数据中心柴油发电机带载能力探讨

摘要: 数据中心作为现代信息技术的核心，其供配电系统的稳定性至关重要。从柴油发电机组的视角来看，数据中心供配电系统就像一个小型而完整的电力系统，涵盖了高压输电、变电、配电等多个环节，还包括了备用发电系统-柴油发电机组，以及UPS、高压直流等关键设备。近年来，数据中心供配电系统面临着诸多痛点问题，如空载变压器、容性负载、谐波振荡等。这些问题不仅影响了系统的稳定运行，也给相关从业人员带来了不小的困扰。本文从柴油发电机组P-Q曲线图这个切入点，检测柴油发电机组能带多少负载问题？对数据中心稳定性问题进一步理解。结合实际情况提出可行的解决方案，为现代信息技术的发展提供坚实的保障。

关键词：宕机；供电中断；柴油发电机；同步；P-Q曲线；SODR；电压崩溃，谐波振荡，过压；自励磁；滑极。

一、引言

中国信通院《数据中心白皮书2022》报告显示，我国数据中心业务收入持续高速增长。2021年，我国数据中心行业市场收入达到1500 亿元左右，近三年年均复合增长率达到30.69%，随着国内各地区、各行业数字化转型的深入推进，中国数据中心市场收入将保持持续增长态势。随着数据量的增加，数据中心基础设施也面临着更大的压力。宕机中断的代价越来越高，数据中心宕机成本也在激增，同时造成商业机会损失，声誉损失，时间，精力和其他资源投入的损失。

全球数字基础设施权威机构Uptime Institute发布的《2022年全球数据中心调查》报告中提到，超过一半(55%)的运营商报告称，他们在过去三年中经历过站点中断。我们比较一下宕机的根本原因：

通过解读上图数据，其中发电机故障共占比10%。

二、发电机启动运行过程可视化管理现状

数据中心柴油发电机组目前控制由传统的集中控制过渡到分布式冗余控制系统，集中控制的缺点比较明显，一旦发生主控系统故障，系统将不能启动，不能并联，导致供电失败。分布式冗余控制系统的并联工作由各台机组的并联控制器来完成，组成高可靠性的分布冗余式控制系统，互为备用。主控系统仅负责后台管理运行。每台机组的调速调压，开关控制，有功无功控制都由各自控制器独立完成，各司其职，响应速度迅速。任何一台机组控制器的故障都不影响其他机组的并联运行，所有机组的启机命令直接来源于系统失压信号，不通过主控系统传递，减小了主控系统故障所产生的风险，启动更加可靠。一旦某台机组同步失败，其他机组将不再等待，经延时自行并联。因此能够保证可靠的并联供电时间。故障率低。

如下图，PLC和触摸屏组成了主控柜系统，主要完成对系统的模式控制和监视控制，提供外部通讯接口，是柴油发电机系统的智能化管理系统，由于整个并联系统采用了分布冗余控制设计，因此主控系统的故障不会影响并联系统的工作和可靠供电；通过分层菜单为操作者显示信息，使操作者很容易理解，并且可以迅速了解系统的功能和操作方法。主控柜通常可以显示主系统和发电机组状态，其中通常包括以下的主要功能：主电路系统单线图，机组参数显示，母排交流参数总汇，机组带载计量，母排交流参数总汇，告警汇总，信息/时钟设定，密码保护和帮助等。

而对柴油发电机组带载管理，一般在机组核心控制器上设定一个上限阈值，超过阈值后延时告警输出，这种功率管理简单，往往不能很好的反映机组实际带载的趋势，时间精度更不能满足。这些年，也有一些场景使用发电机的功率管理曲线来限制无功功率的吸收，一旦达到此限制，即激活，然后控制励磁电流，使发电机保持在特定曲线定义范围内安全的运行。

数据中心一些用电设备在某种特定条件下呈现容性状态，比如高频设备、变频设备等。柴油发电机组一般具有一定的带容性负载能力，如下图为柴油发电机组P-Q曲线图：

尽管供应商做了很多努力，但是放在数据中心复杂的供配电系统；当系统的某个环节出现问题时，供应商之间的相互推诿不可避免，数据中心的设计者和用户需要与越来越多的设备厂商打交道，各厂商的设备之间的配合以及各厂商的工程师和工程师之间的配合变得越来越复杂了。工程师们往往从自身利益角度出发，而不是从整个系统的角度出发来判断、认定和解决问题。他们会自觉或不自觉推卸责任。各方面的工程管理人员在解决问题的现场会唇枪舌战，使本来复杂的问题变得更加复杂而难以解决。争论的焦点往往会从解决问题、发现解决问题的方案本身到发现其他设备的缺陷上面去，甚至有的用户会抱怨说，在这种情况下他们已经从一方职员变成为一个必须善于斡旋的“政治家”。用户非常希望能得到一种解决方案，它能减少或消除供应商之间的相互推诿。

三、维谛技术的解决方案

SODR油机在线管理工具

维谛技术作为全球领先的数据中心关键基础设施解决方案供应商，汇聚强大的服务专家团队，深厚理论研究，多场景工程实践应用验证，深化高校合作研究课题。维谛技术高层很早就提出了解决数据中心供配电系统安全可靠性问题的难题。借助飞机黑匣子的飞行数据记录功能，融合汽车智能故障诊断仪迅速地读取汽车电控系统中的故障，并通过液晶显示屏显示故障信息，迅速查明发生故障的部位及原因的功能，输出系统运行报告。

由于数据中心供电系统的复杂性，对动态系统的稳定性高精度低时延实时监控。需要校准时间，需要毫秒级别的计量，需要回放判断，需要专家经验植入等等。

维谛供配电系统黑匣子-SODR，经过多年的磨练，近日已发布。

SODR

油机测试在线管理工具，能通过网络远程连接部署在各个油机节点上的SODR，实时获取SODR监测的油机数据并将数据可视化呈现在页面上，能实时展示油机起机、并机时相角变化趋势以及有效值变化趋势；实时展示油机带载时功率变化曲线；实时捕获油机告警并将告警根据时间图形化展示；根据时间展示油机在起机、并机、带载期间的瞬时值波形及谐波数据。集成三大预警功能：电压崩溃，谐波振荡，过压(滑极保护区)。

功能模块：

1、节点管理功能：实现站点管理、油机节点管理、时间同步及断线重连功能，最大可同时支持20台油机并机带载监测；

2、相角及趋势监测功能：实现在线实时相角监测、趋势监测，历史数据回放及倍速播放功能，监测数据上传/存储间隔可达20mS；相角及趋势监测功能主要实现在线实时监测单台油机起动过程和多台油机并机过程中各台油机输出电压与母线电压的相角差、有效值等数据，方便用户查看油机起机并机过程中相角变化趋势以及有效值变化趋势，监测完成后用户可随时回放历史监测数据，如下图所示：

3、带载分析监测功能：实现在线实时功率变化趋势监测功能，历史数据回放及倍速播放功能，监测数据上传/存储间隔可达20mS；

红色：高系统风险区  黄色：风险警示区  绿色：推荐工作范围

发电机组自励磁：在功率因数超前并接近零的区域，由于电枢反应，为保证输出电压的稳定，此时的励磁系统维持在一个很低的水平或者说励磁系统实际已经被切断了，容性负载越大，发电机的自励磁也越激烈，电压越不稳定。柴油发电机组不能工作在滑极临界范围内。

在新建和存量数据中心设置SODR数据记录仪，实时监控故障数据，后台在线统一读取处理，根据实时和回放数据判断超限值，机器并结合专家经验，过往大数据记录经验，给有风险的数据中心发出高中低风险警示。

在一些关键的场合，我们需要引入同步发电机的滑极保护：用来检测发电机是否已失去同步性，或者说存在较大风险区域。

带载监测功能主要实现在线实时监测多台油机带载过程中各台油机功率数据，方便用户实时监测油机带载运行过程中油机功率变化趋势，确定油机带载是否在厂家给定安全功率负载曲线内，避免发生供配电系统性风险。如下图所示：

四、结束语

数据中心机房管理的重要内容之一是预防性故障分析。预防性故障分析一直是数据中心电源系统难以实现的一个课题，用户希望系统应具有足够的智能水平和自我诊断能力，以便能够在故障实际发生之前发现并汇报这些潜在故障。用户还希望提前预警和诊断系统各设备的自身运行状态，传统的维护和巡检方式无法对供配电系统中的各个设备进行健康状态的检查和老化程度的实时监控。用户更希望快速定位故障点：当出现故障时，快速故障排除，供配电系统的可用性得到有效控制。

供配电系统作为数据中心的关键基础设施，如何判断供配电系统是否安全？如果配电系统中断，显然对业务的影响是灾难级。在人员维度，邀请有资质的第三方审查验证系统是否具备设计的各个功能是否有效？采用有资质经验丰富的运维团队，还需要引进必要的在线监测工具：知道潜在的失效点，了解什么情况可能导致中断。借助SODR工具，可以有效预防供电中断的发生。