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双市电与高压油机供电系统切换逻辑模式

随着数据中心的快速发展和能源需求的急剧增长，如何提高后备电源的效率已成为业界关注的焦点。在这种情况下，大中型数据中心建设采用10kV高压柴油发电机作为后备电源已成为一种趋势，这种10kV高压水冷柴油发电机以其高效、稳定的特点，成了数据中心后备电源的理想选择。
大型数据中心承载着海量的数据处理和存储任务，对电源需求极为苛刻。随着数据传输技术的不断进步和业务的快速扩张，数据中心的电力消耗持续增长，对供电系统的稳定性和可靠性提出了更高要求。为满足这些需求，数据中心需要配备高效、可靠的供配电系统，以确保服务器、存储设备、网络设备等关键设施能持续稳定运行。同时，数据中心还需配备应急电源系统，如柴油发电机组等，以应对突发电力故障，保障业务的连续性和数据的安全性。因此，电源系统的设计和选型对于大型数据中心至关重要。数据中心的高压变电/配电系统是连接外部供电网络和机房内部用电设备的桥梁，它不仅负责电能的变换，还承担着合理分配电能的重要任务。在此系统中，电压覆盖了从6kV到110kV的变化范围，以适应不同规模和需求的数据中心。
近年来，随着数据中心的快速发展和能源需求的急剧增长，如何提高后备电源的效率已成为业界关注的焦点。在这种情况下，大中型数据中心建设采用10kV高压柴油发电机作为后备电源已成为一种趋势，这种10kV高压水冷柴油发电机以其高效、稳定的特点，成了数据中心后备电源的理想选择。在数据中心的日常运维中，市电与高压柴油发电机的切换逻辑模式也是一个关键问题。为了确保数据中心在市电中断时能够迅速切换到后备电源，保障业务的连续性，需要选择合适的切换逻辑。
1、数据中心供配电系统
  1.1典型供配电架构
根据数据中心规模，数据中心的市电引入常见方式有两种：一是设置总压降变电站，通过自建110kV/35kV变电站，将高压电转化为10kV电，适用于大型数据中心；二是电网引专线，直接从公共电网引入10kV市电，适用于中小型数据中心。
机房高压配电系统的主接线方式通常可分为汇流排、无汇流排两大类。其中汇流排主接线方式通过母线实现电能的汇集与分配，适用于进出线较多的场景，结构清晰且易于扩展。而无汇流排主接线方式则省略了母线，直接连接电源与负载，简化了系统结构，减少了设备元件，降低了成本。在选择时，需要根据机房的具体需求、进出线数量、成本预算等因素综合考虑，选择最适合的主接线方式。
数据中心高压配电系统主要采用汇流排方式，包括单母线架构和双母线架构两种。由于双母线架构结构复杂、造价高、利用率低，故数据中心通常选择单母线架构。单母线架构又可细分。单母线不分段架构：分单电源和双电源连锁方式，适用于规模较小、等级较低的数据中心机房，其特点是结构简单、成本低。单母线分段架构：主要用于规模较大、等级较高的大中型数据中心机房，通过分段来提高供电可靠性，满足高负荷需求。
数据中心机房引入的市电经转换后通常先降压至10kV电压等级，再降压至380V供末端设备使用。高压柴油发电机系统在10kV配电侧接入，10kV高压配电系统接线架构决定了柴油发电机系统的接入模式及切换逻辑，其中，双市电加高压柴油发电机的“2N+1”供电架构因其高稳定性和可用性，在数据中心建设中得到了广泛应用。这种架构通过两路市电与高压柴油发电机系统的互锁设计，确保了供电的连续性和安全性。
  1.2单母线分段架构
在实际应用中，单母线分段架构的运行方式主要分两种，即按10kV高压配电系统是否设置母联ATS(automatictransferswitching，自动转换开关)装置分为单母线分段母联接线架构和单母线分段不设母联接线架构，并与高压柴油发电机系统形成不同方式的接入。
1）单母线分段母联接线架构，此架构在10kV高压配电系统中设置母联ATS装置，允许在需要时通过母联开关连接两个分段的母线，以实现互为备用和灵活调度，如图1所示。
双市电与高压油机供电系统切换逻辑模式

图1单母线分段母联接线架构

2）单母线分段不设母联接线架构，此架构不设置母联ATS装置，两个分段的母线独立运行，适用于对供电可靠性要求不高的场景，如图2所示。
双市电与高压油机供电系统切换逻辑模式

图2单母线分段不设母联接线架构

两种架构的主要区别在于10kV高压分段母线间是否设置ATS母联装置，具体区别如下。
1）有母联架构：高压侧设有母联ATS装置。切换逻辑：采用5选2开关模式，即两路市电进线开关、母联开关、两路柴油发电机开关中，任意时刻仅允许两个开关处于合闸状态。优点：供电可靠性高，灵活性强。
2）无母联架构：高压侧不设母联ATS装置。切换逻辑：两路市电分别与柴油发电机输出开关进行两两联锁，单路市电故障时通过低压母联切换。优点：结构简单，成本较低。
两种架构各有特点，选择时需根据数据中心实际情况和需求进行综合考虑，这两种架构可与高压柴油发电机系统形成不同的接入逻辑，以适应不同电力需求和系统配置。
  1.3切换逻辑
当前，在采用单母线分段两种配置架构方式的数据中心机房实际供配电应用中，双市电与高压柴油发电机的切换逻辑模式基本是：当两路市电均停电时，高压柴油发电机系统便会启动，为末端负载提供电力保障。这种切换逻辑模式是两路市电与柴油发电机组合应用中的主流切换模式，旨在确保电力供应的连续性和稳定性，避免因市电中断而引发业务中断风险。
根据数据中心供电设计规范，A级数据中心要求双重电源供电及备用电源供电。虽然设计规范并未明确规定备用电源启动的具体条件，但在单母线分段的主接线架构下，设置单路市电故障时即启动后备高压柴油发电机系统的策略是可行的。这种切换逻辑模式能够迅速响应市电故障，确保数据中心的持续运行。然而，其可行性和可靠性需通过实践探索来验证，包括切换过程中可能存在的风险和故障恢复时间等因素。
2、两路市电双停电启动柴油发电机切换模式
两路市电（2N）供配电系统因其架构简单、可用性高、成本适中及运维难度低，已成为数据中心主流供配电选择。目前国内数据中心机房楼内的供配电架构，基本以两路10kV高压线路形成双市电（2N）供电架构模式。
下面以某数据中心单母线分段不设母联的高压接线方式为例，分析两路市电停电启动高压柴油发电机系统典型的切换逻辑模式，图3为此数据中心楼内10kV电压等级双市电及高压柴油发电机系统主备供电架构。
双市电与高压油机供电系统切换逻辑模式

图3某数据中心高压供电架构

在图3供电架构中，该数据中心采用两路10kV高压配电单母线分段不设母联接线架构，配备7台10kV高压水冷柴油发电机作为后备电源。K1、K2为1#、2#两路市电进线开关，K3、K4为两路柴油发电进线开关，K5、K6为两路柴油发电机输出开关。通过在K1与K3、K2与K4间设置ATS系统进行机械电气互锁，实现市电与柴油发电的自动切换。这种设计保证了供电的冗余性和可靠性，即使在市电中断时也能迅速切换至高压柴油机发电，确保数据中心稳定运行。

当两路市电同时停电时，柴油发电机系统会迅速启动并成功并机，通过输出柜把柴油发电机电送至高压进线柜侧。此时，ATS系统会精确判断两路市电均处于停电状态，并自动执行切换动作，将供电来源切换至柴油发电机侧。在切换期间，蓄电池会提供短暂的不间断供电，其切换逻辑如下。

1）柴油发电机启动及并机条件。

当市电停电，ATS干接点发出启动信号时，需1#和2#ATS同时有信号，才启动柴油发电机。7台发电机同时响应，启动至正常状态约25秒。随后，开始执行自动并机逻辑，左侧第一台柴油发电机G发电，AK1机组首先合闸，其余机组（AK2~AK7）随后捕捉同步参数，进行柴油发电机并机流程。整个并机流程耗时约35秒，确保发电机组的高效、安全并联运行，为电力系统提供稳定的备用电源。

2）柴油发电机电输出条件。

当柴油发电机并机运行数量达到或超过4台时，两个出线开关K5和K6将自动具备合闸输出条件。若并机运行的发电机数量少于4台，这两个出线开关将不会自动合闸，但可通过人工操作进入就地模式进行合闸。若柴油发电机运行台数恰好等于4台，并且两个ATS系统均发出柴油发电机启动信号，系统将按照预定的顺序进行合闸操作：首先，在收到信号后的第1秒，将发送合闸信号给K5出线开关；接着，在延时第3秒后，向K6出线开关发送合闸信号。这样的设置确保了发电机的稳定运行，并提供了灵活的操作选择。

3）ATS判断切换逻辑。

ATS监测到两路市电停电且柴油发电机启动至正常供电后，首先断开高压输入开关K1、K2，切断负载。随后，ATS切换至柴油发电机供电侧，并合闸K3、K4开关，实现无缝切换。先断负载，再执行ATS切换合闸的方式，降低了带负荷切换的风险，提高了切换效率和可行性。

4）柴油发电机电退出条件。

当1#ATS与2#ATS系统检测到任意一路市电恢复供电时，系统会延时2秒后发出K5分闸信号，再延时4秒后发出K6分闸信号，以确保柴油发电机安全、有序地退出供电状态。

5）柴油发电机停机条件及过程。

一旦市电故障恢复，ATS会发出停机信号。当两个ATS（1#ATS和2#ATS）都发出柴油发电机停机信号，或者仅其中任一个ATS发出停机信号时，柴油发电机并机系统将进行逻辑判断，并向7台柴油发电机发出停机信号。接收到停机信号后，7台柴油发电机收到停机信号延时30秒，随后并机开关AK1~AK7将自动分闸解列。待7台柴油发电机的并机开关全部分闸后，柴油发电机将开始进入180秒的冷却延时阶段，确保其完全冷却后安全停机。若在冷却过程中市电再次停电，柴油发电机将立即启动并机运行程序，以保障供电稳定。
3、单路市电停电启动柴油发电机切换模式
以上数据中心在应对两路市电同时停电时，高压柴油发电机系统启动及并机输出。该过程中系统采用逐级投切后端负载的方式，有效防止了大电流冲击对变配电设备的损害。这一切换逻辑模式设计方案因其典型可靠、可行性强得到了业界的广泛认可，但在切换时间延迟与供电稳定性方面也存在一些缺点。在切换时间延迟方面：在两路市电同时停电后，高压柴油发电机需一定时间启动并接入供电系统，存在柴油发电机供电中断，这个中断时间从几秒到几分钟不等，其间，直供负载由UPS后备蓄电池供电，但蓄电池的后备保障时长因电池性能、维护状况等因素而有所变化，因而可能导致直供负载短暂缺电。供电稳定性问题方面：柴油发电机在启动和接入供电系统的过程中，可能会因电压、频率等参数的波动而影响供电质量，这种波动可能对精密仪器、高灵敏度设备等造成不利影响。

针对单母线分段不设母联的高压配电系统，下面提出了单路市电停电启动柴油发电机切换模式，即任意一路市电停电即启动柴油发电机为该路末端负载供电，可大幅缩短切换时间，其优化后的切换逻辑如下。

1）柴油发电机的启动与并机条件。

当任一路市电因停电故障发出ATS干接点启动信号时，无论是1#ATS还是2#ATS，只要其中一个接收到该信号，即会触发柴油发电机的启动机制。此时，7台柴油发电机将同时接收到启动信号，并开始执行启动运行程序。柴油发电机经过盘车启动并运行至正常状态后，系统会进入自动并机逻辑。在并机过程中，左侧第一台柴油发电机G的AK1开关会先合闸，随后其他机组（AK2~AK7）将捕捉同步参数，确保电压、频率和相位的一致性，随后进行柴油发电机的并机流程。

2）柴油发电机电输出条件。

当并机运行的柴油发电机数量等于或超过4台时，两个出线开关K5和K6将具备自动合闸的条件。若并机运行的柴油发电机数量少于4台，则这两个出线开关将不会自动合闸，但可以通过人工操作就地模式下进行合闸。当柴油发电机运行台数等于4台时，出线开关合闸顺序为：当1#ATS发出柴油发电机启动信号时，系统会延时1秒后自动发出K5的合闸信号；而当2#ATS发出柴油发电机启动信号时，系统会延时3秒后自动发出K6的合闸信号。

3）ATS判断切换逻辑。

当ATS监测到两路市电中任意一路停电时，柴油发电机将启动并达到正常供电状态。此时，停电故障市电对应的高压输入开关K1或K2会执行分闸动作，以断开与停电市电的连接。随后，ATS会自动切换至柴油发电机供电侧，并控制对应的K3或K4开关执行合闸操作。这__一流程旨在先分断负载，再执行ATS切换，以提高切换效率和可行性。

4）柴油发电机电退出条件。

当1#ATS监测到市电来电时，延时2秒发送出线K5分闸信号；当2#ATS监测到市电来电时，延时3秒发送出线K6分闸信号。

5）柴油发电机停机条件及过程。

市电停电故障恢复后，ATS会发出停机信号。若两个ATS同时发出柴油发电机停机信号，柴油发电机并机系统会进行逻辑判断，随后向7台发电机发出停机指令。这7台发电机在接收到停机信号后，会延时30秒以确保安全，随后并机开关AK1~AK7将自动分闸解列。7台柴油发电机并机开关分闸完成后，发电机将进入180秒的冷却延时阶段，冷却延时停机。然而，如果在柴油发电机冷却的过程中，市电突然再次停电，柴油发电机系统将自动启动并机运行程序。
4、比较分析
单路市电停电启动柴油发电机供电时，其状态为两路不同类型的电源分别给机房两路供配电路由的末端负载供电，将原有的两路市电独立给负载供电切换为一路市电和一路柴油发电机电分别独立给对应负载供电，从切换逻辑到供电应用可行。
虽然A级数据中心设计规定蓄电池的备用时间至少15分钟，理论上UPS蓄电池能保障市电与柴油发电机的切换时间。然而，接近报废的蓄电池可能因单体落后或开路，增加了供电切换时负载断电的风险。
在数据中心单母线分段不设母联架构下，对于单路市电停电启动柴油发电机供电切换模式，当单路市电停电时，低压侧母联迅速切换至另一路市电供电，同时启动柴油发电机并机供电，再切回两路供电，节省60秒时间。相较于两路市电同时停电时启动柴油发电机供电切换模式，单路市电停电后的柴油发电机独立负载供电的切换更为高效，不仅确保了负载供电的可靠性，还提升了供电恢复的及时性。
在单路市电停电时，文中两路市电双停电启动柴油发电机与单路市电停电启动柴油发电机供电两种切换方案各有优势。前者迅速切换至正常侧市电，柴油发电机冷备；后者则启动柴油发电机为故障侧供电，与正常侧共同承担负载，处于热备状态。后者不仅为二次故障做好准备，还节省了柴油发电机启动时间，提高了供电的及时性和可靠性。从供电角度看，后者方案在应对单路市电停电时更为优越。
5、结论

目前，国内数据中心两路市电同时故障的概率极低，因而柴油发电系统利用率不高，通常仅在日常运维测试时短暂运行。为提高柴油发电机的使用概率并合理利用柴油发电机资源，可以从两路市电供电架构入手，结合设备日常运维的可行性、便利性和实用性，对现有市电与柴油发电机的切换逻辑模式进行优化调整。这样，不仅可提高闲置资源的利用率，还能降本增效，实现资源的合理配置。通过优化切换逻辑模式，确保在市电故障时，柴油发电机能更快速、更有效地投入运行，为数据中心提供稳定可靠的电力保障。

 

来源：数据中心基础设施运营管理

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