安科瑞 劉秋霞
摘 要：隨著電力需求的不斷增加，電力系統供電可靠性要求越來越高，許多供電系統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將用戶切換到備用電源上。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絡兩柴發系統特殊定制了備自投邏輯，實現分段備投+柴發備投的備自投功能，同時配合我司的電力監控系統Acrel-2000實現對整個配電房的配電線路的監視、測量、控制和保護，能大大提高變電站運行的可靠性、安全性和供電質量，有利于實現變電站綜合自動化，實現無人或少人值班。
關鍵詞：數據中心；可靠性；低壓備自投裝置；電力監控系統
1、項目概況
近年來，國內各行業業務處對信息技術的依賴不斷增加，國內數據中心市場逐漸擴大，投資規模迅速增長，對用電需求也逐年增加。通過對數據中心用電情況的分析，數據中心用電主要呈現以下幾個特點：①可靠性要求高：可靠性是數據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穩定運行。所以在數據中心配電系統中，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電機；②配電系統復雜：相比較一般建筑配電系統，數據中心配電系統因增加了柴油發電機等設備，結構更為復雜，以滿足高可靠性的供電需求；③用電規模大且密度高：隨著數字化浪潮席卷全球，數據存儲、處理與傳輸需求呈指數化增長，推動數據中心朝大型化、超大型化方向發展。IT設備如服務器、存儲設備、網絡設備等，其能耗在數據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，數據中心冷卻系統也需要消耗大量電力。這使得數據中心耗電量占全球用電量比重逐年增高，對供電系統的承載能力及電力系統的穩定性提出了新的挑戰。
根據上述數據中心用電特點，其用電管理顯得尤為重要，本項目為遼寧省移動數據中心舊配電房改造工程，項目主要內容為在0.4kV部分增設低壓備自投裝置實現主電源故障時切換至備用電源以保證電力供應的連續性及在配電房內增加電力監控系統實現對整個配電房的配電線路的監視、測量、控制和保護。本文主要介紹我司低壓備自投裝置AM5-DB及電力監控系統Acrel-2000在該項目中的應用。
該項目的0.4kV供電系統主要由三站用變進線、兩母聯及兩柴發進線組成，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、兩路柴發電壓及各斷路器位置狀態，并集成了7個斷路器的分合閘控制信號及兩個柴油發電機的啟動信號實現對該低壓系統的備自投投切的控制。
圖1 備自投一次圖
2、備自投方案
本項目備自投裝置采集三站用變進線電壓電流、兩柴發進線電壓及7個斷路器位置，需要實現的備自投功能如下：
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無誤時，經延時，備自投進入充電狀態。
僅進線1電壓異常
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段母線聯絡斷路器6QF，此時由備用站用變#3帶I段母線負載運行。
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段母線聯絡斷路器6QF，合上#1進線斷路器1QF，恢復1#進線帶I段母線。
僅進線2電壓異常
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段母線聯絡斷路器7QF，此時由備用站用變#3帶II段母線負載運行。
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段母線聯絡斷路器7QF，合上#2進線斷路器2QF，恢復2#進線帶II段母線。
僅進線3電壓異常
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。
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。
進線1、進線2及進線3電壓均異常
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，備自投發出啟動IP2、IP5柴發信號同時斷開#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柴發有壓后，備自投裝置合IP5柴發進線斷路器5QF、IP2柴發進線斷路器4QF。由IP5柴發為I段母線供電、IP2柴發為II段母線供電。
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柴發進線5QF和IP2柴發進線斷路器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。
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，備自投裝置發出命令跳開IP5柴發進線5QF和IP2柴發進線斷路器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段母線聯絡斷路器7QF，經延時啟動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。
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，備自投裝置發出命令跳開IP5柴發進線5QF和IP2柴發進線斷路器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段母線聯絡斷路器6QF，經延時啟動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。
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，備自投裝置發出命令跳開IP5柴發進線5QF和IP2柴發進線斷路器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、產品方案
本次改造在配電房新配Acrel-2000電力監控系統，通過ANet-2E4S智能網關將現場設備：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據傳輸到后臺電力監控系統，實現對本配電房設備的數據采集、監視和控制功能。
該配電房0.4kV系統共有3個站用變進線，2個母聯及兩個柴發進線，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實現各斷路器分閘命令及控制柴發啟動，備自投裝置2實現各斷路器合閘命令。同時繪制箱體接線二次圖、端子排，根據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整個系統的投切。
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
4、系統功能
為實時監視整個配電室的運行以及數據采集，該項目配置一套Acrel-2000電力監控系統，其可實現的主要功能如下：
4.1 實時監測
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，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及故障、告警等信號。同時單獨繪制了簡易的0.4kV備自投一次系統圖，更直觀地查看備自投狀態、市電進線和柴發進線的電壓電流及各斷路器位置狀態。
圖3 配電房整體實時監測主界面
圖4 0.4kV備自投控制狀態顯示
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、總有功功率、總無功功率、電能等。
圖5 實時數據監測
支持實時監視接入系統的各設備運行狀態，能夠完整地顯示整個系統網絡結構可在線診斷設備通信狀態，發生網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場各設備的通訊狀態，及時維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。
該項目配電房網絡系統拓撲結構如下圖所示，實時顯示配電房內采集的各個設備通訊狀態，紅色圖例代表通訊中斷，綠色圖例代表通訊正常。在系統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 站內設備系統網絡拓撲圖
能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警信息進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
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、功率因數等所有遙測量。
查詢各回路或設備時間的運行參數，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、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。
根據電力規程要求，可以對整個配電系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。
設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。系統可以定義不同操作權限的權限組（如管理員組、工程師組、操作員組等），在每個權限組里分配不同用戶，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
能夠自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時穩態信息，包括開關位置、 保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
能夠在系統發生故障時，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、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。
5、現場安裝圖片
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，現場安裝圖片如下所示，該項目已于2025年2月現場調試后送電使用，目前正常運行。
圖7 AM5-DB低壓備自投保護裝置現場安裝圖片
圖8 現場配電房值班室一次系統圖
圖9 現場低壓配電房
6、結語
我國的電力供應主要依靠國家電網供電，電力缺口也在不斷變大，尤其在用電高峰期缺電現象嚴重，為此很多大型企業便自建電廠或配備發電機。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，目前已經成為現代配電工程中保護和控制回路的重要部分。同時電力監控系統可以實現對專用開閉所、配電房內主要設備和輸配電線路的自動監視、測量、控制、保護，以及與上級系統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，配合電力監控系統Acrel-2000使整個配電工程實現了綜合自動化，減少了現場值班人員的勞動強度，節省了人力資源。
參考文獻
[1] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6月版
[2] 安科瑞35KV以及下變電所智能配電系統設計與產品二次原理圖集.2020.10月版
[3] 安科瑞用戶變電站綜合自動化與運維解決方案.2021.11月版
