10 kV柴油發電機并機系統及控制邏輯

李 凱

(上海建筑設計研究院有限公司,上海 200041)

0 引 言

目前,數據中心項目的建設規模越來越大,對整個供配電系統的可靠性、安全性帶來更大挑戰。柴油發電機作為數據中心的后備電源,在市電故障情況下使柴油發電機更安全、可靠、節能的運行方式投入到整個供電系統中,為保證數據中心正常運行提供更有效的保障[1-3]。此時,設置一套安全、可靠、高效的柴油發電機并機控制系統是非常重要的。

本文結合某數據中心項目,經過項目現場實際測試,簡述了10 kV柴油發電機并機系統及控制邏輯。

1 現行標準在數據中心項目對柴油發電機的規定

(1) 國家標準GB 50174—2017《數據中心設計規范》。后備柴油發電機組的性能等級不應低于G3級,A級數據中心發電機組應連續和不限時運行,發電機組的輸出功率應滿足數據中心最大平均負荷的需要。柴油發電機配置需滿足N+X冗余。

(2) 國際標準ANSI/TIA-942-A—2017《數據中心電信基礎設施標準》。各級別柴油發電機規格:級別1、2,大小僅能滿足計算機和電信系統中電和機械的需要;級別3,需滿足計算機和電信系統中電和機械的需要+1備用;級別4,全部建筑物負荷+1備用。

(3) 國際標準《Data Center Site Infrastructure Tier Standard:Topology》Uptime Institute 2018。TierⅢ和Tier Ⅳ引擎式發電機系統,應符合可并行維護的和/或容錯性能確認測試。TierⅢ和TierⅣ機房的引擎式發電機系統在負載滿足”N”要求時,不應存在連續運營時數限制。在滿足“N”要求時存在連續操作時數限制的引擎式發電機適用于TierⅠ或TierⅡ。

2 項目概況

該項目數據中心按A級機房標準設計,并采用TierⅢ標準,柴油發電機按N+1配置。項目包括綜合配套A和B樓、數據中心C樓、數據中心D樓、35/10.5 kV總降壓站E樓、補水泵房F樓、地下室U樓、柴油發電機房G樓。數據中心C樓設有IT機柜1 192臺,D樓設有IT機柜1 311臺,IT設備用電總容量為10 038 kW,其他設備用電容量為9 700 kW。

采用35 kV雙重電源供電,在35/10.5 kV總降壓站E樓內設2臺SCZ13-35/10.5 kV-20 MVA干式變壓器;在柴油發電機房G樓內設置12臺10 kV柴油發電機(G3級/1 800 kW/COP),當兩路市電失電的情況下,可帶全部負荷。變電所分布及裝機容量如表1所示,裝機容量24.25 MVA,最大需量19.90 MVA。

表1 變電所分布及裝機容量

3 10 kV柴油發電機并機系統及市電故障后的起動及切換邏輯

3.1 柴油發電機并機系統

該項目柴油發電機房G樓內設12臺(11用1備)10 kV柴油發電機(G3級/1 800 kW/COP)柴油發電機,配置滿足N+1冗余,采用雙母線并機運行系統,兩段并機母線互為熱備,當任意一路并機母線故障時,切斷該母線上的所有的中壓斷路器,由另一路母線帶全部負荷。在G樓內設并機控制室A/B,兩個并機控制室內分別設置一套10 kV柴油機并機配電柜、并機控制柜、接地控制柜等,配置滿足2N冗余。

供電架構系統示意圖如圖1所示。

圖1 供電架構系統示意圖

3.2 兩路市電故障后,柴油發電機起動及控制邏輯

柴油發電機A路并機母線PSG-A上共有A14～A18共5路輸出回路;柴油發電機B路并機母線PSG-B上有B14～B18共5路輸出回路。

柴油發電機并機輸出回路編號如表2所示。

表2 柴油發電機并機輸出回路編號

(1) A14連接的A路10 kV母線為BUS-A1,B14的連接B路10 kV母線為BUS-B1。當A路10 kV母線BUS-A1的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),同時當B路10 kV母線BUS-B1的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

(2) A15連接的A路10 kV母線為BUS-A2,B15連接的B路10 kV母線為BUS-B2。當A路10 kV母線BUS-A2的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),同時當B路10 kV母線BUS-B2的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

(3) A16連接的A路10 kV母線為BUS-A3,由于地下室10/0.4 kV公用配變電所10 kV側無母聯,柴油發電機起動信號取自低壓側市電進線開關及母聯開關。當BUS-A3配出的變壓器側的低壓進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上低壓母聯開關不閉合(開關發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

(4) B16連接的B路10 kV母線為BUS-B3,由于地下室10/0.4 kV公用配變電所10 kV側無母聯,柴油發電機起動信號取自低壓側市電進線開關及母聯開關。當BUS-B3配出的變壓器側的低壓進線開關斷開(開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上低壓母聯開關不閉合(開關發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

(5) A17連接的A路10 kV母線為BUS-A4,B17連接的B路10 kV母線為BUS-B4。當A路10 kV母線BUS-A4的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),同時當B路10 kV母線BUS-B4的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

(6) A18連接的A路10 kV母線為BUS-A5,B18連接的B路10 kV母線為BUS-B5。當A路10 kV母線BUS-A5的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),同時當B路10 kV母線BUS-B5的市電進線開關斷開(市電開關即發出報警信號,開關輔助觸點狀態:NO變成NC),加上市電進線開關柜里的PT失電(市電進線開關柜即發出報警信號,輔助觸點狀態:NO變成NC),延時15 s(可調)柴油發電機組起動。

以上6個條件只要滿足其中一個,柴油發電機組立即起動。控制關系為哪個通路失敗,閉合那路輸出饋電開關。在以上6個狀態下,其中任何一個輔助觸點由NC變為NO,發電機控制系統中的發動機起動信號將被撤銷,并執行以下步驟:① 發電機組將繼續運行并為發電機控制系統的總線供電;② 遠程轉換開關手動轉移到市電;③ 一旦所有負載傳輸到市電電源,在并機控制顯示屏上使用手動控制來跳閘和停止發電機;④ 所有發電機脫機后,系統控制PLC自動打開真空接觸器。

3.3 并機控制:

該項目設置2套并機控制系統,采用2N系統配置冗余,同時運行,互為熱備。當任一并機控制主機或線路故障時,均不影響并機系統的正常運行。

每1臺發電機組配置1個總負荷開關(手動)和2個分路中壓斷路器。并機均衡控制器安裝在12臺發電機主路負荷開關柜內。在PSG-A的12臺發電機并機輸入柜內安裝12個同步控制器,同樣在PSG-B的12臺發電機并機輸入柜內安裝12個同步控制器。其控制原理:當發電機組起動后,若手動選PSG-A先進行同步,其控制先進行PSG-A上的同步,然后同步后閉合PSG-A上的12臺發電機并機輸入斷路器,然后PSG-B的同步進行跟隨,同時閉合PSG-B上的12臺發電機并機輸入斷路器,形成并機母線A和母線B上的電源雙活的控制。

在PSG-A和PSG-B的所有柴油發電機斷路器的輸入口和饋電斷路器的輸出口配置了接地CT,如果PSG-A上的母排發生短路,只能切斷PSG-A上的開關,不能影響PSG-B上的供電。同樣,如果PSG-B上的母排發生短路,只能切斷PSG-B上的斷路器,不能影響PSG-A上的供電。

一臺機組故障也只能影響連接的2個通道,切斷A、B通道上的斷路器,不能影響其他機組的運行和其他通道上的斷路器。

3.4 NGR接地柜控制

12臺柴油發電機組配置NGR-A和NGR-B 2套接地柜,每臺柴油發電機的工作接地電纜均接入該兩臺接地柜,可手動選擇其中一套NGR為主,另一套為輔。每套接地柜可顯示工作狀態如下:接地電阻斷開故障信號,接地故障信號,手動/自動狀態,12個接觸器的狀態。

當2套接地柜都選為自動狀態下,NGR-A和NGR-B是冗余關系,互為熱備。如果其中出現一個電阻斷開故障,則MCP把NGR-A(故障)轉換到NGR-B(正常)上,或把NGR-B(故障)轉換到NGR-A(正常)上。如果第一臺機組同步后閉合其輸入開關,同時把第一臺NGR-A機組的真空接觸器閉合。其他接地電阻柜的真空接觸器保持常開狀態,如果在線的真空接觸器脫扣或其他在線開關斷開,再閉合余下的其中一個真空接觸器,即接地電阻接觸器按照單點接地控制,所有的24個接觸器在任何時候只有一個接觸器閉合進行單點接地保護。

4 結 語

柴油發電機作為數據中心的整個供電系統中最后一道用電保障,其一套安全、可靠、高效的并機控制系統和控制邏輯可使柴油發電機組更加有效運行,為數據中心的正常運行提供更有效的保障。本項目柴油發電機采用雙母線并機系統,與常規的單母線并機系統對比,雙母線并機系統的并機母線及并機控制等相關系統,均采用2N配置。當任一并機母線、并機控制等相關系統故障,均不影響系統的正常運行。該并機系統的建設成本相對較高,而且并機及控制邏輯相對復雜,對運維人員的技術要求也更高,在實際的工程設計中需結合項目特性及業主需求等因素,來制定合理供電架構及系統運行方案。