摘 要：随着电力需求的不断增加，电力系统供电可靠性要求越来越高，许多供电系统已具备两回或多回供电线路。备用电源自动投入装置可以有效提高供电的可靠性，该类装置能够在工作电源因故障断开后，自动且迅速地将备用电源投入到工作或将用户切换到备用电源上。本文介绍的AM5-DB低压备自投装置，针对该工程的三进线两联络两柴发系统特殊定制了备自投逻辑，实现分段备投+柴发备投的备自投功能，同时配合我司的电力监控系统Acrel-2000实现对整个配电房的配电线路的监视、测量、控制和保护，能大大提高变电站运行的可靠性、安全性和供电质量，有利于实现变电站综合自动化，实现无人或少人值班。
关键词：数据中心；可靠性；低压备自投装置；电力监控系统
一、项目概况
近年来，国内各行业业务处对信息技术的依赖不断增加，国内数据中心市场逐渐扩大，投资规模迅速增长，对用电需求也逐年增加。通过对数据中心用电情况的分析，数据中心用电主要呈现以下几个特点：①可靠性要求高：可靠性是数据中心用电的核心要求，需要完备的故障处理机制保证电力系统稳定运行。所以在数据中心配电系统中，除了正常采取多回路独立电源供电以外，还会配有事故备用柴油发电机；②配电系统复杂：相比较一般建筑配电系统，数据中心配电系统因增加了柴油发电机等设备，结构更为复杂，以满足高可靠性的供电需求；③用电规模大且密度高：随着数字化浪潮席卷全球，数据存储、处理与传输需求呈指数化增长，推动数据中心朝大型化、超大型化方向发展。IT设备如服务器、存储设备、网络设备等，其能耗在数据中心总能耗中占比较大，同时为保证IT设备在正常温湿度条件下工作，数据中心冷却系统也需要消耗大量电力。这使得数据中心耗电量占全球用电量比重逐年增高，对供电系统的承载能力及电力系统的稳定性提出了新的挑战。
根据上述数据中心用电特点，其用电管理显得尤为重要，本项目为辽宁省移动数据中心旧配电房改造工程，项目主要内容为在0.4kV部分增设低压备自投装置实现主电源故障时切换至备用电源以保证电力供应的连续性及在配电房内增加电力监控系统实现对整个配电房的配电线路的监视、测量、控制和保护。本文主要介绍我司低压备自投装置AM5-DB及电力监控系统Acrel-2000在该项目中的应用。
该项目的0.4kV供电系统主要由三站用变进线、两母联及两柴发进线组成，具体项目一次图已简化如图1所示。三个站用变均为10/0.4kV电压等级，且来源于同一10kV母线。其中进线1、进线2为主用进线，进线3作两进线其中之一的热备用（当两路主用进线均失电时，只给I段母线供电），III段母线不带负载；两柴发进线作为站用变进线的备用。我司用两台备自投装置采集三站用变进线电压电流、两路柴发电压及各断路器位置状态，并集成了7个断路器的分合闸控制信号及两个柴油发电机的启动信号实现对该低压系统的备自投投切的控制。
图1 备自投一次图
二、备自投方案
本项目备自投装置采集三站用变进线电压电流、两柴发进线电压及7个断路器位置，需要实现的备自投功能如下：
1）正常运行时1QF、2QF、3QF合闸，4QF、5QF、6QF、7QF分闸，由1#进线带I段母线、2#进线带II段母线，3#进线作为热备用。当备自投装置检测到此时电压、电流及断路器位置状态无误时，经延时，备自投进入充电状态。
2）仅进线1电压异常
①当#1站用变异常时，备自投装置检测到进线1无压无流，则断开#1进线断路器1QF，然后备自投合I、III段母线联络断路器6QF，此时由备用站用变#3带I段母线负载运行。
②当备自投装置检测到进线1电压恢复，备自投充电准备恢复由#1进线供电。充电完成后，备自投断开I、III段母线联络断路器6QF，合上#1进线断路器1QF，恢复1#进线带I段母线。
3）仅进线2电压异常
①当#2站用变异常时，备自投装置检测到进线2无压无流，则断开#2进线断路器2QF，然后备自投合II、III段母线联络断路器7QF，此时由备用站用变#3带II段母线负载运行。
②当备自投装置检测到进线2电压恢复，备自投充电准备恢复由#2进线供电。充电完成后，备自投断开II、III段母线联络断路器7QF，合上#2进线断路器2QF，恢复2#进线带II段母线。
4）仅进线3电压异常
①当#3站用变异常时，备自投装置检测到进线3无压无流，则断开#3进线断路器3QF，保持1#进线供I段母线运行，2#进线供II段母线运行。
②当备自投装置检测到进线3电压恢复，备自投充电准备恢复由#3进线供电。充电完成后，备自投合上#3进线断路器3QF，恢复3#进线作热备用。
5）进线1、进线2及进线3电压均异常
①当#1、#2、#3进线均失电时，备自投装置检测到进线1、进线2、进线3无压无流，备自投发出启动IP2、IP5柴发信号同时断开#1进线断路器1QF、#2进线断路器2QF、#3进线断路器3QF。备自投装置检测到1QF、2QF、3QF分闸，且IP5、IP2柴发有压后，备自投装置合IP5柴发进线断路器5QF、IP2柴发进线断路器4QF。由IP5柴发为I段母线供电、IP2柴发为II段母线供电。
②进线1和进线2恢复，进线3未恢复时
备自投装置检测到U1和U2有压、U3无压，备自投充电准备恢复#1进线和#2进线供电。充电完成后，备自投装置跳开IP5柴发进线5QF和IP2柴发进线断路器4QF，然后合上#1进线断路器1QF和#2断路器2QF，1QF、2QF合闸后，经延时启动IP2信号、启动IP5信号断开。恢复1#进线带I段母线，2#进线带II段母线。
③进线1和进线3恢复，进线2未恢复时
备自投装置检测到U1和U3有压、U2无压，备自投充电准备恢复#1进线和#3进线供电。充电完成后，备自投装置发出命令跳开IP5柴发进线5QF和IP2柴发进线断路器4QF，然后合上#1进线断路器1QF和#3断路器3QF，1QF、3QF合闸后，再合II、III段母线联络断路器7QF，经延时启动IP2信号、启动IP5信号断开。此时3#备用进线带II段母线，1#进线带I段母线。
④进线2和进线3恢复，进线1未恢复时
备自投装置检测到U2和U3有压、U1无压，备自投充电准备恢复#2进线和#3进线供电。充电完成后，备自投装置发出命令跳开IP5柴发进线5QF和IP2柴发进线断路器4QF，然后合上#2进线断路器2QF和#3断路器3QF，2QF、3QF合闸后，再合I、II段母线联络断路器6QF，经延时启动IP2信号、启动IP5信号断开。此时3#备用进线带I段母线，2#进线带II段母线。
⑤进线1、进线2和进线3均恢复时
备自投装置检测到U1、U2和U3有压，备自投充电准备恢复#1进线、#2进线和#3进线供电。充电完成后，备自投装置发出命令跳开IP5柴发进线5QF和IP2柴发进线断路器4QF，然后合上#1进线断路器1QF、#2进线断路器2QF和#3断路器3QF，经延时启动IP2信号、启动IP5信号断开。此时恢复1#进线带I段母线，2#进线带II段母线，#3进线作热备用。
三、产品方案
本次改造在配电房新配Acrel-2000电力监控系统，通过ANet-2E4S智能网关将现场设备：10kV部分原有的微机保护装置、本次0.4kV部分改造新增的备自投装置及0.4kV的多功能电力仪表等数据传输到后台电力监控系统，实现对本配电房设备的数据采集、监视和控制功能。
该配电房0.4kV系统共有3个站用变进线，2个母联及两个柴发进线，共计配置两台AM5-DB低压备自投装置安装在该配电房改造新安装的低压备自投箱体中，由两台备自投装置配合使用：备自投装置1实现各断路器分闸命令及控制柴发启动，备自投装置2实现各断路器合闸命令。同时绘制箱体接线二次图、端子排，根据原装置二次回路设计进行改造，将备自投相关控制线路接入原二次回路中，并定制特殊程序及硬件实现整个系统的投切。
装置背部端子设计方案如图2.1所示：
改造后进线1柜二次回路如图2.2所示（红色部分为此项目改造新增）：
图2 AM5-DB低压备自投装置背部端子图
图3 进线1柜改造二次原理图
四、系统功能
为实时监视整个配电室的运行以及数据采集，该项目配置一套Acrel-2000电力监控系统，其可实现的主要功能如下：
1.实时监测
人机界面友好，能够以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及故障、告警等信号。同时单独绘制了简易的0.4kV备自投一次系统图，更直观地查看备自投状态、市电进线和柴发进线的电压电流及各断路器位置状态。
图4配电房整体实时监测主界面
图5 0.4kV备自投控制状态显示
2. 电参量查询
在配电一次图中，可以直接查看对应回路的三相电流，通过实时报表可以进一步查看对应开关柜回路的详细电参量，包括电流、电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、电能等。
图6 实时数据监测
3. 网络拓扑图及通讯管理
支持实时监视接入系统的各设备运行状态，能够完整地显示整个系统网络结构可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位，方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。
该项目配电房网络系统拓扑结构如下图所示，实时显示配电房内采集的各个设备通讯状态，红色图例代表通讯中断，绿色图例代表通讯正常。在系统主机和通讯管理机旁标明了分配的IP地址，各个设备旁标出了设备名称/设备所属回路。
图7 站内设备系统网络拓扑图
4.历史事件查询
能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警信息进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.曲线查询
能够查询实时曲线和历史曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数等所有遥测量。
6.运行报表
查询各回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等，报表格式有日报表、月报表、年报表等。
7.遥控功能
根据电力规程要求，可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。
8.用户权限管理
设置了用户权限管理功能，通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员组、工程师组、操作员组等），在每个权限组里分配不同用户，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
9. 事故追忆
能够自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时稳态信息，包括开关位置、 保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
10. 故障录波
能够在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各种电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。
五、现场安装图片
本项目AM5-DB低压备自投保护装置安装在该配电房改造新设置的备自投箱体中，现场安装图片如下所示，该项目已于2025年2月现场调试后送电使用，目前正常运行。
图8 AM5-DB低压备自投保护装置现场安装图片
图9 现场配电房值班室一次系统图
图10 现场低压配电房
六、结语
我国的电力供应主要依靠国家电网供电，电力缺口也在不断变大，尤其在用电高峰期缺电现象严重，为此很多大型企业便自建电厂或配备发电机。备用电源自动投入装置，可以保证电源的不间断供电并提高供电的高可靠性，目前已经成为现代配电工程中保护和控制回路的重要部分。同时电力监控系统可以实现对专用开闭所、配电房内主要设备和输配电线路的自动监视、测量、控制、保护，以及与上级系统通信等综合性的自动化功能。本文介绍的该配电房使用AM5-DB低压备自投保护装置实现了不同的供电方式的切换，提高了供电的可靠性，配合电力监控系统Acrel-2000使整个配电工程实现了综合自动化，减少了现场值班人员的劳动强度，节省了人力资源。
