某數據中心柴油發電機組并機異常的原因分析

尹國強

（中國民用航空華北地區空中交通管理局，北京 100000）

0 引 言

柴油發電機組是數據中心必備的應急電源。當市電發生斷電時，發電機組立即啟動，通過ATS轉換開關將發電機輸出電源切換至供配電系統，以便繼續為后端負載供電。作為應急電源，整個柴油發電機組系統一直設置在自動模式下。如果發電機組出現故障，將失去作為應急電源的意義。近期電力維護人員在試機時出現機組并機異常情況，因此將重點對此問題進行分析。

1 柴油發電機組系統

某數據中心的柴油發電機組系統由3臺低壓柴油發電機、3個MDEC控制器、1個并機控制柜、4個A600控制器和6個框架式斷路器組成。柴油發動機型號為MTU 12 V 4000，發電機使用利萊森瑪自勵同步交流發電機。整套發電機系統是在2002年完成組裝的，當時由于受到技術上的限制，控制系統無法進行軟件編程與更新。現在控制器硬件明顯老化，市場上已無備件。

2 柴油發電機組控制器

MDEC是一個用于柴油發動機控制、采用CAN總線通信的電子控制器，由1個電子控制模塊、12個單體噴油器和各機械部分的傳感器組成。MDEC具有共軌式電控燃油噴射控制功能，可以實現對發動機的恒定轉速控制，即發電機的負載在瞬間增大或減小時，輸出頻率（轉速）保持一定（穩態）。

A600控制器是一個具有調節轉速與電壓、同步與并機、功率分配、電氣保護以及電氣測量功能的完整系統。內部各模塊間通過CAN bus總線系統連接。

MDEC與A600具體位置如圖1所示。

圖1 MDEC與A600的具體位置

3 發電機組并機原理

在設備出廠前，工程師已經對機組做好各項測試和參數設定，如轉速額定值為1 500 r/s（50 Hz）、電壓額定值為400 V。在自動模式下啟動發電機組時，機組的頻率、電壓達到同步，由鎖相環電路自動調整各機組的相位至同步后實現正常并機。

整套發電機組配置原理如圖2所示。

將3臺機組的A600控制器設置在自動模式。并機控制柜的A600內置市電檢測模塊，在接收到來自ATS的市電斷電信號后，由RS-485總線互聯到3臺機組的A600內置處理器進行計算。各機組滿足啟動條件后分別啟動，A600發出信號至MDEC電子控制模塊和自動電壓調節器（AVR），及時調節轉速和電壓。先到達額定輸出標準的機組，并機斷路器會自動合閘投入母排，此臺機組便作為主機運行，后面兩臺機組通過母排采集器獲得母排的頻率信號和電壓信號，以便機組及時跟蹤主機輸出。誰先與母排上的頻率和電壓同步，誰先并入母排。機組的并機執行器是框架式斷路器，由A600控制它的合閘與分閘。3臺機組都通過并機斷路器與母排連接。整個測試時間10 min，正常情況下未并入母排的機組運行4 min后自動停機，即并機系統的運行方式為“兩用一備”。

如圖2所示，機組母排并沒有直接與ATS連接，而是通過并機控制柜的A600控制MCB1、MCB2、MCB3的分合閘，最后輸出到ATS端。也就是說，并機控制柜起到一個二次保護的作用，每個A600控制各自的斷路器。

4 并機異常情況

在自動模式下啟機時，異常情況分為兩種。

（1）只有1#機投入母排，并機控制柜內只有MCB1閉合。ACB1閉合前，1#機頻率為50 Hz；ACB1閉合后，頻率下降至49 Hz。2#、3#機控制屏顯示“No Sync Of Genset Departure Shutdown”（發電機不同步，離線），蜂鳴器響起。60 s后，2#、3#機自動停機，屏幕右側報警指示燈“Genset Unavailable In Auto”（未在自動狀態）常亮，電氣鎖死，無法再次啟動。按下復位鍵后，2#、3#機恢復正常。

（2）2#、3#機投入母排。1#機的頻率下降至49 Hz，控制屏顯示“No Sync Of Genset Departure Shutdown”，蜂鳴器響起。60 s后，1#機自動停機，屏幕右側報警指示燈“Genset Unavailable In Auto”常亮，電氣鎖死，無法再次啟動。按下復位鍵后，1#機恢復正常。

圖2 應急發電機組并機系統原理圖

5 原因分析

每年春秋兩次換季維護，電力維護人員會對MTU發動機進行檢修。目前，MTU發動機的各機械組件完全正常。檢查4臺A600控制器的內部組件，包括24 V信號輸入和輸出模塊指示燈狀態、接線端子固定程度、輸出繼電器、熱保險、控制器電源輸入開關、外接信號線纜，結果顯示均正常。

自動模式下，1#機率先投入母排，其頻率下降至49 Hz，而頻率的正常范圍49.8～50.1 Hz。1#機除了頻率以外，其他數據均正常。由于2#、3#機的頻率始終在正常范圍內，無法使頻率與1#機同步，所以ACB2、ACB3作為保護隔離而未閉合，故無法并入母排。并機控制柜的A600通過RS-485總線收集各臺機組的運行數據，由于只有一臺機組投入母排，系統程序為防止機組過載運行，故只閉合MCB1。

2#、3#機其中的任一臺先投入母排時，1#機頻率將下降至49 Hz，無法自動調節頻率至正常范圍內，致使1#機出現不同步報警，說明1#機的并機調速功能出現問題，而另一臺達到同步并入母排。2臺機組投入運行正是系統程序的優先級，故并機控制柜內3個斷路器全部閉合。這兩種情況說明4個A600之間通信功能正常，所有框架式斷路器機械功能正常。

將3臺機組設置在手動模式，此模式下無法實現并機功能。分別手動啟動各臺發電機，控制屏顯示各項數據都在正常范圍內，說明3臺發電機整體機械功能正常。

經過反復啟機測試，最終得出結論：1#機A600的母排頻率采集信號電路出現故障，即A/D轉換器故障，50 Hz的電壓信號轉換成錯誤的49 Hz數字頻率信號。

自動模式下，A600并機調速系統如圖3所示。

1#機率先達到額定輸出，ACB1閉合前，作為標準給定值的母排頻率采集信號因為沒有發送到鎖相環電路，所以未產生差值信號至A600處理器，1#機的頻率保持在正常范圍內。ACB1閉合后，母排頻率采集模塊轉換后的錯誤數字頻率信號發送到鎖相環電路，經過運算后發送錯誤的差值信號至A600處理器，A600處理器進行計算后便發送信號至MDEC，使得1#機的頻率下降至49 Hz。在母排頻率逐漸下降的過程中，2#、3#機的鎖相環電路采集的母排頻率信號已經超出發電機組設置的頻率正常范圍，故停止跟蹤母排頻率，不并機運行，最終只有1#機獨自投入母排運行。

圖3 自動模式下A600并機調速系統

2#、3#機投入母排時，1#機的鎖相環電路經運算后發送錯誤的差值信號至A600處理器，使得1#機的頻率下降至49 Hz。

6 解決方案

因為A600控制器早已經被淘汰，市場上沒有相關的備件，所以現行的辦法是將1#機手動退出并保護鎖死，2#、3#機仍然處于自動模式，以保證發電機組的正常啟動。

最好的解決辦法是更換新的控制器。新一代的控制器已經完全具備編程功能，處理器內置PC端口，可以根據用戶需要，隨時修改與更新程序。一個控制器可以控制3臺機組、6個斷路器。這樣既便于維護與管理，又節約了工程預算。如果條件允許，還可以配置另一個控制器，實現主備同時運行，當主用控制器故障時可以及時切換至備用控制器。

7 結 論

柴油發電機組雖為備用，但日常維護工作必不可少。所以，要盡量選擇具有良好兼容性和可維護性的配套設備，以便將來可以及時更新軟硬件系統。