數據中心柴油發電機電源切換邏輯探討

李益惠, 葉麗娟

(中國建筑設計研究院有限公司, 北京 100044)

0 引 言

依據標準GB 50174—2017《數據中心設計規范》[1],A級數據中心應由雙重電源供電,并應設置備用電源。雙重電源互為備用,平時負載率一般不超過50%,為了避免對市電資源的“占而不用”,備用電源通常不會選擇另設專用饋電線路,而是采用獨立于市電系統的自備柴油發電機組。另外,Uptime Institute(數據中心標準機構)認為對于數據中心,來自建筑紅線以外的公用市政設施(市電等)均不是可靠的服務供應,因此國內大型數據中心如要滿足Uptime Tier等級要求,柴油發電機系統的設置為一個“必選項”[2]。

與普通民用建筑相比,數據中心供配電系統架構更復雜。Uptime Institute Tier Ⅳ等級的必要條件之一是:基礎設施控制系統可自動響應故障,同時維持關鍵環境。市電失去后,在UPS后備15 min時間內需完成市電和柴油發電機電源切換,實現柴油發電機電源正常帶載。因此,為保證復雜數據中心的高可靠性,有必要在設計施工階段對電源切換操作流程進行預設[3-6]。

1 數據中心負載特性

數據中心主要負載為IT機柜、空調系統、建筑功能性負荷等。空調系統包括冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、末端精密空調等制冷設備。建筑功能性負荷為照明、普通風機和消防等。其中,IT機柜和空調系統所占比重為80%～90%,為柴油發電機的重點保障對象[7-8]。

IT負載等開關型設備、UPS設備在運行中呈容性狀態,而動力設備為數據中心主要的感性負載,但通常數據中心PUE小于2,感性負載小于容性負載。為降低電網電能損耗,在變壓器低壓側設置無功補償,補償電容器的投入進一步加大容性電流產生的可能性;IT負載、蓄電池充電設備、UPS、變頻動力設備等非線性負載在運行中也會產生大量諧波。當柴油發電機作為供電電源時,超前的負載功率因數及大量諧波電流有可能導致柴油發電機過熱、輸出過壓和輸出功率下降,甚至自保護停機。因此,除適當增大柴油發電機容量外,在切換柴油發電機電源時可采取負載分步投入、先感性負載后容性負載的投切思路,避免柴油發電機受容性大電流沖擊而被拉垮。

2 供電架構

兩路相對獨立的10 kV市電供電數據中心典型供電架構如圖1所示。兩路10 kV市電進線A、B和兩路備用電源柴油發電機進線分別通過主進斷路器QF1、QF2、QF3、QF4輸入到兩段10 kV母線,兩段母線間設聯絡開關QF5;由于數據中心A、B路配電分室設置,且母聯的兩側都有可能向另一側供電,在B段10 kV母線上設常閉母聯手動開關QF6,但QF6可不納入自動控制范圍。兩段母線分別以放射式線路向IT變壓器、動力變壓器和10 kV高壓冷機等負載供電。正常運行時,負載由市電供電,當市電失電時由柴油發電機給負載供電。

圖1 兩路相對獨立的10 kV市電供電數據中心典型供電架構

當柴油發電機房不滿足自然進排風條件需要依靠風機強制進排風時,風機電量通常較大,且主要在柴油發電機帶載時啟用,故風機可不使用UPS供電。此時可考慮在柴油發電機并機母線再饋出兩路電源(A路/B路)直供進排風機配電變壓器(動力變壓器),以保證在柴油發電機帶載同時風機可正常啟用,保障柴油發電機正常進排風。

為確保供電系統安全,需通過中壓柜二次側線路將進線、母聯開關進行如下閉鎖。

(1)QF1或QF2合閘時,QF3或QF4不能合閘。

(2)QF3或QF4合閘時,QF1或QF2不能合閘。

(3)QF1、QF2和QF5不能同時合閘,3個開關同時只能合2個。

(4)QF3、QF4和QF5不能同時合閘,3個開關同時只能合2個。

(5)QF31和QF33不能同時合閘,QF32和QF34不能同時合閘。

3 電源切換邏輯

3.1 運行工況

依據供電架構和開關閉鎖邏輯,不同電源情況下的6種運行工況如表1所示。

表1 不同電源情況下的6種運行工況

以上工況中,兩路市電供電為正常工況,當其中一路市電失電時,可通過母聯開關,切換成另一路市電+母聯供電形式,此轉換過程不涉及柴油發電機電源,且饋線斷路器無需動作,流程相對簡單,可由綜合保護裝置完成母聯備自投切換。其余涉及柴油發電機電源的運行工況切換,均建議以PLC控制方式實現。

3.2 PLC控制流程

10 kV自動切換PLC控制系統實現的功能主要有兩部分:一是當兩路市電均失電后,市電和柴油發電機供電的自動切換,以及市電恢復后柴油發電機與市電的自動切換;二是在電源切換過程中負荷的自動投切。圖1中,納入PLC控制的中壓斷路器有QF1～QF5、QF11～QF28、QF31～QF34,共計27個。柴油發電機起動及并機由另一套PLC流程控制,包括油路閥門動作、柴油發電機起動并機以及并機母線段上開關動作等,一般由柴油發電機廠家配套提供。2套PLC邏輯清晰,互不干擾,只在通信上有聯系。

以下對典型工況間的切換進行控制流程說明。

(1)正常運行工況下,兩路市電電源失電、兩路柴油發電機進線供電的系統操作流程。

① 兩路市電失電,延時確定市電失電。

② 斷開QF1、QF2市電進線斷路器,并確認處于分閘狀態,確認母聯斷路器QF5處于分閘狀態。

③ 打開柴油發電機進排風風閥(風閥應由UPS電源供電);確認風閥開啟50%時(滿足柴油發電機啟動的風閥開啟比例需柴油發電機廠家確認),發出柴油發電機起動信號,由柴油發電機并機系統控制柴油發電機完成起動及并機過程。

④ 記憶兩段10kV母線各個饋線斷路器狀態,按先容性負載后感性負載的順序依次斷開兩段母線上所有饋線斷路器;如A段10kV母線斷開順序為QF11、QF13、QF15、QF17、QF19、QF21、QF23、QF25、QF27;切除不被柴油發電機保障的三級負荷或數據機房無關負荷。

⑤ 斷開柴油發電機進排風相關動力變壓器前市電進線斷路器QF31、QF32,閉合柴油發電機電源進線斷路器QF33、QF34。

⑥ 柴油發電機起動且并機完成后,由柴油發電機并機控制系統閉合并機母線上饋線開關(包括10 kV母線供電開關和柴油發電機變壓器專用柴油發電機電源開關)。

⑦ 檢測QF33、QF34電源上口帶電,柴油發電機進排風風機供電變壓器獲得柴油發電機供電;確認風閥全部開啟后,起動柴油發電機強制進排風機。

⑧ 檢測柴油發電機電源供電斷路器QF3、QF4上口帶電,閉合QF3、QF4斷路器,兩段10 kV母線帶電。

⑨ 按順序依次恢復兩段母線上所有饋線斷路器狀態,按先感性負載后容性負載的順序依次閉合被斷開的饋線斷路器;如A段10 kV母線閉合順序為QF27、QF25、QF23、QF21、QF19、QF17、QF15、QF13、QF11。

⑩ 完成市電和柴油發電機電源切換。

(2)兩路柴油發電機供電工況下,兩路市電恢復供電的系統操作流程。

① 延時判斷市電恢復。

② 確認母聯斷路器QF5處于分閘狀態。

③ 確認蓄冷裝置后備供冷時間、UPS后備電池時間可以維持電源轉換期間的需求。

④ 斷開柴油發電機供電斷路器QF3、QF4,并確認處于分閘狀態。

⑤ 閉合市電進線斷路器QF1、QF2,兩段10 kV母線帶電。

⑥ 斷開柴油發電機進排風供電動力變壓器前柴油發電機電源進線斷路器QF33、QF34,閉合市電電源進線斷路器QF31、QF32。

⑦ 加載不被柴油發電機保障的三級負荷或數據機房無關負荷。

⑧ 延時發送柴油發電機停機信號,停柴油發電機強制進排風機,關風閥(風機和風閥應在接到柴油發電機組停止運轉的信號反饋之后關閉)。

⑨ 完成柴油發電機和市電電源切換。

(3)兩路柴油發電機供電工況下,僅A路市電恢復供電的系統操作流程。

① 延時判斷市電恢復。

② 確認母聯斷路器QF5無故障。

③ 確認蓄冷裝置后備供冷時間、UPS后備電池時間可以維持電源轉換期間的需求。

④ 斷開柴油發電機供電斷路器QF3、QF4,并確認處于分閘狀態。

⑤ 確認已切除單路市電無法保障的三級負荷;加載不被柴油發電機保障的二級及以上負荷。

⑥ 確認B路市電斷路器QF2處于分閘狀態,閉合A路市電進線斷路器QF1,閉合母聯斷路器QF5,兩段10 kV母線帶電。

⑦ 斷開柴油發電機進排風相關動力變壓器前柴油發電機電源進線斷路器QF33、QF34,閉合市電電源進線斷路器QF31、QF32。

⑧ 延時發送柴油發電機停機信號,停柴油發電機強制進排風機,關風閥(風機和風閥應在接到柴油發電機組停止運轉的信號反饋之后關閉)。

⑨ 完成柴油發電機和市電電源切換。

以上流程考慮了柴油發電機強制進排風(無自然進排風條件),柴油發電機電源總容量不足(無法保障數據中心全部負荷或存在非數據中心負荷)和單路市電電源容量無法保證三級負荷的問題,如數據中心各類條件均為理想條件,則流程可相應簡化。從理論上,市電為容量無限大系統,因此在市電恢復后,柴油發電機切市電過程中可不再依次斷開閉合饋線斷路器,但同樣要注意低壓側各大型電機(如低壓冷機、大型泵組)的輪起控制,以免多臺設備起動電流疊加引起變壓器低壓側斷路器自保護跳閘。

市電-柴油發電機電源切換控制流程示意圖如圖2所示。

可以粗略推算,兩路市電失電到兩路柴油發電機供電的切換時間,約為210 s,在蓄冷罐和UPS后備時間充足的情況下,兩路柴油發電機供電切回兩路市電供電時間約為35 s,兩路柴油發電機供電切回單路市電供電時間約為35 s。值得注意的是,以上時間僅為電源切換時間,數據中心各個系統的切換仍要考慮非UPS供電動力設備如冷水機組斷電后的自檢重起時間。從起動電源切換流程到所有設備投入正常工作,才是數據中心在電源切換后的真正恢復時間。

4 結 語

本文旨在從設計角度考慮市電和柴油發電機電源切換過程的邏輯合理性,例如,根據柴油發電機自身特性考慮帶載時先加載感性負載后加載容性負載,起動柴油發電機時要考慮進排風風閥動作時間避免柴油發電機自保護停機,柴油發電機電源切回市電時要綜合考慮蓄冷罐充冷情況和UPS電池充電情況,柴油發電機或單路市電總容量有限時要注意非保證負載的提前切除等。鑒于數據中心的復雜性,具體切換邏輯仍需結合數據中心具體情況及業主運維團隊的操作流程進行調整。