10kV油机在大型数据中心的并机控制与切换方案探讨

10kV油机在大型数据中心的并机控制与切换方案探讨

刘洪光 张林

中建八局第三建设有限公司 江苏省南京市 210033

摘要：近年来，云计算、大数据等技术的创新和应用，推动着基于云计算和大数据等数据中心工程数量快速增长，使得油机工程、冷冻站自动控制技术等也得到了迅速的发展。基于此，本分对大型数据中心10kV油机并机控制方案和电源切换方案展开探讨，总结并机控制和切换方案策略，提出基于PLC的冷源群控技术，以期为相关人员提供参考。

关键词：10kV油机；数据中心；并机控制；切换管理

引言：目前，大型数据中心在我国发展的已经成熟，但油机供应工程和冷源群控系统发展还不完善，为了提高发电系统和PLC控制系统的安全可靠运行，从供油系统、发电、吸声、降噪、自动化和经济控制等方面，形成比较成熟的大型数据油机控制技术成果，增强企业创新技术的能力，提高企业市场竞争力，促进企业健康持续发展。

一、10kV油机并机控制方案分析

（一）并机运行条件

并机运行具体是指由多台油机并机投入运行的整个过程中。首先，需要启动一台油机设备，然后将其接入到母线中。其次，启动第二台油机设备，并将其并入到第一台油机设备中。在并机过程中需要注意的是，在电源合闸时，油机设备不能出现冲击电流，尽量避免油机转轴受到冲击^[1]。此外，在电源合闸后，油机设备转子必须快速同步，摒弃其需要具备以下运行条件：

（1）油机设备电压波形和有效值参数必须相同。

（2）油机设备电压相位参数应相同。

（3）油机设备运行频率相同。

（二）并机系统同步控制

为保证油机设备相应速度，并机系统主要采用并联连接方式和准同期控制方式，即运行系统中只有一台油机设备达到运行输出功率，并可以接入母线中进行供电，其他设备需要先后并联到其中。

油机设备控制柜（GCP）包含一台油机，而GCP配备了负载分配和自动同步模块，可以通过控制油机设备电压和转速，实现油机设备之间的负载均衡和并联运行。并且每台油机设备均由高压开关控制GCP分与合。

主控柜（MCP）主要作用是控制整个油机机组的运行，利用PLC编程方式，对系统进行逻辑控制，如优先级设定、油机机组切除和投入等。

发电机主要包括高压开关、并联开关、机组开关等，在正常运行状态下，处于自动运行模式，可以利用外部信号控制监视系统，以实时掌握市电运行状态。当市电出现故障或失电的情况时，并机系统会接收到反馈信号，然后由并机系统向油机机组传达启动指令，实现对油机机组的统一控制^[2]。油机设备在启动后，首先达到90%运行电压和频率的设备会向GCP传达信号，控制高压开关自动闭合，并将设备接入到应急母线中。而其余油机设备运行电压和频率与母线同步后，会自动并入到母线中。

（三）并机系统负载管理方案

油机机组并机运行系统主要采用分配负载方式进行管理，管理逻辑如下：

（1）油机切除管理。油机机组负载管理主要按照N+1模式实现对其控制管理，例如9台主用设备+1台设备，当全部油机机组进入云兄状态后，如果运行系统负载参数低于1台油机设备额定容量的90%，并且超过1分钟时间后，运行系统会切除第10台油机设备，此时整个系统负载只需要由9台油机设备进行带载，然后利用8+1冗余负载管理方式，保证系统供电的稳定性和可靠性。

（2）油机投入管理。当并机系统负载持续增加时，并且运行额定容量大于油机设备容量的160%时，并机系统会启动第3台油机机组，同时将该机组自动与其他设备运行同步，并进行合闸，然后持续向负载供电；如果并机系统负载大于油机设备容量的240%时，并机同会启动第4台油机机组，通过这样的方式以此启动其余油机机组^[3]。

（3）油机故障管理。并机系统在运行过程中，如果1台油机机组出现故障问题，系统会通过交互界面和喇叭向用户发出报警，提醒管理人员及时检查，并自动启动冗余机组，以保证系统的稳定运行。

（4）市电管理。并机系统运行过程中，当市电恢复后，油机机组会通过MCP与高压开关断开连接，同时冷却系统会在运行一段时间后停机运行，以控制并机系统运行温度。

（5）负载均衡管理。MCP具备负载自动分配功能，可以将并机系统中的负载压力分配到油机机组中。

二、10kV油机电源切换逻辑分析

（一）运行工况

根据并行系统开关闭锁和供电逻辑，不同油机机组电源运行工况包括6种运行工况，如表1所示。

其中市电供电属于油机电源正常运行工况，如果该运行方式中有一路市电出现故障或失电的情况，油机设备会自动与母线进行连接，采用母线+市电供电方式，在供电方式转换过程中，油机设备中的电源不会损耗，并且断路器也不会制动动作，转换流程较为简单，主要由保护装置自动切换供电方式。其余电源运行方式的切换，均需要借助PLC实现自由转换^[4]。

（二）PLC的定义

可编程控制器通常也被称为PLC，是一种可以用于工业场景的电子设备；其搭载编程存储器，能够实现过程控制、逻辑运行、计数、定时等操作；通过扩展单元，可以实现扩展和增强功能，利用通信接口能够与油机机组进行通信。该控制器具有灵活性高、适用范围广、操作简便、编程易修改；使用性能稳定、可靠，并且设备之间不会出现相关干扰的情况；功能多，适用于不同的行业及领域；调试周期和系统设计周期短；系统维修方便、故障少。

（二）PLC控制流程

10kV油机电源切换功能主要包括两部分：第一是当油机机组市电出现故障或市电情况后，油机机组供电方式会自动切换，同时当市电恢复正常后，其供电方式会切换为市电供电；第二是油机机组电源自动切换过程中负荷会进行投切。PLC断路器包括QF1～5、QF11～28、QF31～34，共有27个。而油机并机系统和机组均由另外一套PLC进行控制，主要包括油机并机、油路阀门、并机母线等^[5]。两套PLC断路器互不干扰，只用于通信交流。

通常情况下，典型工况电源切换控制流程主要包括以下内容：

（1）在正常运行过程中，当油机机组出现市电故障或失电的情况时，供电切换流程为：

1、并机系统确定油机机组市电故障或失电情况。

2、市电断路器QF1、QF2断开，同时并机系统会确定其是否为分闸状态。

3、启动油机排风风阀；当风阀启动50%后，油机机组会发出信号，然后由并机系统控制油机机组进行并机和启动过程、

4、并机系统记录10kV母线断路器状态，同时根据负载顺序断开母线中的断路器；切除油机机组三级负荷或无关负荷。

5、油机机组排风阀变压器市电断路器断开，同时闭合油机机组电源断路器。

6、当油机机组依次启动并接入母线后，并机系统会控制母线闭合馈线开关。

7、检查QF33、QF34电源中的接口，由油机机组向排风风机进行供电；检查风阀是否开启，同时启动排风风机进行降温^[6]。

8、检查QF3、QF4油机机组断路器接口，同时闭合断路器开关，以此来为母线进行供电。

9、依次恢复母线段断路器运行状态，同时根据负载容量大小，依次闭合断路器。

10、完成并机系统油机机组电源切换。

（2）油机机组正常供电状态下，市电恢复后并机系统供电方式切换流程：

1、判断并机系统市电是否恢复。

2、确定母线电路器是否为分闸状态。

3、蓄冷装置供冷时间确定，保证并机系统后备电源储备量满足电源转换过程中的电源需求。

4、断开油机机组断路器，同时确认其是否为分闸状态。

5、并机系统市电断路器闭合，并为母线进行供电。

6、断开油机机组排风机组电源断路器，同时闭合市电断路器，以为排风机组供电。

7、载入油机机组三级负荷或无关负荷。

8、延时发送油机机组停机信号，同时关闭排风机机组。风阀和风机需要在油机机组停止运行后一段时间后才能执行关闭指令^[7]。

9、完成并机系统市电电源转换。

（3）两路油机机组供电状态下，一路恢复市电供电的切换流程。

1、判断市电电源恢复状态。

2、检查一路母线断路器是否故障。

3、蓄冷装置供冷时间确定，保证并机系统后备电源储备量满足电源转换过程中的电源需求。

4、油机机组断路器断开与母线的连接，同时检查其是否为分闸状态。

5、切除恢复市电线路的三级负荷；载入油机机组二级负荷。

6、确认未恢复市电线路断路器是否为分闸状态，同时闭合恢复市电线路断路器，闭合母线断路器，此时两段母线均带电。

7、断开油机机组排风机组电源断路器，同时闭合市电断路器，以为排风机组供电。

8、延时发送油机机组停机信号，同时关闭排风机机组。风阀和风机需要在油机机组停止运行后一段时间后才能执行关闭指令。

9、完成单线路市电电源供电方式转换。

上述油机机组供电方式与市电供电方式之间的转换，均考虑油机机组无自然风排入、油机机组电源容量不足（不能保证数据中心负荷）和单线路市电电源容量无法满足三级负荷载入等情况，如果数据中心均为理想状态下，则可以简化供电转换流程。通常情况下，市电电源容量较大，当时市电恢复后，油机机组供电方式转换为市电供电的过程可以不断开馈线断路器，但是需要保证低压电器设备抡起控制，如泵组、低压冷机等，避免出现多台用电设备同时启动出现电流叠加导致断路器跳闸的情况^[8]。

三、基于PLC的数据中心群控系统

（一）冷源群控系统

该系统主要基于数据中心冷负荷需求，监控高压机组、换热器和水泵等设备，利用控制算法和群控策略调控冷源设备和冷水机组的正常运行。数据中心控制层的输入、输出设备和传感器采集数据后会传入主控器系统，通过控制策略和外部条件控制冷源设备，使其满足数据中心负荷需求，以达到节约能源的目的。

群控系统主要具备系统图像显示、设备监视启停、设备运行参数控制和采集、非正常参数或状态报警等。

（二）数据中心冷源群控等级

T1级别数据中心能够接受业务非计划和计划中断产生的影响；T2级别数据中心具备冗余功能，可以降低非计划和计划产生的影响；T3级别数据中心可以支撑设备所有计划性动作，并且不会造成数据有任务中断；T4级别数据中心可以提供油机机组一定容量，同时有计划的任务不会中断系统负荷。

（三）冷源群控系统框架

（1）系统框架

群控系统采用集散控制方式，包括网络层、控制层和管理层，可以实现数据中心的分散管理和集中管理控制，冷源群控系统框架如图1所示。

图1 冷源群控系框架

管理网络层主要由管理软件、客户端和服务器组成，可以实现对制冷机房的浸种管理、智能设备集成化管理和设备实时监控等功能。该系统网络采用标准通信协议，包括PROFINET协议、MODBUS协议、PROFIBUS协议、ISO协议和OPC协议等，能够远程监测系统运行状态、能源管理及分析历史信息等，此外，还能够实现数据实时共享。

控制网络层具备承上启下的作用，可以实现数据的处理和存储功能，同时也能够对管理层和控制层的数据进行备份。

现场网络层主要有控制器设备组成，可以通过输入或输出控制指令实现对控制点和监控设备的控制，同时采集设备运行状态。现场网络层主要负责信息的分析、处理、存储和输出，同时将处理完成的数据传输至智能模块中，以此来实现对报警信息的传输。此外，现场网络层还具备独立报警、脱网运行和本地存储功能，当群控系统出现网络故障时，该网络层设备仍可以正常工程。

（2）网络框架

网络框架主要包含现场网络层和管理网络层，其中管理网络层为一级网络，能够实现控制层和管理层之间数据的实时交换。该网络层主要利用光纤和UTP电缆与物理网络进行连接，采用TCP/IP标准网络协议，其构成方式主要包括两种单路或双路由方式，即设备网络、交换网络。网络层网络为二级网络，主要控制数据交换过程。该网络层构成方式相对简单，并且具有环形总线和冗余的特征。

结论：综上所述，本文对大型数据中心10kV油机并机控制策略和电源切换方案展开了详细的探讨，基于并机控制和切换方案，提出基于PLC冷源群控系统，进而为现场施工提供指导，在保证数据中心建设质量和安全的基础上，最大限度地降低成本、缩短工期，提高经济效益。同时为同类企业，特别是大型数据中心建设工程提供了良好的参考，为提高企业竞争力提供理论依据和技术指导。

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