閘，以便柴油發電機組分階加載，從而實現柴油發電機的正常供電，避免因啟動負荷太大導致油機宕機的事故。

四、智能設備監控需求設計

隨著數據中心的發展，基礎設施設備的數量也在不斷的增加，電力監控系統需將所有設備有效的集中監控起來，實時跟蹤各個設備的狀態，確保數據中心安全、可靠地運行。

1）柴油發電機并機管理系統監控需求：

柴油發電機組電壓、電流、頻率、轉速、有功功率、無功功率、功率因數、機油壓力、水溫、發電機繞組/渦輪溫度、電池電壓、運行小時等運行參數

機組手動/自動、運行/停機/自動/負載試驗等工作狀態

燃油低位、發動機低溫、機油低壓發動機高溫、電池低壓、電池高壓、起動失敗、超速、機油低壓、發動機高溫、發電機電壓過高/低、頻率過高/低、過電流、逆功率、同步失敗、發電機內部相間短路、開關不在自動位告警等報警信號

2）測試負載監控需求：

電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率等參數

手動/自動、運行/停機等工作狀態

系統短路、風機故障、高溫故障、急停、過電壓、過電流等報警信號

3）埋地油罐及油泵系統監控需求：

日用油箱和埋地油罐油位顯示、液位報警和油溫

供油泵工作和故障狀態等信息

4）UPS不間斷電源監控需求：

輸入電壓/電流/功率、輸出電壓/電流/功率、電池電壓、THD、UPS運行狀態以

過流/過壓/過溫報警等信號

5）UPS蓄電池組巡檢儀監控需求：

電池電壓、溫度、充放電電流等參數及報警信號

6）直流屏監控需求：

輸入輸出電壓、電池電壓/電流等參數

過/欠壓、絕緣下降等報警信號

浮充、均充運行狀態

7）變壓器監控需求：實時監測溫度、報警信號等。

8）空調監控需求：實時監測溫度、濕度、運行/停機狀態、報警信號等。

9）電容補償柜監控需求：實時監測電流、功率、功率因數、溫度、報警信號等。

10）低壓智能儀表監控需求：實時監測每一回路的電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、有功電度、無功電度等。

五、結束語

數據中心電力監控系統采用自動化控制技術是傳統數據中心監控系統的重大變革，其技術水平將不斷提高，監控網絡結構也在不斷地改進。應在滿足運維需求的條件下，不斷開拓設計思路，運用新原理、新技術，優化設備工藝，以滿足數據中心不斷發展的需求。

參 考 文 獻

[1]黃益莊. 變電站綜合自動化技術 中國電力出版社

[2]秦建華. 變電站綜合自動化系統通信網絡技術的研究和應用 四川大學

[3]金午橋. 變電站自動化系統的發展策略 電力系統自動化

[4]GB50062-92 《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》

[5]DL5003-91 《電力系統高度自動化設計技術規程》