隨著電力需求的不斷增加，電力系統(tǒng)供電可靠性要求越來越高，許多供電系統(tǒng)已具備兩回或多回供電線路。備用電源自動投入裝置可以有效提高供電的可靠性，該類裝置能夠在工作電源因故障斷開后，自動且迅速地將備用電源投入到工作或?qū)⒂脩羟袚Q到備用電源上。本文介紹的AM5-DB低壓備自投裝置，針對該工程的三進線兩聯(lián)絡兩柴發(fā)系統(tǒng)特殊定制了備自投邏輯，實現(xiàn)分段備投+柴發(fā)備投的備自投功能，同時配合我司的電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000實現(xiàn)對整個配電房的配電線路的監(jiān)視、測量、控制和保護，能大大提高變電站運行的可靠性、安全性和供電質(zhì)量，有利于實現(xiàn)變電站綜合自動化，實現(xiàn)無人或少人值班。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；可靠性；低壓備自投裝置；電力監(jiān)控系統(tǒng)

近年來，國內(nèi)各行業(yè)業(yè)務處對信息技術的依賴不斷增加，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場逐漸擴大，投資規(guī)模迅速增長，對用電需求也逐年增加。通過對數(shù)據(jù)中心用電情況的分析，數(shù)據(jù)中心用電主要呈現(xiàn)以下幾個特點：①可靠性要求高：可靠性是數(shù)據(jù)中心用電的核心要求，需要完備的故障處理機制保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。所以在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，除了正常采取多回路獨立電源供電以外，還會配有事故備用柴油發(fā)電機；②配電系統(tǒng)復雜：相比較一般建筑配電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)因增加了柴油發(fā)電機等設備，結(jié)構(gòu)更為復雜，以滿足高可靠性的供電需求；③用電規(guī)模大且密度高：隨著數(shù)字化浪潮席卷全球，數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸需求呈指數(shù)化增長，推動數(shù)據(jù)中心朝大型化、超大型化方向發(fā)展。IT設備如服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備等，其能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中占比較大，同時為保證IT設備在正常溫濕度條件下工作，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)也需要消耗大量電力。這使得數(shù)據(jù)中心耗電量占全球用電量比重逐年增高，對供電系統(tǒng)的承載能力及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)中心用電特點，其用電管理顯得尤為重要，本項目為遼寧省移動數(shù)據(jù)中心舊配電房改造工程，項目主要內(nèi)容為在0.4kV部分增設低壓備自投裝置實現(xiàn)主電源故障時切換至備用電源以保證電力供應的連續(xù)性及在配電房內(nèi)增加電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個配電房的配電線路的監(jiān)視、測量、控制和保護。本文主要介紹我司低壓備自投裝置AM5-DB及電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000在該項目中的應用。

該項目的0.4kV供電系統(tǒng)主要由三站用變進線、兩母聯(lián)及兩柴發(fā)進線組成，具體項目一次圖已簡化如圖1所示。三個站用變均為10/0.4kV電壓等級，且來源于同一10kV母線。其中進線1、進線2為主用進線，進線3作兩進線其中之一的熱備用（當兩路主用進線均失電時，只給I段母線供電），III段母線不帶負載；兩柴發(fā)進線作為站用變進線的備用。我司用兩臺備自投裝置采集三站用變進線電壓電流、兩路柴發(fā)電壓及各斷路器位置狀態(tài)，并集成了7個斷路器的分合閘控制信號及兩個柴油發(fā)電機的啟動信號實現(xiàn)對該低壓系統(tǒng)的備自投投切的控制。

近年來，國內(nèi)各行業(yè)業(yè)務處對信息技術的依賴不斷增加，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場逐漸擴大，投資規(guī)模迅速增長，對用電需求也逐年增加。通過對數(shù)據(jù)中心用電情況的分析，數(shù)據(jù)中心用電主要呈現(xiàn)以下幾個特點：①可靠性要求高：可靠性是數(shù)據(jù)中心用電的核心要求，需要完備的故障處理機制保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。所以在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，除了正常采取多回路獨立電源供電以外，還會配有事故備用柴油發(fā)電機；②配電系統(tǒng)復雜：相比較一般建筑配電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)因增加了柴油發(fā)電機等設備，結(jié)構(gòu)更為復雜，以滿足高可靠性的供電需求；③用電規(guī)模大且密度高：隨著數(shù)字化浪潮席卷全球，數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸需求呈指數(shù)化增長，推動數(shù)據(jù)中心朝大型化、超大型化方向發(fā)展。IT設備如服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備等，其能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中占比較大，同時為保證IT設備在正常溫濕度條件下工作，數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)也需要消耗大量電力。這使得數(shù)據(jù)中心耗電量占全球用電量比重逐年增高，對供電系統(tǒng)的承載能力及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)中心用電特點，其用電管理顯得尤為重要，本項目為遼寧省移動數(shù)據(jù)中心舊配電房改造工程，項目主要內(nèi)容為在0.4kV部分增設低壓備自投裝置實現(xiàn)主電源故障時切換至備用電源以保證電力供應的連續(xù)性及在配電房內(nèi)增加電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對整個配電房的配電線路的監(jiān)視、測量、控制和保護。本文主要介紹我司低壓備自投裝置AM5-DB及電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000在該項目中的應用。

該項目的0.4kV供電系統(tǒng)主要由三站用變進線、兩母聯(lián)及兩柴發(fā)進線組成，具體項目一次圖已簡化如圖1所示。三個站用變均為10/0.4kV電壓等級，且來源于同一10kV母線。其中進線1、進線2為主用進線，進線3作兩進線其中之一的熱備用（當兩路主用進線均失電時，只給I段母線供電），III段母線不帶負載；兩柴發(fā)進線作為站用變進線的備用。我司用兩臺備自投裝置采集三站用變進線電壓電流、兩路柴發(fā)電壓及各斷路器位置狀態(tài)，并集成了7個斷路器的分合閘控制信號及兩個柴油發(fā)電機的啟動信號實現(xiàn)對該低壓系統(tǒng)的備自投投切的控制。

圖1 備自投一次圖

本項目備自投裝置采集三站用變進線電壓電流、兩柴發(fā)進線電壓及7個斷路器位置，需要實現(xiàn)的備自投功能如下：

1）正常運行時1QF、2QF、3QF合閘，4QF、5QF、6QF、7QF分閘，由1#進線帶I段母線、2#進線帶II段母線，3#進線作為熱備用。當備自投裝置檢測到此時電壓、電流及斷路器位置狀態(tài)無誤時，經(jīng)延時，備自投進入充電狀態(tài)。

2）僅進線1電壓異常

①　當#1站用變異常時，備自投裝置檢測到進線1無壓無流，則斷開#1進線斷路器1QF，然后備自投合I、III段母線聯(lián)絡斷路器6QF，此時由備用站用變#3帶I段母線負載運行。

②　當備自投裝置檢測到進線1電壓恢復，備自投充電準備恢復由#1進線供電。充電完成后，備自投斷開I、III段母線聯(lián)絡斷路器6QF，合上#1進線斷路器1QF，恢復1#進線帶I段母線。

3）僅進線2電壓異常

①　當#2站用變異常時，備自投裝置檢測到進線2無壓無流，則斷開#2進線斷路器2QF，然后備自投合II、III段母線聯(lián)絡斷路器7QF，此時由備用站用變#3帶II段母線負載運行。

②　當備自投裝置檢測到進線2電壓恢復，備自投充電準備恢復由#2進線供電。充電完成后，備自投斷開II、III段母線聯(lián)絡斷路器7QF，合上#2進線斷路器2QF，恢復2#進線帶II段母線。

4）僅進線3電壓異常

①　當#3站用變異常時，備自投裝置檢測到進線3無壓無流，則斷開#3進線斷路器3QF，保持1#進線供I段母線運行，2#進線供II段母線運行。

②　當備自投裝置檢測到進線3電壓恢復，備自投充電準備恢復由#3進線供電。充電完成后，備自投合上#3進線斷路器3QF，恢復3#進線作熱備用。

5）進線1、進線2及進線3電壓均異常

①　當#1、#2、#3進線均失電時，備自投裝置檢測到進線1、進線2、進線3無壓無流，備自投發(fā)出啟動IP2、IP5柴發(fā)信號同時斷開#1進線斷路器1QF、#2進線斷路器2QF、#3進線斷路器3QF。備自投裝置檢測到1QF、2QF、3QF分閘，且IP5、IP2柴發(fā)有壓后，備自投裝置合IP5柴發(fā)進線斷路器5QF、IP2柴發(fā)進線斷路器4QF。由IP5柴發(fā)為I段母線供電、IP2柴發(fā)為II段母線供電。

②　進線1和進線2恢復，進線3未恢復時

備自投裝置檢測到U1和U2有壓、U3無壓，備自投充電準備恢復#1進線和#2進線供電。充電完成后，備自投裝置跳開IP5柴發(fā)進線5QF和IP2柴發(fā)進線斷路器4QF，然后合上#1進線斷路器1QF和#2斷路器2QF，1QF、2QF合閘后，經(jīng)延時啟動IP2信號、啟動IP5信號斷開。恢復1#進線帶I段母線，2#進線帶II段母線。

③　進線1和進線3恢復，進線2未恢復時

備自投裝置檢測到U1和U3有壓、U2無壓，備自投充電準備恢復#1進線和#3進線供電。充電完成后，備自投裝置發(fā)出命令跳開IP5柴發(fā)進線5QF和IP2柴發(fā)進線斷路器4QF，然后合上#1進線斷路器1QF和#3斷路器3QF，1QF、3QF合閘后，再合II、III段母線聯(lián)絡斷路器7QF，經(jīng)延時啟動IP2信號、啟動IP5信號斷開。此時3#備用進線帶II段母線，1#進線帶I段母線。

④　進線2和進線3恢復，進線1未恢復時

備自投裝置檢測到U2和U3有壓、U1無壓，備自投充電準備恢復#2進線和#3進線供電。充電完成后，備自投裝置發(fā)出命令跳開IP5柴發(fā)進線5QF和IP2柴發(fā)進線斷路器4QF，然后合上#2進線斷路器2QF和#3斷路器3QF，2QF、3QF合閘后，再合I、II段母線聯(lián)絡斷路器6QF，經(jīng)延時啟動IP2信號、啟動IP5信號斷開。此時3#備用進線帶I段母線，2#進線帶II段母線。

⑤　進線1、進線2和進線3均恢復時

備自投裝置檢測到U1、U2和U3有壓，備自投充電準備恢復#1進線、#2進線和#3進線供電。充電完成后，備自投裝置發(fā)出命令跳開IP5柴發(fā)進線5QF和IP2柴發(fā)進線斷路器4QF，然后合上#1進線斷路器1QF、#2進線斷路器2QF和#3斷路器3QF，經(jīng)延時啟動IP2信號、啟動IP5信號斷開。此時恢復1#進線帶I段母線，2#進線帶II段母線，#3進線作熱備用。

3、產(chǎn)品方案

本次改造在配電房新配Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)，通過ANet-2E4S智能網(wǎng)關將現(xiàn)場設備：10kV部分原有的微機保護裝置、本次0.4kV部分改造新增的備自投裝置及0.4kV的多功能電力儀表等數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_電力監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對本配電房設備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視和控制功能。

該配電房0.4kV系統(tǒng)共有3個站用變進線，2個母聯(lián)及兩個柴發(fā)進線，共計配置兩臺AM5-DB低壓備自投裝置安裝在該配電房改造新安裝的低壓備自投箱體中，由兩臺備自投裝置配合使用：備自投裝置1實現(xiàn)各斷路器分閘命令及控制柴發(fā)啟動，備自投裝置2實現(xiàn)各斷路器合閘命令。同時繪制箱體接線二次圖、端子排，根據(jù)原裝置二次回路設計進行改造，將備自投相關控制線路接入原二次回路中，并定制特殊程序及硬件實現(xiàn)整個系統(tǒng)的投切。

裝置背部端子設計方案如圖2.1所示：

改造后進線1柜二次回路如圖2.2所示（紅色部分為此項目改造新增）：

圖2.1  AM5-DB低壓備自投裝置背部端子圖

圖2.2 進線1柜改造二次原理圖

為實時監(jiān)視整個配電室的運行以及數(shù)據(jù)采集，該項目配置一套Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)，其可實現(xiàn)的主要功能如下：

4.1 實時監(jiān)測

人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及故障、告警等信號。同時單獨繪制了簡易的0.4kV備自投一次系統(tǒng)圖，更直觀地查看備自投狀態(tài)、市電進線和柴發(fā)進線的電壓電流及各斷路器位置狀態(tài)。

圖3  配電房整體實時監(jiān)測主界面

圖4  0.4kV備自投控制狀態(tài)顯示

4.2 電參量查詢

在配電一次圖中，可以直接查看對應回路的三相電流，通過實時報表可以進一步查看對應開關柜回路的詳細電參量，包括電流、電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、電能等。

圖5  實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

4.3 網(wǎng)絡拓撲圖及通訊管理

支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備運行狀態(tài)，能夠完整地顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位，方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

該項目配電房網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示，實時顯示配電房內(nèi)采集的各個設備通訊狀態(tài)，紅色圖例代表通訊中斷，綠色圖例代表通訊正常。在系統(tǒng)主機和通訊管理機旁標明了分配的IP地址，各個設備旁標出了設備名稱/設備所屬回路。

圖6  站內(nèi)設備系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

4.4 歷史事件查詢

能夠?qū)b信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警信息進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.5 曲線查詢

能夠查詢實時曲線和歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等所有遙測量。

4.6 運行報表

查詢各回路或設備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等，報表格式有日報表、月報表、年報表等。

4.7 遙控功能

根據(jù)電力規(guī)程要求，可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

4.8 用戶權(quán)限管理

設置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個權(quán)限組里分配不同用戶，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.9 事故追憶

能夠自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩(wěn)態(tài)信息，包括開關位置、 保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

4.10 故障錄波

能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各種電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。

本項目AM5-DB低壓備自投保護裝置安裝在該配電房改造新設置的備自投箱體中，現(xiàn)場安裝圖片如下所示，該項目已于2025年2月現(xiàn)場調(diào)試后送電使用，目前正常運行。

圖7  AM5-DB低壓備自投保護裝置現(xiàn)場安裝圖片

圖8  現(xiàn)場配電房值班室一次系統(tǒng)圖

圖9 現(xiàn)場低壓配電房

我國的電力供應主要依靠國家電網(wǎng)供電，電力缺口也在不斷變大，尤其在用電高峰期缺電現(xiàn)象嚴重，為此很多大型企業(yè)便自建電廠或配備發(fā)電機。備用電源自動投入裝置，可以保證電源的不間斷供電并提高供電的高可靠性，目前已經(jīng)成為現(xiàn)代配電工程中保護和控制回路的重要部分。同時電力監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對專用開閉所、配電房內(nèi)主要設備和輸配電線路的自動監(jiān)視、測量、控制、保護，以及與上級系統(tǒng)通信等綜合性的自動化功能。本文介紹的該配電房使用AM5-DB低壓備自投保護裝置實現(xiàn)了不同的供電方式的切換，提高了供電的可靠性，配合電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000使整個配電工程實現(xiàn)了綜合自動化，減少了現(xiàn)場值班人員的勞動強度，節(jié)省了人力資源。