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浅析电力监控在新型数据中心的设计和应用

点击次数:238 发布时间:2022-09-23

摘要:了实现大型数据中心高低压配电设备的安全、可靠、自动化运行,提出了融入传统配电自动化技术的新型数据中心电力监控设计。新型监控系统是集计算机技术、数据传输、自动化控制技术、智能管理于一体的综合监控管理系统,不仅提高整个数据中心的可靠性、灵活性,而且对提升数据中心的运维管理水平有很大的帮助。

关键词:数据中心;电力监控;控制自动化

引言

随着信息化技术和IT技术的发展,各行业的业务和数据从分散部署走向集中,数据中心的数量、规模也在不断的增长,配套的电力基础设施也日益增多,因此,传统的监视监控系统已无法满足大型数据中心电力设备的运维需求,新的电力监控系统需以标准性、可靠性、可用性、先进性为技术原则,采用标准化设计,同时实现配电 设备远程控制及就地自动化。

、电力监控系统结构设计

新型电力监控系统采用传统的工业自动化与IT技术相结合方式,以标准化、集成化、智能化、国际化、组件化设 计理念,支持数据中心各个智能设备的集成监控。其中系统将采用分层、分布、以太网结构,由站控层、 间隔层及网络设备组成,双网均能同时进线数据通信,能实现网络无缝切换,确保监控系统的高可靠性。

站控层采用双以太网冗余结构,根据需要可设置数据库服务器、电气操作员站、电气工程师站、打印机以及负责与其它系统通信的管理装置,形成电气系统监控中心。整个监控系统采用面向对象、模块化设思想,遵循国际标准,符合开系统的设计要求一。

网络层主要由通信管理单元、交换机等组成。对于10kV综保装置,可采用以太网方式直接接入交换机;对于低压智能仪表、UPS空调、变压器、直流屏、配电柜等装置,采用通信管理单元实现规约转换和装置通信。通过“功能插件"可获得强大的扩展功能,实现即插即用。

间隔层可由就地各变电所,划分成变电所(一)、变电所(二)、变电所(三)、变电所(四)等子站构成口在站 控层网络失效的情况下,间隔层须能完成间隔层的监测 和断路器的就地控制功能。其中保护测控装置、通讯管理机 通过以太网口直接接入系统双网。

二、电力监控系统功能设计

电力监控系统需要充分考虑电力设备自动化系统的各中 应用需求,采用一体化设计,强大的集成化平台,实现系统配置管理、实时数据库管理、网络通讯管理、图像管理、权限管理、告警功能、报表功能、一体化五防、操作票管理、程序化控制、保护信息管理、WEB信息发布、操作员仿真培训等数据中心电力设备日常运维所需功能。具体功能设计如下:

1)具备程序化操作功能:可在监控室监控平台上实现对开关柜的自定义操作控制。

2)具备OPC接口及相关协议,实现与数据中心其它系统连接。

3)监控系统软件应包括但不限于操作系统、数据库、支撑软件、应用软件等所有软件。

4)显示画面:包括主接线图、设备分画面、实时状态参数、保护信息、告警信息等,其中接线图中的带电设备须具有颜色标识口。

5)数据采集与处理:模拟量主要包括电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、温度等;开关量包括开关位置、事故信号和预告信号、自动装置投入及退出信号、开关当地/远动操作位置信号、变压器温度告警信号、超温跳闸信号等;事件信号包括开关状态的变位、综合保护装置动作信号、控制操作及操作后状态变化 等以及事件发生的时刻、事件性质和名称。

6)操作控制功能:提供完备的操作控制功能,包括遥控、遥调、保护压板投退、保护定值整定、信号复归等。同时控制支持闭锁功能。

7)告警处理:告警应能分层、分级、分类处理,起到事件的过滤作用,能现场自定义配置告警的处理方式设置预告信号和事故信号,并产生不同的音响告警及闪光,自动推出相应画面,对应事故、故障设备的图形发生闪动变位,窗口提示事件内容及处理指导告警信号可在监控主机上人工确认复归,告警同时启动事件打印输出功能。

8)事故追忆及显示画面:动作发生时,系统自动启动相关的测量数据记录,供系统进行事故追忆。要求系统可追忆事故前后全站各个间隔的测量数据。并提供曲线、表格等形式选择想要查看的事故追忆数据。

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9)历史数据存储:系统主站设有历史数据库,记录实时参数数据、统计数据、变位、告警、操作记录等,并能保存一年以上。同时支持历史数据以移动存储设备方式进行备份。

10)数据报表:能提供功能强大、灵活自如的报表编辑工具。能提供典型报表模板,支持自定义编辑及Excel格式导出。报表可显示数据包括:各种历史采样数据;各种统计值,如平均值、峰谷平值等,报表显示支持数值、曲线、棒图、饼图等。

11)能耗管理:按设备、变电所统计显示能耗情况,同时可实时显示数据中心PUE值,显示方式包括折线图、饼状图、柱状图等(PUE值二设备总能耗/IT设备能耗)。

12)保护定值修改:监控主机能显示各线路的保护配置 并能对所有保护定值进行设置和修改,也能对各保护功能进行投退,以适应开关所内保护多种运行方式。

13)谐波分析功能:能对电压、电流谐波分析,奇次、 偶次、总谐波越限等多种启动方式,显示谐波频谱图以及总谐波畸变率等。

14)一体化五防功能:可根据运行要求完成操作票的生成、预演、打印、执行、记录;对操作口令、操作权限不符的操作具有闭锁功能,并在屏幕上显示拒绝执行的原因;操作过程中应能实时、准确采集现场数据,保证与实际一次设备状态的一致性。

15)管理:系统软件设置支持多种权限分区和密级设置,需系统管工程师、一般值班操作人员等提供,并对所有操作自动进行带时标事件记录,可建立良好的反事故措施。

16)系统对时:监控系统配置卫星时钟设备,以接收标准授时信号,对站控层各工作站及间隔层各单元等 有关设备的时钟进行校正。

17WEB浏览功能:实现WEB方式实时浏览设备状态、采集参数、告警信息等.并与电力监控系统作正向隔离。

18)联动功能:通过与监控系统的数据交互,实现联动;通过与门禁系统的数据交互,实现变电所相关门禁信息查询口。

19 )系统满足如下性能指标:

•系统遥信响应时间W 2s

•遥测响应时间W 3s

•遥控响应时间W 3s

•站内事件顺序记录分辨率W 2ms

•画面实时数据更新W 3s

•系统平均间隔时间(MTBFN 20000h

三、数据中心自动化控制设计

电力设备自动化控制在传统的工业领域已经广泛应用,例如在火电厂,不但提高了电厂的自动化运转,更加强了其管理,提升了系统可靠性,避免人为误操作事故等。因此,加强对大型数据中心电力电气自动化的技术运用,将成为数 据中心实现“可靠、节能"运转的前提之一。以标准的两段母线分列运行的数据中心为例,自动化控制设计如下:1)数据中心10KV母线电源在市电正常、一路市电断电、 两路市电断电工况下开关的自动化切换,其中电进线开关、发电机进线开关、母联开关分合闸状态如下:

电源状况

1#市电进线开关

发动机进线开关

母联开关

发电机进线开关

2#市进线开关

AH1-2

AH1-4

AH1-12

AH2-9

AH2-1U

正常

×

×

×

1#市电断电

×

×

×

2#市电断电

×

×

×

1#、2#市断电

×

×

×

√合闸 ×分闸

 

2)数据中心在10KV母线在两路市电断电后,切除所有变压器出线开关,待应急发电供电时,各变压器出线开关能分级自动合闸,以便柴油发电机组分阶加载,从而实现柴油发电机的正常供电,避免因启动负荷太大导致油机宕机的事故。

电源状况

变压器出线开关1组

变压器出线开关第2组

变压器出线开关第3组

变压器出线开关第4组

变压器出线开关第5组

开麻5组

发电机出线开关1组

发电机出线开关第2组

备用

I段母线

AH1-6

AH1-7

AH1-8

AH1-9

AH1-1U

AH1-11

AH1-12

AH1-5

II段母线

AH2-8

AH2-7

AH2-6

AH2-5

AH2-4

AH2-2

AH2-3

AH2-9

正常

×

1#、2#市断电

×

×

×

×

×

×

发电机供电

0秒

×

×

×

×

×

3秒

×

×

×

×

6秒

×

×

×

9秒

×

×

12秒

×

√合闸    ×分闸

 

3 馈线开关分合状态

四、智能设备监控需求设计

随着数据中心的发展,基础设施设备的数量也在不断的增加,电力监控系统需将所有设备有效的集中监控起来,实时观察各个设备的状态,确保数据中心可靠地运行。

1)柴油发电机并机管理系统监控需求:

柴油发电机组电压、电流、频率、转速、有功功率、无功功率、功率因数、机油压力、水温、发电机绕组/涡轮温度、电池电压、运行小时等运行参数、机组手动/自动、运行/停机/自动/负载试验等工作状态。燃油低位、发动机低温、机油低压发动机高温、电池低压、电池高压、起动失败、机油低压、发动机高温、发电机电压过高/低、频率过高/低、过电流、逆功率、同步失败、发电机内部相间短路、开关不在自动位告警等告警信号。

2)测试负载监控需求:电压、电流、频率、功率因数、有功功率等参数、手动/自动、运行/停机等工作状态、系统短路、风机故障、高温故障、急停、过电压、 过电流等告警信号。

3)埋地油罐及油泵系统监控需求:日用油箱和埋地油罐油位显示、液位告警和油温、供油泵工作和故障状态等信息。

4UPS不间断电源监控需求:输入电压/电流/功率、输出电压/电流/功率、电 池电压、THDUPS运行状态以过流/过压/过温告警等信号

5UPS蓄电池组巡检仪监控需求:电池电压、温度、充放电电流等参数及告警信号。

6)直流屏监控需求:输入输出电压、电池电压/电流等参数、过/欠压、绝缘下降等告警信号、浮充、均充运行状态

7)变压器监控需求:实时监测温度、扌艮警信号等。

8)空调监控需求:实时监测温度、湿度、运行/停机状态、告警信号等。

9)电容补偿柜监控需求:实时监测电流、功率、功率因数、温度、告警信号等。

10)低压智能仪表监控需求:实时监测每一回路的电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、有功电度、 无功电度等。

五、安科瑞AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理系统平台组成

安科瑞电气紧跟数据中心发展形式,推出AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理解决方案,包含有电力监控、动环监控、消防监控、能耗统计分析、智能照明控制以及新能源监测几个子系统。集成了变配电监测、电源备自投、电气接点测温、智能照明控制、电能质量监测及治理、蓄电池在线监测、配电监控、智能母线监控以电气火灾、应急照明及疏散指示等多种子功能,能够帮助用户实时掌握数据中心的运行情况,保障数据中心可靠、节约、有序、低碳的运行,辅助运维团队提升数据中心能效、资源利用率和可用性,提高运维效率并降低运维成本。

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六、电力监控解决方案

电力监控系统实现对数据中心中低压配电系统、UPS、蓄电池组、ATS/STS、精密配电柜、电源支路电流、PDU机柜电源以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能,实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患,快速排除故障,提高数据中心供电可靠性。

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七、平台部署硬件选型

应用场合(10KV

产品

型号

功能

数据中心

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综合管理系统能效AcrelEMS-IDC

安科瑞电气紧跟数据中心发展形式,推出AcrelEMS-IDC数据中心综合能效综合解决方案,集成了变配电监测、电源备自投、电气接点测温、智能照明控制、电能质量监测及治理、蓄电池在线监测、配电监控、智能母线监控以及消防监控等多种子功能,能够帮助用户实时掌握数据中心的运行情况,保障数据中心安全可靠的运行,辅助运维团队提升数据中心能效、资源利用率和可用性,提高运维效率并降低运维成本。

 

 

智能网关

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Anet系列

8个RS485串口 2kV隔离, 2个以太网接口,支持Modbus RTU、IEC-60870-5-101/103/ 104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入,支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC-60870-5 -104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求,支持断点续传,装置电源:220V AC/DC。

 

 

 

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10KV/馈线

 

 

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AM6-L

相间电流速断保护,相间电流速断保护(可带低压闭锁),相间过电流保护(可带低压闭锁),两段式零序过流保护,反时限相间过流保护(可带低压闭锁),零序反时限过流保护,过负荷保护,控制回路异常告警。

10/0.4KV变压器

AM6-S

分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接 点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、 装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温告警、过温告警、装置告警、PT 断线、CT 断线、对时异常等) 、遥控 开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、 跳闸、故障电流电压)等。

中压备自投装置

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AM6-B

实现5个开关的备投控制;

实现进线自投自投、进线互投、母联自投自复、柴油备投、自适应备投、联切备投等19种切换方式;

逻辑可编程功能;

智能操控装置

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ASD500

一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示(标配一路强制加热)、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温

 

 

 

10KV计量

 

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APM520

该仪表采用交流采样技术,能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数,可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口,采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出,继电器告警输出等功能。


 

 

 

 

弧光保护

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ARB5-M

主控单元,可接20路弧光信号或4个扩展单元,配置弧光保护(8组)、失灵保护(4组)、TA断线监测(4组)、11个跳闸出口;


ARB5-E

扩展单元,多可以插接6块扩展插件,每个扩展插件可以采集5路弧光信号:

image.png 

ARB5-S

弧光探头,可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室,也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°,半径0.5m的扇形区域;

应用场合(0.4KV

产品

型号

功能


 

 

 

 

0.4KV/出线

 

 

 

image.png 

 

 

 

 

 

APView500

相电压电流+零序电压零序电流,电压电流不平衡度,有功无功功率及电能、事件告警及故障录波,谐波(电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子)、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波,波形实时显示及故障波形查看,PQDIF格式文件存储,内存32G,16D0+22D1,通讯2RS485+1RS232,3以太网接口(+1维护网口)+1USB接口支持U盘读取数据,支持61850协议

 

 

 

 

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APM520

该仪表采用交流采样技术,能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数,可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口,采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出,继电器告警输出等功能。

 

 

 

 

电能质量

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ARC

测量I、U、Hz、cosΦ,具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切,RS485/Modbus协议

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ANSVC

ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中,能根据电网中负载功率因数的变化通过控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案,主要以电容电抗、投切开关等组成。

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ANAPF

 

 

 

ANAPF系列有源电力滤波器通过电流互感器采集系统谐波电流,经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量,产生谐波电流指令,通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流,并注入电力系统中,从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

应用场合(配电室)

产品

型号

功能

 

 

 

 

 

 

 

 

环境监测

 

温湿度

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/

用于配电房温度和湿度。工作电源:AC/DC 85~265V 工作温度:-40.0℃~99.9℃ 工作湿度:0%RH~99%RH

烟雾

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/

光电式烟雾传感; 电源正极(DC 12V):+12V,继电器输出:常开触点

 

水侵

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/

接触式水浸传感器,监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况,工作电源:DC 10-30V 工作温度:-20℃~+60℃ 工作湿度:0%RH~80%RH  响应时间:1s  继电器输出:常开触点

局方检测

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/

监测变压器、开关、开关柜的局部放电

门禁

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/

 

常开型;感应距离:30-50mm 材质:锌合金,银灰色电度 干接点输出

摄像机

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/

 

视频监控

开关量模块

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ARTU-KJ8  

8路开关量输入,8路继电器输出

 

 

 

智能网关

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ANet-2E4SM

4路RS485 串口,光耦隔离,2路以太网接口,支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP(主、从)、104(主、从)、建筑能耗、SNMP、MQTT;(主模块)输入电源:DC 12 V ~36 V  。支持4G扩展模块,485扩展模块,最多可扩展16路。

八、结束语

数据中心电力监控系统采用自动化控制技术是传统数据 中心监控系统的重大变革,其技术水平将不断提高,监控网 络结构也在不断地改进。应在满足运维需求的条件下,不断 开拓设计思路,运用新原理、新技术,优化设备工艺,以满 足数据中心不断发展的需求

 

参考文献

[1]黄益庄,变电站综合自动化技术中国电力出版社

[2]秦建华.变电站综合自动化系统通信网络技术的研究和应用四川大学

[3]金午桥.变电站自动化系统的发展策略电力系统自动化

[4]GB50062 - 92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》

[5]DL5003 - 91《电力系统高度自动化设计技术规程》

[6]李昌旺.丰刚明.吴远培.浅析新型数据中心电力监控设计

[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册. 2022.05


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