某金融數(shù)據(jù)中心電源切換方案簡析

摘要：針對某數(shù)據(jù)中心項目需求，設(shè)計3種0.4kV側(cè)市電-柴油發(fā)電機(jī)組電源切換方案。對3種方案的主接線形式、開關(guān)動作邏輯進(jìn)行介紹，對各方案的特點進(jìn)行分析、總結(jié)和對比，提出電源轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；電源切換；市電；柴油發(fā)電

近年來，互聯(lián)網(wǎng)金融不斷發(fā)展，人民幣數(shù)字化持續(xù)推進(jìn)，疫情帶來服務(wù)方式轉(zhuǎn)變，對傳統(tǒng)銀行的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提出了越來越緊迫的需求。本文以某地方商業(yè)銀行數(shù)據(jù)中心項目為例，簡析其供配電系統(tǒng)電源切換方案。

1 案例概況

某銀行新購一棟高層民用建筑，擬改造大樓的地下2層、2層和3層作為數(shù)據(jù)中心及其配套用房，新數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心形成異地雙活數(shù)據(jù)中心，進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)的可用性。

根據(jù)業(yè)主使用需求和定位，該數(shù)據(jù)中心等級為GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的A級；同時，根據(jù)JGJ 284-2012《金融建筑電氣設(shè)計規(guī)范》，該數(shù)據(jù)中心金融設(shè)施等級為一級。該數(shù)據(jù)中心共設(shè)置222臺機(jī)柜，IT設(shè)備總安裝容量820kW，數(shù)據(jù)中心設(shè)備總安裝容量為1259kW，總計算容量為1104kW。

2 供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)采用2N架構(gòu)，由大樓總變電所2段10kV母線分別引來1路10kV電源，設(shè)置2臺1250kVA變壓器，為數(shù)據(jù)中心提供0.4kV電源。正常情況下每路市電電源均承擔(dān)總負(fù)荷的50%，當(dāng)一路市電停電時，另一路市電能承擔(dān)100%的負(fù)荷。

本項目設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為數(shù)據(jù)中心的備用電源。根據(jù)規(guī)范對A級數(shù)據(jù)中心的要求，柴油發(fā)電機(jī)組的基本容量應(yīng)包括不間斷電源系統(tǒng)的基本容量、空調(diào)和制冷設(shè)備的基本容量。通過計算，需要柴油發(fā)電機(jī)組保障的設(shè)備總計算功率為1048kW，因此選擇容量為1280kW的柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，額定電壓0.4kV。A級數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)為（N+X）冗余（X=1~N），因為滿足基本容量所需的柴油發(fā)機(jī)組為1臺，故柴油發(fā)電機(jī)組總臺數(shù)應(yīng)為2臺，其中1臺為冗余機(jī)組。柴油發(fā)電機(jī)組的性能等級不應(yīng)低于G3級，且應(yīng)連續(xù)和不限時運(yùn)行，輸出功率應(yīng)滿足數(shù)據(jù)中心最大平均負(fù)荷的需要。2臺柴油發(fā)電機(jī)組分列運(yùn)行，2路柴油發(fā)電機(jī)組與2路市電電源按一定邏輯切換后向數(shù)據(jù)中心供電。

該項目2路市電電源和2路柴油發(fā)電機(jī)組電源均位于地下2層。數(shù)據(jù)中心2層設(shè)有配電室，但與地下2層的變電所和柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)房距離較遠(yuǎn)，為減少配電線路一次投資，選擇在地下2層完成市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源的切換后，通過2路母線將電源送至2層配電室。本項目的供配電架構(gòu)如圖1所示。

圖1供配電系統(tǒng)架構(gòu)

需要注意的是，根據(jù)JGJ 284-2012第5.2.1條第1款，一級金融設(shè)施應(yīng)設(shè)數(shù)據(jù)中心專用配變電所，且不宜設(shè)置在地下室的最底層。本項目地下室共4層，因此變電所和柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置在地下2層是滿足要求的。

3 市電-柴油發(fā)電機(jī)組電源切換系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心供電應(yīng)遵循市電優(yōu)先原則，2路市電電源和2路柴油發(fā)電機(jī)組電源之間的切換控制邏輯如下：

a. 正常情況下，由2路市電電源為數(shù)據(jù)中心供電；

b. 當(dāng)一路市電失電時，由另一路市電為數(shù)據(jù)中心供電；

c. 當(dāng)兩路市電均失電時，2臺柴油發(fā)電機(jī)組同時啟動為數(shù)據(jù)中心供電；

d. 當(dāng)一臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動失敗或故障停機(jī)時，由另一臺柴油發(fā)電機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供電。

根據(jù)以上電源切換需求，筆者設(shè)計了3種0.4kV側(cè)市電-柴油發(fā)電機(jī)組電源切換方案：

方案一：2路市電電源先進(jìn)行切換，然后再與柴油發(fā)電機(jī)組電源通過ATSE進(jìn)行切換（見圖2）；

圖2方案一電源切換系統(tǒng)圖

方案二：市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源先通過ATSE進(jìn)行切換，切換后的2路電源通過母聯(lián)斷路器實現(xiàn)切換（見圖3）；

圖3方案二電源切換系統(tǒng)圖

方案三：2路市電和2路柴油發(fā)電機(jī)組電源均接入2段母線上，2段母線設(shè)置母聯(lián)斷路器，通過PLC控制系統(tǒng)控制斷路器投切實現(xiàn)電源切換（見圖4）。

圖4方案三電源切換系統(tǒng)圖

以下對3個方案逐一進(jìn)行解析。

4 方案一

4.1 方案一簡介

方案一是較為常見的一種切換方案，也是國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集 18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計與安裝》中A級數(shù)據(jù)中心采用0.4kV柴油發(fā)電機(jī)組時推薦的電源切換方案。該方案為兩級切換結(jié)構(gòu)：第1級是2路市電電源的切換，采用單母線分段接線形式，由2臺市電進(jìn)線斷路器和1臺母聯(lián)斷路器（下文簡稱“兩進(jìn)線一母聯(lián)”）執(zhí)行切換動作；第2級為市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源的切換，采用2臺ATSE執(zhí)行切換動作。

4.2 方案一開關(guān)動作邏輯

2路市電均帶電時，2臺進(jìn)線斷路器合閘，母聯(lián)斷路器斷開，2臺ATSE由市電供電；當(dāng)一路市電停電時，相應(yīng)的市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，母聯(lián)斷路器合閘，數(shù)據(jù)中心由另一路市電供電，此時2臺ATSE仍由市電供電；當(dāng)兩路市電均停電時，兩臺市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，2臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動，啟動成功后，ATSE由市電供電切換至柴油發(fā)電機(jī)組供電；當(dāng)只有一臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動成功時，該側(cè)ATSE切換至柴油發(fā)電機(jī)組供電。

各斷路器和ATSE的動作狀態(tài)見表1和表2。

表1方案一“兩進(jìn)線一母聯(lián)”開關(guān)動作狀態(tài)表

注：“1”代表該斷路器為合閘狀態(tài)，“0”代表該斷路器為分閘狀態(tài)，表2~表6相同。

表2方案一ATSE動作狀態(tài)表

注：“1”代表該ATSE由相應(yīng)側(cè)電源供電，“0”代表該ATSE未由相應(yīng)側(cè)電源供電，“X”代表ATSE維持前狀態(tài)，表3~表6相同。

4.3 方案一特點

方案一的兩級切換分別采用的是“兩進(jìn)線一母聯(lián)”和ATSE的切換方式，這兩種方式都很常見、很成熟，有大量應(yīng)用案例。

“兩進(jìn)線一母聯(lián)”切換方式中，3臺斷路器任意時刻最多只能有2臺斷路器合閘，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械連鎖和電氣連鎖。ATSE的自身結(jié)構(gòu)決定了任意時刻只能合閘一路電源，能可靠地防止市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源并聯(lián)。由于2路柴油發(fā)電機(jī)組電源在第二級切換中接入供配電系統(tǒng)，2臺柴油發(fā)電機(jī)組不存在并聯(lián)運(yùn)行的可能。因此，方案一具備完整可靠的防并聯(lián)措施。

5 方案二

5.1 方案二簡介

方案二與方案一類似，不同點在于方案二先通過2臺ATSE實現(xiàn)市電-柴油發(fā)電機(jī)組電源的切換，然后通過低壓母聯(lián)實現(xiàn)2路切換后電源的轉(zhuǎn)換。

5.2 方案二開關(guān)動作邏輯

2路市電均帶電時，2臺市電進(jìn)線斷路器合閘，2臺ATSE由市電側(cè)供電，母聯(lián)斷路器斷開；當(dāng)一路市電停電時，相應(yīng)的市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，母聯(lián)斷路器合閘，此時柴油發(fā)電機(jī)組不啟動，ATSE亦不動作；當(dāng)2路市電均停電時，2路市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，2臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動，啟動成功后，ATSE由市電供電切換至柴油發(fā)電機(jī)組供電；當(dāng)只有一臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動成功時，該側(cè)ATSE由柴油發(fā)電機(jī)組供電，母聯(lián)斷路器合閘。各斷路器和ATSE的動作狀態(tài)關(guān)系見表3。

表3方案二開關(guān)動作狀態(tài)表

5.3 方案二特點

方案二中，市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源先通過ATSE進(jìn)行切換，切換后的兩路電源通過母聯(lián)斷路器實現(xiàn)切換。由于ATSE嵌入在“兩進(jìn)線一母聯(lián)”結(jié)構(gòu)中間，兩者無法像方案一那樣按照相對獨(dú)立的邏輯進(jìn)行動作。

為防止2路市電并聯(lián)和2臺柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)，母聯(lián)斷路器與4臺電源進(jìn)線斷路器之間均需要采取連鎖措施，無法通過機(jī)械連鎖和電氣連鎖實現(xiàn)連鎖要求。

基于以上兩點，方案二需設(shè)置一套PLC控制系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)控制各開關(guān)完成控制邏輯和連鎖關(guān)系。

對比方案一與方案二可知，當(dāng)單路柴油發(fā)電機(jī)組電源供電時，通過母聯(lián)斷路器合閘，可以使后端的配電系統(tǒng)以2N系統(tǒng)運(yùn)行。而方案一由于母聯(lián)在ATSE的前端，在單路柴油發(fā)電機(jī)組電源供電時，配電系統(tǒng)只能以N系統(tǒng)運(yùn)行。

5.4 方案二的改進(jìn)方案

通過在2段配電母線前端增加進(jìn)線斷路器，可以解決方案二開關(guān)動作邏輯和連鎖關(guān)系復(fù)雜的問題，改進(jìn)后的方案系統(tǒng)圖如圖5所示。方案二改進(jìn)后形成明確的2級切換結(jié)構(gòu)：第1級切換是兩路市電電源分別與2路柴油發(fā)電機(jī)組電源通過ATSE切換；第2級切換是第一級切換后的兩路電源通過“兩進(jìn)線一母聯(lián)”進(jìn)行切換。兩級切換的方式與方案一相同，但順序相反。改進(jìn)后方案二中的兩級切換均能實現(xiàn)機(jī)械和電氣連鎖，開關(guān)動作邏輯也更為簡單。各斷路器和ATSE的動作狀態(tài)見表4和表5。

圖5方案二改進(jìn)方案電源切換系統(tǒng)圖

表4方案二改進(jìn)方案ATSE動作狀態(tài)表

表5方案二改進(jìn)方案“兩進(jìn)線一母聯(lián)”開關(guān)動作狀態(tài)表

6 方案三

6.1 方案三簡介

該方案采用單母線分段接線，2段母線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)，每段母線均有1路市電和1路柴油發(fā)電機(jī)組電源進(jìn)線。該系統(tǒng)由4臺電源進(jìn)線斷路器和1臺聯(lián)絡(luò)斷路器實現(xiàn)電源切換功能。每段母線上的市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源進(jìn)行切換后為數(shù)據(jù)中心提供電源。

6.2 方案三開關(guān)動作邏輯

2路市電帶電時，2臺市電進(jìn)線斷路器合閘，2臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器斷開；當(dāng)1路市電停電時，相應(yīng)的市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，母聯(lián)斷路器合閘，數(shù)據(jù)中心由另1路市電供電，此時2臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)線斷路器均處于分閘狀態(tài)；當(dāng)兩路市電均停電時，兩路市電進(jìn)線斷路器失壓脫扣，2臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動，啟動成功后，柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)線斷路器合閘，由2臺柴油發(fā)電機(jī)組為數(shù)據(jù)中心供電；當(dāng)只有1臺柴油發(fā)電機(jī)組啟動成功時，相應(yīng)的進(jìn)線斷路器合閘，母聯(lián)斷路器合閘，由該柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)組向數(shù)據(jù)中心全部負(fù)荷供電。各斷路器的動作狀態(tài)見表 6。

表 6 方案三各主要開關(guān)動作狀態(tài)表

6.3 方案三特點

方案三與方案一、方案二不同，是一級切換結(jié)構(gòu)，通過控制4臺進(jìn)線斷路器和1臺母聯(lián)斷路器來實現(xiàn)控制邏輯。該方案在大型數(shù)據(jù)中心10kV電源切換系統(tǒng)中使用較多，通常采用PLC進(jìn)行控制，已經(jīng)形成了較為成熟的解決方案。該方案與前兩個方案最大的不同，是動作開關(guān)全部由斷路器組成，需要設(shè)置一套控制系統(tǒng)對各個開關(guān)的動作進(jìn)行控制。為保證系統(tǒng)的高可靠性，控制系統(tǒng)需要采取雙機(jī)冗余、環(huán)網(wǎng)或雙網(wǎng)通信等保障措施，也要采用高可靠性的硬件設(shè)備和工藝。

該方案需5臺斷路器協(xié)調(diào)動作，無法采用機(jī)械連鎖和電氣連鎖，只能通過控制系統(tǒng)中的動作邏輯設(shè)定來滿足電源的防并聯(lián)要求。由方案三的系統(tǒng)圖和開關(guān)動作狀態(tài)表可知，只有單路柴油發(fā)電機(jī)組電源供電時，配電系統(tǒng)才能夠以2N系統(tǒng)運(yùn)行。

7 方案對比

通過前面章節(jié)對各種方案的介紹和分析，從電源切換層級、控制方式、連鎖方式、主回路設(shè)備的構(gòu)成、單臺柴油發(fā)電機(jī)組供電時配電系統(tǒng)的運(yùn)行方式等方面對各方案進(jìn)行對比，見表7。

表7各方案的特點對比

除了方案三采用一級切換結(jié)構(gòu)，其他方案均采用兩級切換結(jié)構(gòu)。方案一和方案二改進(jìn)方案的兩級切換動作相互獨(dú)立，分別采用“兩進(jìn)線一母聯(lián)”和ATSE的切換方式，兩級分工明確，動作邏輯清晰。方案二雖然是兩級切換結(jié)構(gòu)，但與方案三一樣都需要5臺斷路器協(xié)調(diào)動作，這2種方案需要設(shè)置PLC來控制系統(tǒng)的切換動作。由于方案一、方案二改進(jìn)方案的兩層切換相互獨(dú)立，可以實現(xiàn)機(jī)械連鎖和電氣連鎖，防并聯(lián)措施更為可靠。相對于單級切換結(jié)構(gòu)，采用兩級結(jié)構(gòu)的方案雖然各級分工明確，但采用的主回路設(shè)備更多，配電層級也相應(yīng)增加。除了方案一，另外3個方案在單路柴油發(fā)電機(jī)組供電時，配電系統(tǒng)均可以以2N系統(tǒng)運(yùn)行，方案的靈活性和可靠性更好。

8 方案優(yōu)化

8.1 雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置的選擇

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置（ATSE）進(jìn)入我國已有近20年的歷史，目前被廣泛應(yīng)用于各類工程領(lǐng)域，方案一和方案二都用到了ATSE。圖2和圖3所示的方案一和方案二的主接線系統(tǒng)圖中，均采用的是一體式雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換時間短等優(yōu)點，數(shù)據(jù)中心設(shè)計圖集18DX009所示的系統(tǒng)圖中亦采用這種轉(zhuǎn)換開關(guān)。但是一體式轉(zhuǎn)換開關(guān)在內(nèi)部將兩路電源轉(zhuǎn)換后合并成一路進(jìn)行輸出，存在單點故障的風(fēng)險。

在需要進(jìn)行雙電源自動轉(zhuǎn)換的場合，除了采用一體式雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，還可以采用由2臺斷路器組成的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械和電氣連鎖，可以設(shè)置專用控制器控制2臺斷路器的動作。由于兩路電源通過不同的路徑被送至配電母線上，消除了單點故障隱患。圖6為采用這兩種雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置的配電系統(tǒng)圖。

圖6采用雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置的配電系統(tǒng)圖

8.2 “兩進(jìn)線一母聯(lián)”的控制方案優(yōu)化

在帶有母聯(lián)的分段單母線接線方案中，通常會涉及到兩臺進(jìn)線斷路器和一臺母聯(lián)斷路器的切換控制。通常，這3臺斷路器控制由二次控制回路實現(xiàn)，二次控制回路由中間繼電器、時間繼電器、按鈕、指示燈等組成，接線工作量大，維護(hù)不便。

除了采用二次控制回路，還可以采用專用控制器實現(xiàn)3臺斷路器之間的切換，從而實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。由控制器取代復(fù)雜的二次控制回路，最大限度減少二次回路接線工作量，實現(xiàn)了二次系統(tǒng)的集成化、產(chǎn)品化，提高了系統(tǒng)可靠性。由“兩進(jìn)線一母聯(lián)”及專用控制器組成的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)除了基本的電源轉(zhuǎn)換功能，還可以提供更豐富的監(jiān)測和控制功能，其缺點是造價相對較高。8.1節(jié)中提到的2臺斷路器及專用控制器屬于該電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一種應(yīng)用案例，該系統(tǒng)有別于派生的ATSE，此處不再展開論述。

9 結(jié)語

在本項目中，業(yè)主希望電源切換系統(tǒng)具有較高的自動化程度，設(shè)備盡量集中布置，以便于日常維護(hù)和管理。方案一中的第1級切換設(shè)備均位于地下2層變電所，該變電所由供電部門管理，不滿足業(yè)主的管理要求，因此未被采納。方案二及其改進(jìn)方案采用的大容量ATSE造價較高，也未被采納。方案三所有電源切換設(shè)備位于地下2層柴油發(fā)電機(jī)房配電間，屬于業(yè)主管理范圍，且該方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，自動化程度高，因此選擇該方案作為最終實施方案。

本文根據(jù)某數(shù)據(jù)中心項目案例，設(shè)計了3種0.4kV市電與柴油發(fā)電機(jī)組電源切換方案，并對各方案進(jìn)行了介紹和對比分析，希望能對廣大數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計同仁有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國電子工程設(shè)計院. GB 50174 - 2017 數(shù)據(jù) 中心設(shè)計規(guī)范［S］. 北京：中國計劃出版社，2017.

［2］上海建筑設(shè)計研究院有限公司.JGJ284-2012金融建筑電氣設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.18DX009數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計與安裝［M］.北京：中國計劃出版社，2018.

［4］中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊［M］.4版. 北京：中國電力出版社，2016.

［5］董青，鄒政達(dá)，郝秀云，等.數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計［J］.建筑電氣，2010，29（7）：11-23.

［6］于志勇，徐義.數(shù)據(jù)中心10kV供配電系統(tǒng)切換自動化工程實踐［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2019，13（3）：79-82.

［7］晁懷頗.數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計的若干問題［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2011，5（5）：8-12.

［8］段震寰，王津先，吳斌.TSE設(shè)計與選型若干問題探討［J］.電氣應(yīng)用，2010，29（1）：18-22.

來源：機(jī)器貓的水暖電、 數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營管理