浅析新型数据中心电力监控设计

【摘要】 为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安全性、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

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、安全性、先进性为技术原则，采用标准化和开放式设计，同时实现配电设备远程控制及就地自动化。

一、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、开放式式双以太网通讯结构，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、管理中心。整个监控系统采用面向对象、模块化设思想，遵循国际标准，符合开放性系统的设计要求。

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、精密配电柜等装置，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。在站控层网络失效的情况下，间隔层须能独立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。（图1）

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，构建开放、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、告警服务、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、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接口及开放相关协议，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、应用软件等所有必备软件。

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、报警信息等，其中接线图中的带电设备须具有颜色标识。

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、变压器温度报警信号、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）报警处理：报警应能分层、分级、分类处理，起到事件的过滤作用，能现场自定义配置报警的处理方式。设置预告信号和事故信号，并产生不同的音响报警及闪光，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。报警信号可在监控主机上人工确认复归。报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。

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、报警、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，如最大值、最小值、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=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，修改时必须输入相应密码才能执行。

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）安全性管理：系统软件设置支持多种权限分区和密级设置，为系统管理员、工程师、一般值班操作人员等提供分级密码，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GPS的标准授时信号，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。

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

18）联动功能：通过与视频监控系统的数据交互，实现视频联动；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。

19）系统满足如下性能指标：

系统遥信响应时间≤2s

遥测响应时间≤3s

遥控响应时间≤3s

站内事件顺序记录分辨率≤2ms

画面实时数据更新≤3s

控制操作正确率=100%

遥控动作成功率≥99.99%

系统平均无故障间隔时间（MTBF）≥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“安全、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，其中一期市电进线开关、发电机进线开关、母联开关分合闸状态如下：

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。

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，实时跟踪各个设备的状态，确保数据中心安全、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、超速、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报警信号

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、过电流等报警信号

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、液位报警和油温

供油泵工作和故障状态等信息

4）UPS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、THD、UPS运行状态以

过流/过压/过温报警等信号

5）UPS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报警信号

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、绝缘下降等报警信号

浮充、均充运行状态

7）变压器监控需求：实时监测温度、报警信号等。

8）空调监控需求：实时监测温度、湿度、运行/停机状态、报警信号等。

9）电容补偿柜监控需求：实时监测电流、功率、功率因数、温度、报警信号等。

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、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》