供配電系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心智慧運維的應用探討

江 峰， 趙祎晨， 黃浩然

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的核心系統(tǒng)，承擔著數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有設備的電力支持。近些年隨著數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模的不斷擴大，供配電系統(tǒng)涉及到的設施種類和設備數(shù)量不斷增多，以及政策、規(guī)范、標準對數(shù)據(jù)中心在節(jié)能環(huán)保等方面的高標準要求，大大增加了數(shù)據(jù)中心運維人員的工作復雜程度。如何提高運維效率和降低能耗，優(yōu)化運維模式已成為數(shù)據(jù)中心行業(yè)亟待解決的問題。在此背景下，供配電系統(tǒng)智慧化應用成為本文探討的重點。

1 供配電系統(tǒng)運維模式的發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)運維模式

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)運維模式，大致可分為兩個階段。第一階段為人工運維階段，大致在上世紀90年代，我國數(shù)據(jù)機房的建設隨著信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初見雛形。但受當時機房規(guī)模及技術發(fā)展的限制，機房的供配電系統(tǒng)多以0.4kV低壓配電系統(tǒng)為主，系統(tǒng)架構主要是以機房能夠達到7×24h正常運行為目的進行搭建，滿足機房基本運行需求的同時，也造成了機房供配電系統(tǒng)設備占地面積大，各子系統(tǒng)間割裂且復雜。機房供配電系統(tǒng)的運維人員需具備嚴格的專業(yè)性，通常采用的方式是專業(yè)人員一天內(nèi)24h連續(xù)性值班管理，依靠專業(yè)人員現(xiàn)場巡視、人工記錄配電設備的信息，基本不具備技術手段，也未能建立起成熟的運維管理流程。

第二階段為自動運維階段，機房建設規(guī)模逐漸向大中型數(shù)據(jù)中心過渡，數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要包含中壓配電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)(以柴油發(fā)電機組系統(tǒng)為主)、低壓配電系統(tǒng)、不間斷電源配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)僅僅依靠專業(yè)人員的人工運維方式已不能夠滿足可靠性和時效性要求。新建的供配電各子系統(tǒng)配備遙測、遙控模塊，建立集中式的遠程監(jiān)測平臺，制定了應急事件的標準管理流程。

目前國內(nèi)大部分數(shù)據(jù)中心運維均處在此階段，運維管理在流程化、平臺化、可視化方面有了很大的提升，但仍然面臨著系統(tǒng)預判性較差、故障難以定位、安裝調(diào)試復雜、運行中的操控安全性難以得到保障、系統(tǒng)節(jié)能性亟待進一步優(yōu)化等等一系列問題。

1.2 智慧運維模式

新一代的數(shù)據(jù)中心智慧運維模式利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術，通過數(shù)學建模、人工智能自助學習等手段，將人、技術、流程、數(shù)據(jù)四個要素有機融合，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心運維管理的智慧化。

供配電系統(tǒng)的智慧化運維，要求設備采用開放式、易于擴展的體系架構。供配電系統(tǒng)中的設備均可進行數(shù)字化升級迭代，在整體的架構上，分為云端應用層、控制系統(tǒng)層、網(wǎng)絡通訊層和現(xiàn)場設備層。配電系統(tǒng)智慧運維系統(tǒng)架構如圖1所示，不同的層級最終功能可按照不同需求進行靈活配置來實現(xiàn)。

圖1 配電系統(tǒng)智慧運維系統(tǒng)架構圖

2 供配電系統(tǒng)運維智慧化的應用

現(xiàn)場設備層作為支撐供配電系統(tǒng)智慧化運維的關鍵部分，除了應與其他環(huán)節(jié)之間進行有效銜接和融合外，系統(tǒng)所配置的設備平臺在滿足各環(huán)節(jié)基本功能要求的基礎上，還需要達到便于安裝調(diào)試、數(shù)據(jù)采集管理、監(jiān)測預判診斷、綠色節(jié)能環(huán)保等智慧運維的需求。下面以智能變配電系統(tǒng)和中壓電源自動控制系統(tǒng)為例做簡要分析。

2.1 智能變配電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心的變配電系統(tǒng)，如高低壓配電設備、UPS以及數(shù)量多且分散布置的末端配電箱，對數(shù)據(jù)中心運維工作提出了很大的挑戰(zhàn)，運維難度主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)日常巡檢周期性長。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)容量大、設備多，且多為多層配置，變配電房間相對分散，設備巡檢需要消耗大量的人力和時間。(2)變配電系統(tǒng)各子系統(tǒng)數(shù)量多，監(jiān)測功能單一、系統(tǒng)間聯(lián)系性不足。(3)無法提前預警或診斷變配電系統(tǒng)各元器件的運行狀態(tài)，運行隱患不能及早發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)機房投產(chǎn)使用后，運維人員很難利用人工手段判斷系統(tǒng)設備的健康狀態(tài)，無法利用提前預警方式來提高供配電系統(tǒng)的可靠性。(4)故障發(fā)生后無法快速進行故障診斷和故障恢復。傳統(tǒng)的供配電系統(tǒng)，因缺少必要的設備數(shù)據(jù)監(jiān)測采集監(jiān)控系統(tǒng)，故障發(fā)生時需要人工調(diào)試分析，故障排除的時間較長且影響系統(tǒng)的可靠性。(5)備件不能結合現(xiàn)場供配電系統(tǒng)設備實際運行狀況配置。傳統(tǒng)的配電設備備件管理，通常按照運維經(jīng)驗及人工維修記錄進行準備，無法做到與系統(tǒng)實際需求相匹配。

因此，智能變配電系統(tǒng)應該是采用嵌入式人工智能技術有機集成和融合多種智能組件和數(shù)字化功能，除具備傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)功能外，還具有遠程調(diào)度、設備老化分析、故障快速診斷、設備資產(chǎn)管理等功能。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)實現(xiàn)智慧運維，需要整體配置智能化的硬件設備，并利用智能監(jiān)控系統(tǒng)集成到統(tǒng)一平臺，從市政電纜進戶到終端用電設備均需實現(xiàn)智能化，即智能中低壓斷路器、智能干式變壓器、智能ATS開關、智能配電母線、智能列頭柜等，智能變配電系統(tǒng)設備內(nèi)部均嵌入傳感器及無線通信技術，通過嵌入式系統(tǒng)方式打通設備間的“感官系統(tǒng)”，從而實現(xiàn)設備的在線實時數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測和運行特性，利用數(shù)據(jù)庫內(nèi)參數(shù)進行對比分析，及時有效地收集各點數(shù)據(jù)進行分析總結，預判潛在故障并發(fā)出報警，自動評估運行設備的健康狀態(tài)。

智能配電系統(tǒng)架構包括設備運行層、網(wǎng)絡監(jiān)控層和應用管理層，通過將電力監(jiān)控等系統(tǒng)的功能進行整合，對運行數(shù)據(jù)進行實時采集后進行分析對比總結，可制定可行的節(jié)能方案，為運維實現(xiàn)智慧化提供了有力的保障。

2.2 中壓電源自動控制系統(tǒng)

目前國內(nèi)大型或超大型數(shù)據(jù)中心中壓系統(tǒng)均采用多電源系統(tǒng)供電。圖2為A級數(shù)據(jù)中心中壓系統(tǒng)常規(guī)系統(tǒng)架構(油機采用單母線并機方式)。

圖2 A級數(shù)據(jù)中心中壓系統(tǒng)架構圖

中壓系統(tǒng)運行要求具體包括：(1)正常運行時，兩路市電電源投入供電，主母線采用單母線分段運行，母聯(lián)開關與兩路油機進線開關處于分閘位置。(2)兩路市電其中任何一路市電電源失電時，斷開故障電源開關，母聯(lián)開關閉合，由另外一路市電電源供電。(3)兩路市電均失電時，兩路市電電源開關、母聯(lián)開關均斷開，油機具備帶載能力后，負載側中壓開關切除后依次閉合，兩路油機電源開關閉合各帶一段主母線運行。(4)兩路市電均失電時，且其中的一路油機電源開關無法閉合時，負載側中壓開關切除后依次閉合，母聯(lián)開關和油機的另外一路電源開關閉合向負載側供電。(5)任何一路市電恢復供電后，油機退出，母聯(lián)開關閉合，由該路市電電源供電。(6)兩路市電均恢復供電時，恢復正常運行模式。

不同于低壓配電系統(tǒng)，中壓配電系統(tǒng)要實現(xiàn)整個中壓系統(tǒng)的自動切換，不能僅僅依靠信號作為自動分合閘的邏輯判斷，需要做好完善的自投、自復、聯(lián)鎖等等邏輯判斷和系統(tǒng)性問題。由圖2可以看出，要完成以上中壓系統(tǒng)的投切要求，需要對20～30個中壓開關進行控制，受技術發(fā)展的限制，較早投入運行的大型或超大型數(shù)據(jù)中心多采用微機綜合保護裝置搭接或可編程邏輯控制器來完成。

無論是微機綜合保護裝置還是可編程邏輯控制器，在實現(xiàn)復雜的自投自復邏輯動作時，都需要大量的硬件設備和接線支持邏輯編程的功能實現(xiàn)。以其中一個狀態(tài)點為例，兩路油機線路分別承擔兩個主母線負載時，母聯(lián)開關處在分閘狀態(tài)，當其中一路市電恢復后，按中壓系統(tǒng)的運行要求，需要恢復到一路市電供電方式，此時自復邏輯的完成需要現(xiàn)場多個控制器和復雜的邏輯程序來實現(xiàn)，出現(xiàn)錯誤的概率自然會變大，而且系統(tǒng)復雜，運維人員很難第一時間對故障點做出準確判斷。除此以外，因中壓油機對負載的突加或者突減有相應的性能要求，需要對負載開關做順序的投切。通常饋線開關數(shù)量在10個左右，也會加大系統(tǒng)邏輯判斷的難度，自然也加大了運維人員的工作難度。

中壓電源自動控制系統(tǒng)以電力系統(tǒng)自動化領域唯一的全球通用標準IEC 61850的通信標準為基礎，將控制程序預制到系統(tǒng)的自動投切控制裝置中，通過GOOSE協(xié)議傳送機制，為繼電保護裝置發(fā)送設備間保護功能判斷，開關分合閘、設備間閉鎖等信號，對中壓開關進行一體化管理。中壓電源自動控制系統(tǒng)常用的系統(tǒng)架構見圖3～4。

圖3 中壓電源自動控制系統(tǒng)環(huán)形架構圖

圖4 中壓電源自動控制系統(tǒng)放射式架構圖

中壓電源自動控制系統(tǒng)通過預制化、流程化、標準化的模型手段，使中壓系統(tǒng)二次設備之間在操作性、邏輯性、開放性、擴展性等方面體現(xiàn)出非常高的智慧性，很好地實現(xiàn)了如邏輯判斷、開關分合閘等信號的實施監(jiān)測和變位信息的快速傳輸。中壓電源自動控制系統(tǒng)與可編程邏輯控制器在運行管理維護等方面的性能分析詳見表1。

中壓電源自動控制系統(tǒng)與可編程邏輯控制器性能分析 表1

由上文可知，大中型數(shù)據(jù)中心變配電系統(tǒng)一次設備通常采用2N系統(tǒng)架構，在正常供電的情況下，智能變配電系統(tǒng)可隨時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)的容錯能力很強。但在電源側出現(xiàn)N-1故障后，系統(tǒng)需要倒閘操作時，二次設備的潛在通訊故障就會成為薄弱環(huán)節(jié)。中壓電源自動控制系統(tǒng)除表1所示的特點外，還具備維護數(shù)字化、運行仿真化等特點，邏輯信號可24h在線監(jiān)視，在線設備可進行模擬仿真測試，有效地自動預防系統(tǒng)故障的發(fā)生，為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的智慧化運維提供了可行的技術支持。

3 供配電系統(tǒng)智慧運維對“雙碳”政策的意義

2020年，政府工作會議中明確指出做好“雙碳”工作是未來工作重點任務之一。電力系統(tǒng)相關部門也明確指出，爭取2025年左右率先實現(xiàn)碳達峰，在2030～2050年實現(xiàn)近零排放，力爭逐步實現(xiàn)2060年前“碳中和”目標。數(shù)據(jù)中心作為用電大戶，在其全生命周期的各個環(huán)節(jié)當中都亟待提高電力資源利用效率。在新建數(shù)據(jù)中心期間，在保證安全可靠的前提下，可以利用優(yōu)化設計方案的方式降低電力損耗。但無論是新建還是既有的數(shù)據(jù)中心，在其運行階段采用合理的運維管理至關重要。

目前針對能耗管理，國際上通常采用PUE作為評測數(shù)據(jù)中心能耗效率的一項重要指標。據(jù)我國有關機構對203家數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)計，其年平均PUE約在1.70，投入使用時間在5年以內(nèi)的數(shù)據(jù)中心年平均PUE約在1.40。雖然較早些年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計值有所降低，但與政府部門倡導的1.30以下值仍有些差距。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)實現(xiàn)智慧化運維，通過智能設備大數(shù)據(jù)監(jiān)測分析和預制化控制邏輯，可以對能源利用進行統(tǒng)籌調(diào)度和智能管理，實現(xiàn)錯峰用電管理，系統(tǒng)自動判斷電力波谷期，自動開啟數(shù)據(jù)中心儲能充電機制。智能設備對數(shù)據(jù)中心的供電質(zhì)量、斷電時間、斷電時長、斷電次數(shù)的采集和分析，通過系統(tǒng)的設備運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預判斷功能，形成日常供電報告，結合電源自動控制系統(tǒng)，由人工模式轉為自動模式，在保障生產(chǎn)正常運行的基礎上，達到合理配置資源的目的。

4 結束語