基于2N供電架構的數據中心市電與高壓柴油發電機的切換模式應用與探索

徐 飛

（中移（杭州）信息技術有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

數據中心高壓變配電系統是聯系外市電供電網絡和機房樓內用電設備的中間環節，起著變換和分配電能的作用，其電壓等級主要有110 kV、35 kV、10 kV、6 kV。隨著數據中心爆發式發展，集中能源需求越來越大，為了提高后備電源的效率，大中型數據中心建設中采用10 kV高壓柴油發電機作為后備電源已形成趨勢。目前，數據中心行業高壓柴油發電機一般指10 kV高壓水冷柴油發電機。

通過對數據中心典型高壓變配電架構特點以及常用的市電與高壓柴油發電機的切換方式分析，并結合后期日常運維工作，為數據中心機房10 kV市電與高壓柴油發電機系統的高效利用與提升資源價值提供可行性方案應用與研究思考。

1 數據中心供配電系統

1.1 典型供配電架構

數據中心的外市電是從電網引入，通常要經歷生產、輸送、變換以及分配等供配電環節，根據數據中心規模不同一般可分為設置總壓降變電站和電網引專線2種引入方式。總壓降變電站一般指為了滿足機房容量及經濟性，要求數據中心自建電壓等級為110 kV/35kV變電站，并轉化成10 kV電壓等級進行電能分配使用。電網引專線是指直接從電力公共電網引入10 kV市電給數據中心使用。

機房高壓供電系統的主接線方式通常分為有匯流排和無匯流排兩大類，其中有匯流排方式為數據中心高壓配電系統的主要選擇方式，主要包括單母線和雙母線2種架構。雙母線系統架構因其結構復雜、造價高、利用率低等，作為主接線在數據中心極少用到。

在數據中心規劃設計時從機房規模、等級定位、安全性、經濟性等綜合考慮，單母線接線方式最為普遍應用，主要分單母線接線和單母線分段接線2種方式。單母線接線又分單電源和雙電源連鎖方式，主要用于規模較小、等級較低的數據中心機房。單母線分段接線則在規模較大、等級較高的大中型數據中心機房為主接線架構。無論數據中心機房外市電引入的電壓等級是多少，通常都轉換成10 kV電壓等級后再經變壓器降壓到低壓380 V給末端設備進行電能的分配和使用，高壓柴油發電系統則在10 kV配電側進行接入切換。因此10 kV高壓配電系統的接線架構，影響著柴油發電系統的接入模式及切換邏輯。

1.2 單母線分段架構

在實際應用中單母線分段接線架構的運行方式主要分為2種，即按10 kV高壓配電系統是否設置母聯自動切換開關（Automatic Transfer Switch，ATS）裝置分為單母線分段母聯接線架構和單母線不設母聯接線架構，并與高壓柴油發電系統形成不同方式的接入邏輯。其常見的典型框架如圖1、圖2所示。

圖1 單母線分段母聯架構

圖2 單母線分段不設母聯架構

上述2種架構主要區別在于10 kV高壓分段母線間是否設置ATS母聯裝置，其與高壓柴油發電機的切換邏輯如下。有母聯架構則是典型的5選2開關市電柴油發電機切換模式，如圖1所示。2路市電進線開關和母聯開關進行聯鎖，2路市電與2個柴油發電機開關進行聯鎖，任何情況下5個開關只能2個開關處于合閘狀態的邏輯設置。高壓側不設母聯裝置架構則僅僅是2路市電分別與柴油發電機輸出開關之間的兩兩聯鎖，單路市電故障時通過低壓母聯進行有效切換，如圖2所示。

1.3 切換邏輯

經調研以單母線分段2種方式為配置架構的數據中心機房，在實際運用中與高壓柴油發電機的切換邏輯設計基本是當2路市電都停電的情況下，高壓柴柴油發電機系統啟動給末端負載供電。這也是當前2路市電與柴油發電機的應用最廣泛的典型切換模式。

《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）規定，A級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源[1]。當正常電源發生故障時，備用電源應能承擔數據中心正常運行所需要的用電負荷。上述切換邏輯符合國標設計規范的要求，但設計規范中并未規定只有在2路正常電源同時故障情況下，后備電源才能運行承擔所需用電負荷，即在2N供配電架構中高壓側供電特別是單母線分段為主接線的情況下，是否可設置單路電源故障時后備柴油發電機啟動，并承擔起該故障電源側的負荷與另一路正常電源共同承擔數據中心機房的全部用電負荷。這種切換邏輯模式是否可行、可靠值得數據中心從業人員思考與實踐探索。下面以某數據中心市電柴油發電機的切換過程思路為例進行對比分析。

2 兩路市電都停電啟動柴油發電機模式

因2N供配電系統架構簡單、設備和線路容易實現物理隔離、可用性高，運行成本適中、運維難度低等優勢，目前國內數據中心機房樓內的供配電架構，基本以2路10 kV高壓線路形成2N供電架構模式。下面以某數據中心單母線分段不設母聯的高壓接線方式為例，分析2路市電與高壓柴油發電機系統典型的切換邏輯模式，并提出論述另1種切換邏輯的可行性[2]。該數據中心樓內10 kV電壓等級市電及高壓柴油發電機系統主備供電架構如圖3所示。

該數據中心為2路10 kV高壓配電以單母線分段不設母聯接線架構，圖3中的后備電源配置7臺2 000 kW的高壓水冷柴油發電機系統，其中K1、K2為1#、2#這2路市電進線開關，K3、K4為2路柴油發電進線開關，K1與K3、K2與K4之間設置ATS系統并進行機械電氣互鎖。K5、K6為2路柴油發電機側輸出開關。

圖3 某數據中心高壓供電架構

其相互切換設計邏輯是當2路市電都停電的情況下，高壓柴油發電機系統啟動發電給末端負載供電。具體過程邏輯為2路市電都停電、柴油發電機啟動并機成功后，輸出柜把柴油發電機電送至高壓進線柜側，ATS系統判斷并確認2路市電都為停電狀態后執行切換動作，開關切換至柴油發電機供電側對末端負載進行供電[3]。在此判斷切換過程中，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高壓直流等交直流不間斷設備的蓄電池對負載進行短暫的電力不間斷供電。

其切換邏輯過程主要包含滿足柴油發電機啟動及并機條件、柴油發電機電輸出條件、ATS系統判斷切換邏輯、柴油發電機電退出條件以及柴油發電機停機條件及過程。

（1）柴油發電機啟動條件及并機過程。當市電停電故障發出ATS干接點啟動信號，1#ATS與2#ATS中任何1個ATS單一有信號都不啟動柴油發電機，必須滿足2路ATS都有啟動信號才啟動柴油發電機。7臺柴油發電機同時收到啟動信號，開始執行啟動運行，柴油發電機盤車啟動運行至正常狀態，用時約25 s。開始執行自動并機邏輯，G1發電機AK1開關最先合閘，其他機組AK2～AK7后續捕捉同步參數，進行柴油發電機并機流程，同步并機時間約35 s。

（2）柴油發電機電輸出條件。當柴油發電機滿足并機運行數量≥4臺時，2個出線開關K5、K6具備合閘輸出條件，小于4臺并機運行臺數，出線開關不能自動合閘，可以人工操作就地模式進行合閘操作。當滿足柴油發電機運行臺數等于4臺時，出線開關合閘順序：當2個ATS系統都發出柴油發電機啟動信號，延時第1 s送出線K5合閘信號；延時第3 s送出線K6合閘信號。

（3）ATS判斷切換邏輯。當ATS監測到2路市電停電及柴油發電機啟動至正常供電狀態，高壓輸入開關K1、K2執行分閘動作，后ATS切換至柴油發電機供電側，K3、K4開關執行合閘，即先切斷負載，再執行ATS切換合閘，降低帶負荷切換風險，提高切換效率及可行性。

（4）柴油發電機電退出條件。當1#、2# ATS系統監測到任意一路市電來電的條件下：延時第2 s送出線K5分閘信號；延時第4 s送出線K6分閘信號。

（5）柴油發電機停機條件及過程。市電故障恢復，ATS發出停機信號，當2個ATS都發出柴油發電機停機信號；當1#、2# ATS中任何1個發出停機信號。柴油發電機并機系統作出邏輯判斷后發出停機信號給7臺柴油發電機，7臺柴油發電機收到停機信號延時30 s后，并機開關AK1～AK7自動分閘解列，7臺柴油發電機并機開關分閘，柴油發電機進入180 s冷卻延時停機。如在柴油發電機冷卻運行過程中，一旦市電突然停電，柴油發電機將自動執行并機運行程序[4]。

上述過程為基于2路市電同時停電條件下高壓柴油發電機系統啟動及并機輸出，通過ATS與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制切斷負載及ATS切換柴油發電機側合閘,市電恢復后柴油發電機解列退出的全過程市電與柴油發電機切換流程。過程中后端負載采用逐級投切的模式避免大電流沖擊對變配電設備的損傷。此切換設計方案在當前的大中型數據中心高壓切換模式中應用較為廣泛，理論上是一種典型可靠、可行的模式。

3 單路市電停電啟動柴油發電機切換模式

在數據中心市電的實際應用過程中，2路市電停電啟動柴油發電機切換邏輯設計方案在市電停電、柴油發電機啟動并機及ATS切換整個過程中，因控制邏輯判斷、信號接收、斷路器分合閘動作等存在時延因素，在市電切換柴油發電機電過程存在一定時間斷檔期，該時間段根據數據中心及柴油發電系統規模不同從幾十秒甚至數分鐘不等[5]。在此期間，由交直流不間斷設備的后備蓄電池對后端負載進行供電，部分不經交直流不間斷設備的直供負載則會掉電。因此在現有的供電架構及高壓柴油發電機系統模式下，是否存在進一步的縮短切換時間以保障負載為前提的方案是一個值得研究的問題。筆者結合多年運維經驗并通過多個數據中心調研，下面以單母線分段不設母聯的高壓配電系統為例，對上述切換邏輯進行優化提出另一種思路，即在數據中心2N供電架構中任意一路市電停電，啟動柴油發電機給該路末端負載供電的切換邏輯。其切換邏輯過程如下文所述。

（1）柴油發電機啟動條件及并機過程。當任一市電停電故障發出ATS干接點啟動信號，1#ATS或2#ATS中任何一個ATS單一有信號啟動柴油發電機。7臺柴油發電機同時收到啟動信號，開始執行啟動運行，柴油發電機盤車啟動運行至正常狀態。開始執行自動并機邏輯，G1發電機AK1開關最先合閘，其他機組AK2～AK7后續捕捉同步參數，進行柴油發電機并機流程。

（2）柴油發電機電輸出條件。當柴油發電機滿足并機運行數量≥4臺時，2個出線開關K5、K6具備合閘輸出條件，小于4臺并機運行臺數，出線開關不能自動合閘，可以人工操作就地模式進行合閘操作。如滿足柴油發電機運行臺數等于4臺時，出線開關合閘順序：當1#ATS發柴油發電機啟動信號的條件下：延時第1 s送出線K5合閘信號；當2#ATS發柴油發電機啟動信號的條件下：延時第3 s送出線K6合閘信號。

（3）ATS切換邏輯。當ATS監測到2路市電中任意一路停電即柴油發電機啟動至正常供電狀態，停電故障市電對應的高壓輸入開關K1、K2執行分閘動作，后ATS切換至柴油發電機供電側，對應的K3、K4開關執行合閘，即先分斷負載，再執行ATS切換，降低帶負荷切換風險，提高切換效率及可行性。

（4）柴油發電機電退出條件。當1#ATS監測到市電來電的條件下：延時第2 s送出線K5分閘信號；當2# ATS監測到市電來電的條件下：延時第3 s送出線K6分閘信號。

（5）柴油發電機停機過程。市電停電故障恢復，ATS發出停機信號，當2個ATS都發柴油發電機停機信號。柴油發電機并機系統作出邏輯判斷后發出停機信號給7臺發電機，7臺發電機收到停機信號延時30 s后，并機開關AK1～AK7自動分閘解列，7臺柴油發電機并機開關分閘后，發電機進入180 s冷卻延時停機。如在柴油發電機冷卻運行過程中，一旦市電突然停電，柴油發電機將自動執行并機運行程序。

4 可行性與優勢分析

4.1 可行性分析

數據中心機房市電與柴油發電機之間的切換邏輯，單路市電停電啟動柴油發電機供電模式可以實現。此切換模式存在單路外市電和柴發電同時分別給2路供配電路由供電，這種通過不同類型電源給數據中心機房末端負載供電是否可行，需進一步進行分析論證。

首先從數據中心柴油發電機機組性能分析，根據《往復式內燃機驅動的交流發電機組 第1部分：用途、定額和性能》（GB/T 2820.1—2009）中對于柴油發電機組的性能指標分為G1、G2、G3、G4這4個等級[6]。根據數據中心機房負載特性，對柴油發電機組的輸出電壓、頻率、波形都有嚴格的要求，因此數據中心機房的柴油發電機性能等級要求不低于G3級，即國家標準中要求的數據中心柴油發電機機組性能指標至少能適用電信負荷和晶閘管控制的設備。

其次針對數據中心應用場景分析，柴油發電機與其負荷的匹配性，主要針對柴油發電機組與容性負載UPS、整流設備等系統的匹配度。兩者之間的匹配度，已通過諧波治理、軟啟動、柴油發電機永磁勵磁、增大機組容量降低內阻等措施技術得到有效解決。

結合當前單路市電停電啟動柴油發電機供電切換模式是在數據中心2N供配電架構中進行應用，其狀態為2路不同類型的電源分別給機房2路供配電路由的末端負載供電，正常狀態2路電源不論是2路市電還是1路市電1路柴油發電機電都是獨立給負載供電。綜合上述分析在2N供配電架構中，只要滿足數據中心機房電能質量要求，單路市電停電啟動柴油發電機供電模式從切換邏輯到供電應用是可行的。

4.2 優勢分析

根據《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）規定，當以柴油發電機為后備電源時，A級數據中心蓄電池最少備用時間為15 min。理論上不間斷電源蓄電池的后備保障時長，足以保障市電與柴油發電機的切換時間。但在實際應用中會發現，蓄電池充放電過程為化學反應過程其不穩定性相對較大，特別是接近報廢年限的蓄電池，存在單體落后甚至電池開路的情況發生，給供電切換帶來了負載斷電的風險。在此數據中心單母線分段不設母聯的供電架構下，當單路市電停電，通過低壓側母聯切換至另一路市電供電，然后柴油發電機啟動并機供電，低壓側母聯切回2路供電模式。此過程節省了柴油發電機啟動并機至柴油發電機出線柜送電60 s時間。相比較2路市電同時停電故障下后備柴油發電機執行啟動，單路市電停電故障后備柴油發電機執行啟動的方式，在保障用電負載的可靠性、及時性上更為優越。

在單路市電停電故障條件下，前者方案為全部負載切換至正常側單路市電，后備柴油發電機為冷備狀態。而后者方案為后備柴油發電機啟動給故障側負載供電，與正常側市電共同承擔機房全部負載，為熱備狀態。為市電二次故障做好了準備，節約了柴油發電機啟動并機時間，從供電角度看提高了及時性。

在日常運維中定期對柴油發電機系統的帶載測試提供了便利及降低了演練故障風險度。單路市電故障啟動柴油發電機模式，可定期對柴油發電機進行單邊側負載帶載測試，測試過程中有不間斷設備蓄電池和正常側市電ATS系統雙重保障，相比兩路市電故障切換柴油發電機模式，僅靠蓄電池后備保障切換期間的后端負載，提高了供電系統日常運維操作的安全性、可靠性，降低了演練操作故障風險。

單路市電故障啟柴油發電機模式，還可在外部電網供電緊張的條件下，啟動柴油發電機為單邊負載供電，有效利用庫存柴油生產電能，提高能源利用率，變廢為寶的同時減輕電力部門的供電壓力，彰顯社會責任。

5 結 論

當前國內數據中心2路市電同時存在故障停電的概率很小，年不可用度基本都能達到一類市電的要求。柴油發電系統利用率很低，一般只有在日常運維中的空載、帶載測試才開機運行，運行時間都相對較短。如何提高柴油發電機在運用率、合理利用柴油在報廢周期內使其轉化為有效電能用于生產，這也在是種合理利用閑置資源，降本增效的途徑，而這一途徑可通過對2N供電架構的分析,同時結合設備日常運維的可行性、便利性、實用性角度出發，對現有市電與柴油發電機切換邏輯思路的優化調整來實現，以期達到更優的效果。