某金融数据中心电源切换方案简析
摘要：针对某数据中心项目需求，设计3种0.4kV侧市电-柴油发电机组电源切换方案。对3种方案的主接线形式、开关动作逻辑进行介绍，对各方案的特点进行分析、总结和对比，提出电源转换方式的优化建议。
近年来，互联网金融不断发展，人民币数字化持续推进，疫情带来服务方式转变，对传统银行的数字化转型提出了越来越紧迫的需求。本文以某地方商业银行数据中心项目为例，简析其供配电系统电源切换方案。
1 案例概况
某银行新购一栋高层民用建筑，拟改造大楼的地下2层、2层和3层作为数据中心及其配套用房，新数据中心与现有数据中心形成异地双活数据中心，进一步提高业务的可用性。
根据业主使用需求和定位，该数据中心等级为GB 50174-2017《数据中心设计规范》规定的A级；同时，根据JGJ 284-2012《金融建筑电气设计规范》，该数据中心金融设施等级为一级。该数据中心共设置222台机柜，IT设备总安装容量820kW，数据中心设备总安装容量为1259kW，总计算容量为1104kW。
2 供配电系统
供配电系统采用2N架构，由大楼总变电所2段10kV母线分别引来1路10kV电源，设置2台1250kVA变压器，为数据中心提供0.4kV电源。正常情况下每路市电电源均承担总负荷的50%，当一路市电停电时，另一路市电能承担100%的负荷。
本项目设置柴油发电机组作为数据中心的备用电源。根据规范对A级数据中心的要求，柴油发电机组的基本容量应包括不间断电源系统的基本容量、空调和制冷设备的基本容量。通过计算，需要柴油发电机组保障的设备总计算功率为1048kW，因此选择容量为1280kW的柴油发电机组作为备用电源，额定电压0.4kV。A级数据中心柴油发电机组应为（N+X）冗余（X=1~N），因为满足基本容量所需的柴油发机组为1台，故柴油发电机组总台数应为2台，其中1台为冗余机组。柴油发电机组的性能等级不应低于G3级，且应连续和不限时运行，输出功率应满足数据中心最大平均负荷的需要。2台柴油发电机组分列运行，2路柴油发电机组与2路市电电源按一定逻辑切换后向数据中心供电。
该项目2路市电电源和2路柴油发电机组电源均位于地下2层。数据中心2层设有配电室，但与地下2层的变电所和柴油发电机组机房距离较远，为减少配电线路一次投资，选择在地下2层完成市电与柴油发电机组电源的切换后，通过2路母线将电源送至2层配电室。本项目的供配电架构如图1所示。
图1供配电系统架构
需要注意的是，根据JGJ 284-2012第5.2.1条第1款，一级金融设施应设数据中心专用配变电所，且不宜设置在地下室的最底层。本项目地下室共4层，因此变电所和柴油发电机房设置在地下2层是满足要求的。
3 市电-柴油发电机组电源切换系统
数据中心供电应遵循市电优先原则，2路市电电源和2路柴油发电机组电源之间的切换控制逻辑如下：
a. 正常情况下，由2路市电电源为数据中心供电；
b. 当一路市电失电时，由另一路市电为数据中心供电；
c. 当两路市电均失电时，2台柴油发电机组同时启动为数据中心供电；
d. 当一台柴油发电机组启动失败或故障停机时，由另一台柴油发电机组为数据中心供电。
根据以上电源切换需求，笔者设计了3种0.4kV侧市电-柴油发电机组电源切换方案：
方案一：2路市电电源先进行切换，然后再与柴油发电机组电源通过ATSE进行切换（见图2）；
图2方案一电源切换系统图
方案二：市电与柴油发电机组电源先通过ATSE进行切换，切换后的2路电源通过母联断路器实现切换（见图3）；
图3方案二电源切换系统图
方案三：2路市电和2路柴油发电机组电源均接入2段母线上，2段母线设置母联断路器，通过PLC控制系统控制断路器投切实现电源切换（见图4）。
图4方案三电源切换系统图
以下对3个方案逐一进行解析。
4 方案一
4.1 方案一简介
方案一是较为常见的一种切换方案，也是国家建筑标准设计图集 18DX009《数据中心工程设计与安装》中A级数据中心采用0.4kV柴油发电机组时推荐的电源切换方案。该方案为两级切换结构：第1级是2路市电电源的切换，采用单母线分段接线形式，由2台市电进线断路器和1台母联断路器（下文简称“两进线一母联”）执行切换动作；第2级为市电与柴油发电机组电源的切换，采用2台ATSE执行切换动作。
4.2 方案一开关动作逻辑
2路市电均带电时，2台进线断路器合闸，母联断路器断开，2台ATSE由市电供电；当一路市电停电时，相应的市电进线断路器失压脱扣，母联断路器合闸，数据中心由另一路市电供电，此时2台ATSE仍由市电供电；当两路市电均停电时，两台市电进线断路器失压脱扣，2台柴油发电机组启动，启动成功后，ATSE由市电供电切换至柴油发电机组供电；当只有一台柴油发电机组启动成功时，该侧ATSE切换至柴油发电机组供电。
各断路器和ATSE的动作状态见表1和表2。
表1方案一“两进线一母联”开关动作状态表
注：“1”代表该断路器为合闸状态，“0”代表该断路器为分闸状态，表2~表6相同。
表2方案一ATSE动作状态表
注：“1”代表该ATSE由相应侧电源供电，“0”代表该ATSE未由相应侧电源供电，“X”代表ATSE维持前状态，表3~表6相同。
4.3 方案一特点
方案一的两级切换分别采用的是“两进线一母联”和ATSE的切换方式，这两种方式都很常见、很成熟，有大量应用案例。
“两进线一母联”切换方式中，3台断路器任意时刻最多只能有2台断路器合闸，能够实现机械连锁和电气连锁。ATSE的自身结构决定了任意时刻只能合闸一路电源，能可靠地防止市电与柴油发电机组电源并联。由于2路柴油发电机组电源在第二级切换中接入供配电系统，2台柴油发电机组不存在并联运行的可能。因此，方案一具备完整可靠的防并联措施。
5 方案二
5.1 方案二简介
方案二与方案一类似，不同点在于方案二先通过2台ATSE实现市电-柴油发电机组电源的切换，然后通过低压母联实现2路切换后电源的转换。
5.2 方案二开关动作逻辑
2路市电均带电时，2台市电进线断路器合闸，2台ATSE由市电侧供电，母联断路器断开；当一路市电停电时，相应的市电进线断路器失压脱扣，母联断路器合闸，此时柴油发电机组不启动，ATSE亦不动作；当2路市电均停电时，2路市电进线断路器失压脱扣，2台柴油发电机组启动，启动成功后，ATSE由市电供电切换至柴油发电机组供电；当只有一台柴油发电机组启动成功时，该侧ATSE由柴油发电机组供电，母联断路器合闸。各断路器和ATSE的动作状态关系见表3。
表3方案二开关动作状态表
5.3 方案二特点
方案二中，市电与柴油发电机组电源先通过ATSE进行切换，切换后的两路电源通过母联断路器实现切换。由于ATSE嵌入在“两进线一母联”结构中间，两者无法像方案一那样按照相对独立的逻辑进行动作。
为防止2路市电并联和2台柴油发电机组并联，母联断路器与4台电源进线断路器之间均需要采取连锁措施，无法通过机械连锁和电气连锁实现连锁要求。
基于以上两点，方案二需设置一套PLC控制系统，以协调控制各开关完成控制逻辑和连锁关系。
对比方案一与方案二可知，当单路柴油发电机组电源供电时，通过母联断路器合闸，可以使后端的配电系统以2N系统运行。而方案一由于母联在ATSE的前端，在单路柴油发电机组电源供电时，配电系统只能以N系统运行。
5.4 方案二的改进方案
通过在2段配电母线前端增加进线断路器，可以解决方案二开关动作逻辑和连锁关系复杂的问题，改进后的方案系统图如图5所示。方案二改进后形成明确的2级切换结构：第1级切换是两路市电电源分别与2路柴油发电机组电源通过ATSE切换；第2级切换是第一级切换后的两路电源通过“两进线一母联”进行切换。两级切换的方式与方案一相同，但顺序相反。改进后方案二中的两级切换均能实现机械和电气连锁，开关动作逻辑也更为简单。各断路器和ATSE的动作状态见表4和表5。
图5方案二改进方案电源切换系统图
表4方案二改进方案ATSE动作状态表
表5方案二改进方案“两进线一母联”开关动作状态表
6 方案三
6.1 方案三简介
该方案采用单母线分段接线，2段母线之间设置联络，每段母线均有1路市电和1路柴油发电机组电源进线。该系统由4台电源进线断路器和1台联络断路器实现电源切换功能。每段母线上的市电与柴油发电机组电源进行切换后为数据中心提供电源。
6.2 方案三开关动作逻辑
2路市电带电时，2台市电进线断路器合闸，2台柴油发电机组进线断路器和母联断路器断开；当1路市电停电时，相应的市电进线断路器失压脱扣，母联断路器合闸，数据中心由另1路市电供电，此时2台柴油发电机组进线断路器均处于分闸状态；当两路市电均停电时，两路市电进线断路器失压脱扣，2台柴油发电机组启动，启动成功后，柴油发电机组进线断路器合闸，由2台柴油发电机组为数据中心供电；当只有1台柴油发电机组启动成功时，相应的进线断路器合闸，母联断路器合闸，由该柴油发电机组机组向数据中心全部负荷供电。各断路器的动作状态见表 6。
表 6 方案三各主要开关动作状态表
6.3 方案三特点
方案三与方案一、方案二不同，是一级切换结构，通过控制4台进线断路器和1台母联断路器来实现控制逻辑。该方案在大型数据中心10kV电源切换系统中使用较多，通常采用PLC进行控制，已经形成了较为成熟的解决方案。该方案与前两个方案最大的不同，是动作开关全部由断路器组成，需要设置一套控制系统对各个开关的动作进行控制。为保证系统的高可靠性，控制系统需要采取双机冗余、环网或双网通信等保障措施，也要采用高可靠性的硬件设备和工艺。
该方案需5台断路器协调动作，无法采用机械连锁和电气连锁，只能通过控制系统中的动作逻辑设定来满足电源的防并联要求。由方案三的系统图和开关动作状态表可知，只有单路柴油发电机组电源供电时，配电系统才能够以2N系统运行。
7 方案对比
通过前面章节对各种方案的介绍和分析，从电源切换层级、控制方式、连锁方式、主回路设备的构成、单台柴油发电机组供电时配电系统的运行方式等方面对各方案进行对比，见表7。
表7各方案的特点对比
除了方案三采用一级切换结构，其他方案均采用两级切换结构。方案一和方案二改进方案的两级切换动作相互独立，分别采用“两进线一母联”和ATSE的切换方式，两级分工明确，动作逻辑清晰。方案二虽然是两级切换结构，但与方案三一样都需要5台断路器协调动作，这2种方案需要设置PLC来控制系统的切换动作。由于方案一、方案二改进方案的两层切换相互独立，可以实现机械连锁和电气连锁，防并联措施更为可靠。相对于单级切换结构，采用两级结构的方案虽然各级分工明确，但采用的主回路设备更多，配电层级也相应增加。除了方案一，另外3个方案在单路柴油发电机组供电时，配电系统均可以以2N系统运行，方案的灵活性和可靠性更好。
8 方案优化
8.1 双电源自动转换装置的选择
自动转换开关装置（ATSE）进入我国已有近20年的历史，目前被广泛应用于各类工程领域，方案一和方案二都用到了ATSE。图2和图3所示的方案一和方案二的主接线系统图中，均采用的是一体式双电源自动转换开关，它具有结构简单、转换时间短等优点，数据中心设计图集18DX009所示的系统图中亦采用这种转换开关。但是一体式转换开关在内部将两路电源转换后合并成一路进行输出，存在单点故障的风险。
在需要进行双电源自动转换的场合，除了采用一体式双电源自动转换开关，还可以采用由2台断路器组成的电源转换系统，该系统能够实现机械和电气连锁，可以设置专用控制器控制2台断路器的动作。由于两路电源通过不同的路径被送至配电母线上，消除了单点故障隐患。图6为采用这两种双电源自动转换装置的配电系统图。
图片
图6采用双电源自动转换装置的配电系统图
8.2 “两进线一母联”的控制方案优化
在带有母联的分段单母线接线方案中，通常会涉及到两台进线断路器和一台母联断路器的切换控制。通常，这3台断路器控制由二次控制回路实现，二次控制回路由中间继电器、时间继电器、按钮、指示灯等组成，接线工作量大，维护不便。
除了采用二次控制回路，还可以采用专用控制器实现3台断路器之间的切换，从而实现电源转换。由控制器取代复杂的二次控制回路，最大限度减少二次回路接线工作量，实现了二次系统的集成化、产品化，提高了系统可靠性。由“两进线一母联”及专用控制器组成的电源转换系统除了基本的电源转换功能，还可以提供更丰富的监测和控制功能，其缺点是造价相对较高。8.1节中提到的2台断路器及专用控制器属于该电源转换系统的一种应用案例，该系统有别于派生的ATSE，此处不再展开论述。
9 结语
在本项目中，业主希望电源切换系统具有较高的自动化程度，设备尽量集中布置，以便于日常维护和管理。方案一中的第1级切换设备均位于地下2层变电所，该变电所由供电部门管理，不满足业主的管理要求，因此未被采纳。方案二及其改进方案采用的大容量ATSE造价较高，也未被采纳。方案三所有电源切换设备位于地下2层柴油发电机房配电间，属于业主管理范围，且该方案系统结构简单，自动化程度高，因此选择该方案作为最终实施方案。
本文根据某数据中心项目案例，设计了3种0.4kV市电与柴油发电机组电源切换方案，并对各方案进行了介绍和对比分析，希望能对广大数据中心电气设计同仁有所帮助。
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