两种市电与中压柴油发电机切换控制方式的对比分析

近年来，部分地区实施的错峰用电措施对数据中心的运行也产生了一些影响，柴发系统不仅需要承担在外电完全丢失的极端条件下提供短时的应急电力供应，还需要在错峰用电时提供长期、稳定的电力供应，对配电系统运行的可靠性和灵活性提出了更高的要求。本文从常用的两种2N供电架构出发，以中压柴发与中压配电系统配合的控制方式为切入点，讨论在不同控制方式的异同性，为架构选择提供参考。

1. 2N供电系统常用的控制方式介绍

由于大型数据中心配电系统冗余性、容错性的要求，近年来建成的数据中心的配电系统多采用2N架构来满足业务的稳定运行。其中，对于采用中压柴油发电机组作为应急电源的设计方案，需要通过可靠、合理、安全的控制方式来确保中压柴油发电机组与市电设备的有效配合，通常有如下形式：

1.1. “五选二”控制方式

“五选二”供电架构中，市电A路进线开关、市电B路进线开关、柴发A路进线开关、柴发B路进线开关、母联开关共五个开关分布在同一级两段母线上。根据运行要求规定，这五个开关同一时刻仅允许有两个开关合闸，且应具备防反送电功能。在正常运行过程中，供电系统备自投逻辑控制器同时采集上述5个开关的状态及线路电压、电流等参数，根据各项判据执行规定的动作，确保系统按预设的典型场景运行。

1.1.1. 一次设备典型配置

序号	名称	功能	数量
1	市电进线柜	外市电引入，A路、B路各一台	2
3	市电计量柜	外市电用电量计量，A路、B路各一台	2
4	柴发进线柜	应急电源引入，A路、B路各一台	2
5	PT柜	母线电压监测，A路、B路各一台	2
6	母联柜	A路、B路母线联络	1
7	母联隔离柜	A路、B路母线联络隔离	1
8	出线柜	馈线输出	8
9	备用柜	馈线备用	2
	总计		20

1.1.2. 二次控制系统典型配置

序号	名称	功能	数量
1	母联综保	实现母联开关继保及控制功能	1
2	市电进线综保	实现市电进线开关继保及控制功能，并存储备自投程序，A路、B路各一台，控制程序冗余备份	2
3	柴发进线综保	实现柴发进线开关继保及控制功能，A路、B路各一台	2

1.1.3. 系统组网

1.2. “三选二二选一”控制方式

“三选二二选一” 供电架构中，市电A路进线开关、市电B路进线开关、母联开关三个开关在第一级两段母线进行逻辑切换，其输出的两路供电再与柴发A路进线开关、柴发B路进线开关分别进行逻辑切换。在这种架构下，可以通过分级控制的形式实现中压柴发与中压配电系统的配合。一般情况下，该控制模式的控制逻辑分两级执行：

① 第一级：监控市电状态，在市电A路进线开关、市电B路进线开关、母联开关三个开关中，同一时刻仅有两个开关合闸；

② 第二级：监控进线母线状态，在柴发进线开关和市电出线开关两个开关中，同一时刻仅有一个开关合闸。

1.2.1. 一次设备典型配置

序号	名称	功能	数量	备注
1	市电进线柜	外市电引入，A路、B路各一台	2	第一级配置
3	市电计量柜	外市电用电量计量，A路、B路各一台	2
4	市电PT柜	市电进线母线电压监测，A路、B路各一台	2
5	市电母联柜	A路、B路母线联络	1
6	市电母联隔离柜	A路、B路母线联络隔离	1
7	市电出线柜	A路、B路市电出线，A路、B路各一台	2	第二级配置
8	柴发进线柜	应急电源引入，A路、B路各一台	2
9	中压PT柜	中压配电段电压监测，A路、B路各一台	2
10	出线柜	馈线输出	8
11	备用柜	馈线备用	2
	总计		26

1.2.2. 二次控制系统典型配置

序号	名称	功能	数量	备注
1	母联综保	实现母联开关继保及控制功能，与市电进线综保配合实现“三选二”控制功能	1	三选二控制
2	市电进线综保	实现市电进线开关继保及控制功能，与母联综保和另一台市电进线综保配合实现“三选二”控制功能，A路、B路各一台	2	三选二控制
3	市电出线综保	市电出线开关继保及控制功能，“二选一（市电出线、柴发进线）”控制核心设备	2	两套二选一控制
4	柴发进线综保	柴发进线开关继保及控制功能，A路、B路各一台	2	两套二选一控制

1.2.3. 系统组网

2. 2N供电系统常用的控制方式对比

2.1. 典型运行方式

1) “五选二”控制方式下的典型运行模式

序号	场景	市电A路进线开关	柴发A路进线开关	母联开关	柴发B路进线开关	市电B路进线开关
1	双路市电正常	●	○	○	○	●
2	市电A路失电	○	○	●	○	●
3	市电B路失电	●	○	●	○	○
4	双路失电	○	●	○	●	○
5*	市电A路带载，柴发B路带载	●	○	○	●	○
6*	市电B路带载，柴发A路带载		●	○	○	●

注：1）●代表该开关合闸，○代表该开关分闸

2）带*的特殊工况，存在不同地区供电政策限制风险，大多数情况下并未做为标准工况考虑

2) “三选二二选一”控制方式下的典型运行模式

序号	场景	市电A路进线开关	母联开关	市电B路进线开关	市电A路出线开关	柴发A路进线开关	市电B路出线开关	柴发B路进线开关
1	双路正常	●	○	●	●	○	●	○
2	市电A路失电	○	●	●	●	○	●	○
3	失电B路失电	●	●	○	●	○	●	○
4	双路市电失电	○	○	○	○	●	○	●
5*	市电A路带载，柴发B路带载	●	○	○	●	○	○	●
6*	市电B路带载，柴发A路带载	○	○	●	○	●	●	○

注：1）●代表该开关合闸，○代表该开关分闸

2）带*的工况，从柴发带载运行成本上考虑，大多数情况下并未做为自动逻辑运行模式，而是通过手动方式实现

2.2. 典型控制逻辑

单路市电失电
五选二	控制器在检测到任意一路市电进线无压无流后，延时断开相应市电进线开关。检测到市电进线开关断开后，闭合中压母联开关，系统由单路市电经过母联带载。
三选二二选一	第一级控制器在检测到任意一路市电进线无压无流后，延时断开相应市电进线开关。在检测到市电进线开关断开后，闭合中压母联开关，系统由单路市电经过母联带载。
双路市电失电
五选二	控制器在检测到两路市电均失电后，延时断开市电进线开关和中压母联开关。检测到上述开关均断开且柴发进线开关得电后，闭合柴发进线开关，系统由柴油发电机组带载。
三选二二选一	第一级控制器在检测到两路市电均失电后，延时断开所有市电进线开关和中压母联开关。第二级控制器在检测到两路进线母线无压，且上述开关均断开后，断开相应的市电出线开关，待柴发进线开关得电后后闭合柴发进线开关，系统由柴油发电机组带载。
单路市电单路柴发带载
五选二	注：此种模式为特殊工况，需要手动执行操作，且系统需要解除本段母线柴发进线开关与另一段市电进线开关之间的电气联锁。执行时可先启动柴发机组，然后将控制系统切至手动，分闸并摇出停电侧市电进线开关、以及母联开关，通过合闸本段柴发进线开关，使系统由柴发和市电分别带载。
三选二二选一	注：此种模式一般需要手动执行操作，无需解除电气联锁。执行时可先启动柴发机组，然后将第一级控制系统切至手动，分闸停电侧市电进线开关，经过延时后第二级控制系统自动切换，分闸市电出线开关并合闸柴发进线开关，使系统由柴发和市电分别带载。

2.3. 优劣势分析

2.3.1. “五选二”控制方式优劣势

优势	劣势
① 简单、可靠、投资较少 ② 能够很好地实现2N架构配电系统在常规工况下的自动化运行 ③ 设备数量少，手动操作的步骤少	① 改扩建难度较大 ② 一套控制系统中包含所有的逻辑场景，复杂程序对控制器的配置要求较高，尤其是使用综保作为控制器的情况 ③ 设备关联性大，作为控制系统中的任何一台控制装置故障，均会影响整套逻辑

2.3.2. “三选二二选一”控制方式优劣势

优势	劣势
① 运行方式灵活 ② 柴发进线开关与市电进线开关不处于同一级，无闭锁限制 ③ 控制系统使用分布式，每一套控制逻辑都简单、高效、独立 ④ 可以通过对延时参数的调节实现对市电母联、或柴发优先级的切换	① 设备数量多，成本升高 ② 手动操作步骤增多

2.3.3. 对比分析

	“五选二”控制方式	“三选二二选一”控制方式
可靠性	较高	高
灵活性	低	高
经济型	高	中

3. 两种控制方式的选择

对于上述任意一种控制方式，都可以满足我们所需的运行工况。但是由于当前绝大多数采用“五选二”控制方式的数据中心仅考虑了常规的运行工况，在目前供电、供能逐步收紧的形势下，难以发挥出其优势。而“三选二二选一”控制方式带来的灵活性，对提高系统的可靠性、减轻现场运维压力方面有更为显著的效果。为达到提升运营业务安全稳定的目的，需要从如下角度进行考虑，为决策提供参考依据：

3.1. 政策和标准要求

目前现行的国标、行标中缺乏对2N系统控制方式的具体要求和措施，不同地区供电部门会根据当地实际要求惯例出发，提出必要的安全措施和技术要求，如母联开关与进线开关之间安装机械联锁，甚至不允许企业自建中压母线设置母联开关等。故对于新建项目，需要在项目设计建设前与当地供电部门充分沟通，确认相关要求和条件，为控制方式的选择提供评估依据；对于在建项目和已建成的项目，需要根据控制逻辑图和调度协议等确认运行限制条件，评估目前系统是否可以满足新增的运行场景，为设备升级改造提供评估依据。

3.2. 经济性评估

相较于“五选二”控制方式， “三选二二选一”的控制方式将会带来设备投资成本增加，同时新增的设备还将增加机房设施占用面积、维护成本等，应当综合评估其全生命周期成本。

3.3. 外部运行环境评估

对于所在区域已经限电或限电风险较高的项目，应当考虑对“五选二”控制方式进行改造或者采用“三选二二选一”的控制方式，以满足多种运行方式的需求；而对于本地能源充裕、暂无限电计划的区域，可继续沿用现有模式，预留改造空间即可。更为重要的是，不管采取哪种控制方式，机房运营团队必须清楚相应的关键技术实现方案，并通过充分的实操及演练及培训，确保控制方式的正确实施。

综上，在当地供电部门许可的情况下，建议位于限电高风险区域、预算较为充裕的数据中心，采用“三选二二选一”的控制方式；而对于位于限电低风险区域或预算不足的数据中心，可对“五选二”控制方式进行改造，在防反送电原则下，通过技术手段仅在特殊工况下解除本段柴发进线开关与另一段市电进线开关的联锁，一定程度下提高供电系统的灵活性。

基础设施数据中心柴油发电机组备自投

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