數據中心中壓供電系統自動投切實例研究

徐 欽，王定軍，張 倩，張友全

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.中博信息技術研究院有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇通信置業管理有限公司，江蘇 南京 210009；4.中通服網盈科技有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著互聯網經濟發展的影響和數字經濟、新基建等國家政策的支持，我國的數據中心建設連續多年保持高速增長，其供電系統的可靠性要求愈加凸顯；而數據中心集群化、區域化的要求，使得數據中心單體規模越來越大[1]。作為數據中心基礎設施最重要的組成部分，供電系統越來越需要進行自動化、智慧化的管理[2]。

本文對某A級數據中心10 kV中心供電系統進行研究，分析其如何利用不同廠家之間的中壓自動轉換開關（Automatic Transfer Switching，ATS）及備自投母聯系統實現多種場景下多路市電及柴油發電機組之間自投自復的過程。

1 中壓供電系統架構

根據《數據中心設計規范》（GB50174—2017），A級數據中心機房應由雙重電源供電，并應設置備用電源[3]。本案例使用兩段10 kV中壓系統，分別從110 kV變電站不同變壓器段引電，每段10 kV中壓系統中包括進線柜、出線柜、電壓互感器柜（Potential Transformer，PT）柜以及ATS柜（市電進線柜、油機進線柜、ATS控制柜），兩段系統通過中壓母聯相互聯絡，每段10 kV系統通過中壓ATS與柴油發電機組并機出線端切換后輸出。其具體10 kV配電系統架構見圖1。

圖1 某A級數據中心10 kV配電系統架構圖

2 市電掉電或故障的操作序列

（1）進線柜（外市電）、市電進線柜、油機電進線柜、母聯柜，斷路器邏輯說明。

中壓ATS及備自投母聯邏輯概述：在自投自復模式下，中壓進線單路失電及恢復，母聯及饋線等開關動作；兩路先后失電再恢復，母聯、饋線、柴發進線等開關動作。

（2）進線柜（外市電）、市電進線柜、油機電進線柜、母聯柜斷路器間的邏輯關系。斷路器間的邏輯關系如表1所示。

表1 斷路器間的邏輯關系

3 中壓配電系統自動切換工作順序

3.1 任意一路市電失電（復電）工作順序

3.1.1 兩路市電供電，其中一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電（柴發不啟動）

（1）正常運行狀態，市電進線開關QF1、市電進線開關QF2合位，母聯開關QF3分位。

（2）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電， 延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（3）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，延時6 s，園區內110 kV變電站備自投動作，自動合母聯斷路器；

（4）其中任意一路市電（如：市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，如園區內110 kV變電站備自投異常，未自動合母聯斷路器，延時8 s（上述延時6 s基礎，再延時2 s），1號樓10 kV開關站備自投動作，自動合母聯斷路器QF3（QF3合閘判據之一：檢測失電側出線柜斷路器開關量狀態，出線斷路器合閘位≤兩臺--允許合閘，出線斷路器合閘位大于兩臺--終止合閘，需手動恢復供電）。

（5）失電的市電（市電1）母線段，通過備自投母聯帶電，有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

其中任意一路市電（市電2）失電，另一路市電（市電1）有電，邏輯同理。

3.1.2 兩路市電供電，其中一路市電失電（市電1），又恢復供電

（1）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，失電的市電（市電1）進線又恢復供電（QF1下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動分母聯斷路器，延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（2）延時5 s（自備自投動作，自動分母聯斷路器開始計算），備自投動作，自動合市電進線斷路器（QF1）。

（3）有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

兩路市電供電，其中一路市電失電（市電2），又恢復供電，邏輯同理。

3.2 任意一路市電失電，另一路市電也失電時工作順序

其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）也失電（柴發啟動）。

（1）正常運行狀態，市電進線開關QF1、市電進線開關QF2合位，母聯開關QF3分位。

（2）其中任意一路市電（市電1）失電，另一路市電（市電2）有電，失電的市電母線段，通過備自投母聯帶電。此時，若另一路市電（市電2）同時失電，ATS控制柜發出油機啟動信號，延時3 s，備自投動作，自動分市電進線斷路器（QF2）；母聯開關QF3分位；延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（3）中壓ATS控制柜發出油機啟動信號。

（4）延時8 s（時間可調），備自投動作，自動分市電進線斷路器（QF2）、母聯斷路器QF3。

（5）柴油發電機組啟動并機輸入至中壓ATS（QF5/QF7下端電纜帶電），有壓延時30 s，ATS控制柜自動合油機進線斷路器（QF5/QF7），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

其中任意一路市電（市電2）失電，另一路市電（市電1）也失電（柴發啟動），邏輯同理。

3.3 兩路市電失電，任一路市電恢復供電（順序恢復1）

（1）柴發供電狀態，其中任意一路市（市電1）電恢復供電（QF1下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動合市電進線斷路器（QF1），延時3 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（每隔2 s分1臺，逐級減載，每段共4臺出線柜），減載完成后，ATS控制柜自動分油機電進線斷路器（QF5/QF7）。

（2）有壓延時30 s，ATS控制柜自動合市電進線斷路器（QF4），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

（3）市電優先：延時10 s（時間可調），備自投動作，自動合母聯斷路器QF3（QF3合閘判據之一：檢測失電側出線柜斷路器開關量狀態，出線斷路器合閘位≤兩臺--允許合閘，出線斷路器合閘位大于兩臺--終止合閘，需手動恢復供電）。

（4）有壓延時30 s，ATS控制柜自動合市電進線斷路器（QF6），ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

柴發供電狀態，其中任意一路市（市電2）電恢復供電，邏輯同理。

3.4 當兩路市電一路市電帶載后，另一路市電恢復供電（順序恢復2）

（1）第一路市電（市電1）有電，失電的市電（市電2）進線又恢復供電（QF2下端電纜帶電），有壓延時60 s，備自投動作，自動分母聯斷路器，延時2 s，ATS控制柜自動分出線柜斷路器（一次減載完成，每段共4臺出線柜）。

（2）延時5 s（自備自投動作，自動分母聯斷路器開始計算），備自投動作，自動合市電進線斷路器（QF2）。

（3）有壓延時30 s， ATS控制柜自動合出線柜斷路器（每隔2 s合1臺，逐級加載，每段共4臺出線柜）。

當兩路市電一路市電帶載后，另一路市電（市電1）恢復供電，邏輯同理。

4 兩路市電自投自復情景描述

4.1 兩路市電供電，其中一路市電失電，另一路市電有電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電；

（2）2#市電失電，1#市電有電。

4.2 兩路市電供電，其中一路市電失電，又恢復供電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，由2#市電帶全載，1#市電恢復供電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，由1#市電帶全載，2#市電恢復供電。

4.3 兩路市電先后順序失電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯合位，2#市電又失電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯合位，1#市電又失電。

4.4 兩路市電先后順序失電，又陸續恢復供電（4種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯合位，2#市電又失電，1#市電先恢復供電，2#市電再恢復供電；

（2）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯合位，2#市電又失電，2#市電先恢復供電，1#市電再恢復供電；

（3）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯合位，1#市電又失電，1#市電先恢復供電，2#市電再恢復供電；

（4）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯合位，1#市電又失電，2#市電先恢復供電，1#市電再恢復供電。

4.5 兩路市電先后順序失電，同時恢復供電（2種）

（1）1#市電失電，2#市電有電，備自投動作，母聯合位，2#市電又失電，1#市電及2#市電同時恢復供電；

（2）2#市電失電，1#市電有電，備自投動作，母聯合位，1#市電又失電，1#市電及2#市電同時恢復供電。

4.6 兩路市電同時失電（1種）

1#市電、2#市電同時失電。

4.7 兩路市電同時失電，陸續恢復供電（2種）

（1）1#市電、2#市電同時失電，1#市電恢復供電，備自投動作，母聯合位，2#市電又恢復供電；

（2）1#市電、2#市電同時失電，2#市電恢復供電，備自投動作，母聯合位，1#市電又恢復供電。

4.8 兩路市電同時失電，同時恢復供電（1種）

1#市電、2#市電同時失電，1#市電、2#市電同時恢復供電。

5 各級備自投動作時間及油機啟停邏輯

5.1 各級備自投動作時間

（1）園區內110 kV變電站10 kV側為第一級，備自投時間為6 s；1號樓10 kV開關站備自投第二級，備自投時間為8 s；1號樓低壓母聯第三級，備自投時間分別為1樓低壓配電室50 s，2樓低壓配電室60 s，4樓低壓配電室70 s。

（2）備自投投入順序為：第一級＞第二級＞第三級。

5.2 油機啟動/停止邏輯

2路市電同時失電，由ATS發信號油機啟動；當任一路市電來電，由ATS發信號油機停機[4,5]。

6 結 論

數據中心中壓供電系統具備自動投切能力非常重要，一是能快速應對緊急事件的發生，提高系統可靠性；二是減少人員的投入，節約大量的運維人力成本。不同于使用PLC控制器實現各類斷路器分合閘操作的供電系統，本文案例中設計的中壓供電系統采用的是獨立的中壓ATS、備自投母聯，通過對各類場景和運行邏輯的設計，以實現供電系統自投自復的功能，減少了對PLC控制器的依賴，是一種以可靠小系統實現大系統穩定性的典型做法。在對整個供電系統做拓撲分析和關鍵節點可靠性分析時，能很好地體現其優勢。