安科瑞 劉邁

摘要：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(lái)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(dòng)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(dòng)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(duì)該工程的三進(jìn)線兩聯(lián)絡(luò)兩柴發(fā)系統(tǒng)特殊定制了備自投邏輯，實(shí)現(xiàn)分段備投+柴發(fā)備投的備自投功能，同時(shí)配合我司的電力監(jiān)控系統(tǒng)Acrel-2000實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電房的配電線路的監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)，能大大提高變電站運(yùn)行的可靠性、安全性和供電質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值班。

關(guān)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)

1、項(xiàng)目概況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各行業(yè)業(yè)務(wù)處對(duì)信息技術(shù)的依賴不斷增加，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，投資規(guī)模迅速增長(zhǎng)，對(duì)用電需求也逐年增加。通過(guò)對(duì)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(gè)特點(diǎn)：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(jī)制保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(dú)立電源供電以外，還會(huì)配有事故備用柴油發(fā)電機(jī)；②配電系統(tǒng)復(fù)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(jī)等設(shè)備，結(jié)構(gòu)更為復(fù)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(chǔ)、處理與傳輸需求呈指數(shù)化增長(zhǎng)，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心朝大型化、超大型化方向發(fā)展。IT設(shè)備如服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，其能耗在數(shù)據(jù)中心總能耗中占比較大，同時(shí)為保證IT設(shè)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(duì)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(diǎn)，其用電管理顯得尤為重要，本項(xiàng)目為遼寧省移動(dòng)數(shù)據(jù)中心舊配電房改造工程，項(xiàng)目主要內(nèi)容為在0.4kV部分增設(shè)低壓備自投裝置實(shí)現(xiàn)主電源故障時(shí)切換至備用電源以保證電力供應(yīng)的連續(xù)性及在配電房?jī)?nèi)增加電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電房的配電線路的監(jiān)視、測(cè)量、控制和保護(hù)。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(xiàng)目中的應(yīng)用。

該項(xiàng)目的0.4kV供電系統(tǒng)主要由三站用變進(jìn)線、兩母聯(lián)及兩柴發(fā)進(jìn)線組成，具體項(xiàng)目一次圖已簡(jiǎn)化如圖1所示。三個(gè)站用變均為10/0.4kV電壓等級(jí)，且來(lái)源于同一10kV母線。其中進(jìn)線1、進(jìn)線2為主用進(jìn)線，進(jìn)線3作兩進(jìn)線其中之一的熱備用（當(dāng)兩路主用進(jìn)線均失電時(shí)，只給I段母線供電），III段母線不帶負(fù)載；兩柴發(fā)進(jìn)線作為站用變進(jìn)線的備用。我司用兩臺(tái)備自投裝置采集三站用變進(jìn)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(gè)斷路器的分合閘控制信號(hào)及兩個(gè)柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)該低壓系統(tǒng)的備自投投切的控制。

圖1 備自投一次圖

2、備自投方案

本項(xiàng)目備自投裝置采集三站用變進(jìn)線電壓電流、兩柴發(fā)進(jìn)線電壓及7個(gè)斷路器位置，需要實(shí)現(xiàn)的備自投功能如下：

1）       正常運(yùn)行時(shí)1QF、2QF、3QF合閘，4QF、5QF、6QF、7QF分閘，由1#進(jìn)線帶I段母線、2#進(jìn)線帶II段母線，3#進(jìn)線作為熱備用。當(dāng)備自投裝置檢測(cè)到此時(shí)電壓、電流及斷路器位置狀態(tài)無(wú)誤時(shí)，經(jīng)延時(shí)，備自投進(jìn)入充電狀態(tài)。

2）       僅進(jìn)線1電壓異常

①　       當(dāng)#1站用變異常時(shí)，備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線1無(wú)壓無(wú)流，則斷開#1進(jìn)線斷路器1QF，然后備自投合I、III段母線聯(lián)絡(luò)斷路器6QF，此時(shí)由備用站用變#3帶I段母線負(fù)載運(yùn)行。

②　       當(dāng)備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線1電壓恢復(fù)，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)由#1進(jìn)線供電。充電完成后，備自投斷開I、III段母線聯(lián)絡(luò)斷路器6QF，合上#1進(jìn)線斷路器1QF，恢復(fù)1#進(jìn)線帶I段母線。

3）       僅進(jìn)線2電壓異常

①　       當(dāng)#2站用變異常時(shí)，備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線2無(wú)壓無(wú)流，則斷開#2進(jìn)線斷路器2QF，然后備自投合II、III段母線聯(lián)絡(luò)斷路器7QF，此時(shí)由備用站用變#3帶II段母線負(fù)載運(yùn)行。

②　       當(dāng)備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線2電壓恢復(fù)，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)由#2進(jìn)線供電。充電完成后，備自投斷開II、III段母線聯(lián)絡(luò)斷路器7QF，合上#2進(jìn)線斷路器2QF，恢復(fù)2#進(jìn)線帶II段母線。

4）       僅進(jìn)線3電壓異常

①　       當(dāng)#3站用變異常時(shí)，備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線3無(wú)壓無(wú)流，則斷開#3進(jìn)線斷路器3QF，保持1#進(jìn)線供I段母線運(yùn)行，2#進(jìn)線供II段母線運(yùn)行。

②　       當(dāng)備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線3電壓恢復(fù)，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)由#3進(jìn)線供電。充電完成后，備自投合上#3進(jìn)線斷路器3QF，恢復(fù)3#進(jìn)線作熱備用。

5）       進(jìn)線1、進(jìn)線2及進(jìn)線3電壓均異常

①　       當(dāng)#1、#2、#3進(jìn)線均失電時(shí)，備自投裝置檢測(cè)到進(jìn)線1、進(jìn)線2、進(jìn)線3無(wú)壓無(wú)流，備自投發(fā)出啟動(dòng)IP2、IP5柴發(fā)信號(hào)同時(shí)斷開#1進(jìn)線斷路器1QF、#2進(jìn)線斷路器2QF、#3進(jìn)線斷路器3QF。備自投裝置檢測(cè)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(jìn)線斷路器5QF、IP2柴發(fā)進(jìn)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(jìn)線1和進(jìn)線2恢復(fù)，進(jìn)線3未恢復(fù)時(shí)

備自投裝置檢測(cè)到U1和U2有壓、U3無(wú)壓，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)#1進(jìn)線和#2進(jìn)線供電。充電完成后，備自投裝置跳開IP5柴發(fā)進(jìn)線5QF和IP2柴發(fā)進(jìn)線斷路器4QF，然后合上#1進(jìn)線斷路器1QF和#2斷路器2QF，1QF、2QF合閘后，經(jīng)延時(shí)啟動(dòng)IP2信號(hào)、啟動(dòng)IP5信號(hào)斷開?；謴?fù)1#進(jìn)線帶I段母線，2#進(jìn)線帶II段母線。

③　       進(jìn)線1和進(jìn)線3恢復(fù)，進(jìn)線2未恢復(fù)時(shí)

備自投裝置檢測(cè)到U1和U3有壓、U2無(wú)壓，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)#1進(jìn)線和#3進(jìn)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(jìn)線5QF和IP2柴發(fā)進(jìn)線斷路器4QF，然后合上#1進(jìn)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(luò)斷路器7QF，經(jīng)延時(shí)啟動(dòng)IP2信號(hào)、啟動(dòng)IP5信號(hào)斷開。此時(shí)3#備用進(jìn)線帶II段母線，1#進(jìn)線帶I段母線。

④　       進(jìn)線2和進(jìn)線3恢復(fù)，進(jìn)線1未恢復(fù)時(shí)

備自投裝置檢測(cè)到U2和U3有壓、U1無(wú)壓，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)#2進(jìn)線和#3進(jìn)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(jìn)線5QF和IP2柴發(fā)進(jìn)線斷路器4QF，然后合上#2進(jìn)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(luò)斷路器6QF，經(jīng)延時(shí)啟動(dòng)IP2信號(hào)、啟動(dòng)IP5信號(hào)斷開。此時(shí)3#備用進(jìn)線帶I段母線，2#進(jìn)線帶II段母線。

⑤　       進(jìn)線1、進(jìn)線2和進(jìn)線3均恢復(fù)時(shí)

備自投裝置檢測(cè)到U1、U2和U3有壓，備自投充電準(zhǔn)備恢復(fù)#1進(jìn)線、#2進(jìn)線和#3進(jìn)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(jìn)線5QF和IP2柴發(fā)進(jìn)線斷路器4QF，然后合上#1進(jìn)線斷路器1QF、#2進(jìn)線斷路器2QF和#3斷路器3QF，經(jīng)延時(shí)啟動(dòng)IP2信號(hào)、啟動(dòng)IP5信號(hào)斷開。此時(shí)恢復(fù)1#進(jìn)線帶I段母線，2#進(jìn)線帶II段母線，#3進(jìn)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(guò)ANet-2E4S智能網(wǎng)關(guān)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：10kV部分原有的微機(jī)保護(hù)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_(tái)電力監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本配電房設(shè)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(gè)站用變進(jìn)線，2個(gè)母聯(lián)及兩個(gè)柴發(fā)進(jìn)線，共計(jì)配置兩臺(tái)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(tái)備自投裝置配合使用：備自投裝置1實(shí)現(xiàn)各斷路器分閘命令及控制柴發(fā)啟動(dòng)，備自投裝置2實(shí)現(xiàn)各斷路器合閘命令。同時(shí)繪制箱體接線二次圖、端子排，根據(jù)原裝置二次回路設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，將備自投相關(guān)控制線路接入原二次回路中，并定制特殊程序及硬件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的投切。

裝置背部端子設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示：

改造后進(jìn)線1柜二次回路如圖2.2所示（紅色部分為此項(xiàng)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(jìn)線1柜改造二次原理圖

4、系統(tǒng)功能

為實(shí)時(shí)監(jiān)視整個(gè)配電室的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)采集，該項(xiàng)目配置一套Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

4.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

人機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分閘狀態(tài)及故障、告警等信號(hào)。同時(shí)單獨(dú)繪制了簡(jiǎn)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(jìn)線和柴發(fā)進(jìn)線的電壓電流及各斷路器位置狀態(tài)。

圖3  配電房整體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)應(yīng)回路的三相電流，通過(guò)實(shí)時(shí)報(bào)表可以進(jìn)一步查看對(duì)應(yīng)開關(guān)柜回路的詳細(xì)電參量，包括電流、電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無(wú)功功率、電能等。

圖5  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

4.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及通訊管理

支持實(shí)時(shí)監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能夠完整地顯示整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能自動(dòng)在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位，方便運(yùn)行維護(hù)人員實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護(hù)出現(xiàn)異常的設(shè)備，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

該項(xiàng)目配電房網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示，實(shí)時(shí)顯示配電房?jī)?nèi)采集的各個(gè)設(shè)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(jī)和通訊管理機(jī)旁標(biāo)明了分配的IP地址，各個(gè)設(shè)備旁標(biāo)出了設(shè)備名稱/設(shè)備所屬回路。

圖6  站內(nèi)設(shè)備系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>圖

4.4 歷史事件查詢

能夠?qū)b信變位，保護(hù)動(dòng)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警信息進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.5 曲線查詢

能夠查詢實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等所有遙測(cè)量。

4.6 運(yùn)行報(bào)表

查詢各回路或設(shè)備時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)，報(bào)表中顯示電參量信息應(yīng)包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無(wú)功功率、正向有功電能等，報(bào)表格式有日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表等。

4.7 遙控功能

根據(jù)電力規(guī)程要求，可以對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。

4.8 用戶權(quán)限管理

設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能，通過(guò)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(kù)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(gè)權(quán)限組里分配不同用戶，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

4.9 事故追憶

能夠自動(dòng)記錄事故時(shí)刻前后一段時(shí)間的所有實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)信息，包括開關(guān)位置、 保護(hù)動(dòng)作狀態(tài)、遙測(cè)量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4.10 故障錄波

能夠在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)確地記錄故障前、后過(guò)程的各種電氣量的變化情況，通過(guò)對(duì)這些電氣量的分析、比較，對(duì)分析處理事故、判斷保護(hù)是否正確動(dòng)作、提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行水平有著重要作用。

5、現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片

本項(xiàng)目AM5-DB低壓備自投保護(hù)裝置安裝在該配電房改造新設(shè)置的備自投箱體中，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片如下所示，該項(xiàng)目已于2025年2月現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后送電使用，目前正常運(yùn)行。

圖7  AM5-DB低壓備自投保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖片

圖8  現(xiàn)場(chǎng)配電房值班室一次系統(tǒng)圖

圖9 現(xiàn)場(chǎng)低壓配電房

6、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的電力供應(yīng)主要依靠國(guó)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(yán)重，為此很多大型企業(yè)便自建電廠或配備發(fā)電機(jī)。備用電源自動(dòng)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(hù)和控制回路的重要部分。同時(shí)電力監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)專用開閉所、配電房?jī)?nèi)主要設(shè)備和輸配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制、保護(hù)，以及與上級(jí)系統(tǒng)通信等綜合性的自動(dòng)化功能。本文介紹的該配電房使用AM5-DB低壓備自投保護(hù)裝置實(shí)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(gè)配電工程實(shí)現(xiàn)了綜合自動(dòng)化，減少了現(xiàn)場(chǎng)值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力資源。

參考文獻(xiàn)

[1] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6月版

[2] 安科瑞35KV以及下變電所智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品二次原理圖集.2020.10月版

[3] 安科瑞用戶變電站綜合自動(dòng)化與運(yùn)維解決方案.2021.11月版