一、课题研究背景以及国内外现状
　　
　　数据中心是互联网的关键设施,是未来业务发展的重要载体。在保证机房安全同时,如何合理利用资源条件,规划设计,提高安装效率,降低投资和运营成本,是数据中心建设者面临的共同问题。
　　
　　数据中心规划建设按照“安全、高效、节能、灵活”的方式,实现互联网、民用、机电等系统的最佳匹配。
　　
　　·安全:确保关键设备的安全稳定运行。
　　
　　·高效:科学合理设计,提高装机率,确保效益。
　　
　　·节能:积极推行新技术、新工艺。
　　
　　·灵活:有通用性,确保远期平滑扩容。
　　
　　规划建设阶段适应不同客户与等级需求,运行阶段可根据实际负荷灵活调配资源。在投用前要经过大量的试验与计算,才能确保数据中心可以安全可靠运行。通过对发电机带载能力,变压器空载或有载与保护结合,空调散热等试验进行分析,从而来确保数据中心投用后的稳定运行能力。
　　
　　1.国内外视角
　　
　　1）国内视角
　　
　　总书记习近平在主持学习时强调,大数据发展日新月异,我们应该审时度势、精心谋划、超前布局、力争主动,深入了解大数据发展现状、趋势及其对经济社会发展的影响,分析我国大数据发展取得的成绩和存在的问题,推动实施国家大数据战略,加快完善数字基础设施,推进数据资源整合和开放共享,保障数据安全,加快建设数字中国,更好地服务于我国经济社会发展和人民生活改善。
　　
　　2）国外视角
　　
　　美国作为全球大数据应用的起源地,正在迅速发展,并成为全球大数据发展的核心。随着技术的不断进步,美国正在迈向数据密集型经济和数据中心经济,并且正在迈向大规模商业化,成为全球大数据发展的领军国家。随着科技的发展,大数据已成为当今社会的重要战略资源,它不仅给企业带来巨额的商机,也成为政府管控的核心。
　　
　　二、柴油发电机稳态带载能力分析
　　
　　柴油发电机组被认为是备用及应急电源中较好的一种。它能有效地提高电力系统的可靠性,并在一定程度上减少停电造成的经济损失。目前,虽然解决备用和应急用电的方式有很多，但选择柴油发电机组是因为其可靠。它是备用电源、移动电源与自备电源相比，其优点在短时间内不可替代[1]。柴油发电机组由于其能源来源充足,动力强劲,涉及面广,具有结构紧凑,重量轻,移动方便等特点,具有启动快,运行方便等特点、进入全负荷快速运行的优势,在未来很长一段时间内都会被用作数据中心应急备用电源[2]。
　　
　　1.高压柴油发电机组结构
　　
　　10.5kV高压柴油发电机组由一个通用底盘组成,辅以发电机组、控制屏和柴油机,并增加了发电机和散热水箱,结构图2.1。
　　
　　柴油机是机组的核心。采用优质的灰色合金铸造的曲柄、曲轴和连杆结构,大大增加了整个系统的可靠性和稳定性,有效地抑制了噪音和振动,大大降低了维护费用,并且大大缩短了机器的使用寿命。发动机也使用燃油共轨技术,使燃油压力的产生与燃油的喷射相分离,为柴油发动机减少排放,降噪开辟一条新道路,本实用新型减少燃油消耗及有害气体的排放,更省油更环保[3]。
　　
　　通过将汽油机、发电厂、散热水泵与公共底盘相互连接,并利用安装的连接环将它们的同心度调节到一个合适的程度,此外,由于使用弹力联结,将汽油机的飞轮与发动机相互传递,这种传输方法能够帮助汽油机在开车、停车以及受到外力影响时,起到缓冲减震的效果[4]。底盘用工字钢构造,使得实用新型机械强度大。为了操作方便,易于观察,所述控制屏安装在发电机一侧。电源配有自充电系统及浮充电系统,确保正常工作或者停止工作时,能够给蓄电池进行充电[5]。通过使用控制模块,我们可以自动监测和调整电压和频率,以便满足并联系统的要求，同时发出合闸命令，从而实现自动并联。此外，该模块还可以监测负载水平，通过DVR和ADEC协同工作，可以实现功率管理和有效-无效平衡。
　　
　　2.柴油发电机组的配备
　　
　　在数据中心,正确的配置是至关重要的。如果只有一个可靠的电源,那么我们应该考虑采用柴油发动机来提高可靠性。这种设备可以在两个不同的电源同时出现故障的情况下,提供给UPS系统或者空调设施。它们都属于非线性负载,可以产生谐振电流,这些谐振电流可以严重损害电枢绕组的电位,导致电机的输出电压变得模糊,甚至引起电流谐振和频繁振荡,严重地削弱了柴油机的可靠性和可操作性。当考虑使用UPS电源时,最佳的方案是采用IGBT整流技术,这样可有效减少系统的谐振干扰[6]。
　　
　　3.备用电源规范要求
　　
　　A级互联网数据中心应采用双电源供电,并设有后备供电,以柴油发电机组为主,同时也可以采用特殊的馈电线路,以确保互联网数据中心的稳定性和可靠性。按照GB50174-2017《互联网数据中心设计规范》第8.1.12条的要求,这种供电方式应当得到充分考虑[7]。当主供应线路故障时,应当提供足以满足互联网数据中心日益增长的运行需求的后备供应线路。
　　
　　4.高低压柴油发电机对比
　　
　　柴油发电机组的电压可分为高压和低压,其中,400V机组的出口电流比25kV机组的电流高出10倍以上,这一点可以从表2.1中得到证实[8]。
　　
　　5.柴油发电机稳态带载能力分析
　　
　　被用来作为一个数据中心的主要备用电源,它是柴油机在稳定状态下的带载能力,也是一个可以评估发电机性能是否优劣的一个关键指标。在进行机组选型及正常运转的过程中,需要保证机组在稳定负荷下的有功及无功均在机组有效负荷内。
　　
　　由于柴油发动机的稳态承受能力,它的容量曲线就会得到保证。在实际的工况中,它的产生的有用和废弃的功率完全由它的运行效率来决定。在柴油机的运行能力曲线,在其端电压,制冷媒介的温度等的条件下,柴油机的工作状态是稳定的作状态,输出有功与无功的关系,就是柴油机的P-Q曲线[9]。
　　
　　1）通过理论分析,我们可以评估柴油发电机的稳定负荷能力。
　　
　　在稳定运行时,柴油发电机的可用范围受到五个因素的限制[10]:静态稳定性、定子绕组的发热、励磁绕组的发热、磁阻的影响以及最大输出功率。这些因素都会影响柴油发电机的性能。在数字中心的供电系统中,通常会采用凸极同步发动机。然而,当我们假设没有电枢的电阻率变化,也没有磁饱和时,凸极同步发动机的电压方程将会变得更加复杂。
　　
　　如图2.2式(2-1)所示,是凸极同步发电机在稳态运行状态下电压相量图。该图用矢量分析法分析了其内部特性及参数对静态工作点的影响,并通过试验进行验证,结果与理论相符。图中:功率因数角φ为U与I夹角;内部功率因数角ψ0为E0与I夹角;功率角d为E0与U夹角。通过对这两个电压矢量进行分析与计算,就可得出相应的电压相量图。
　　
　　当每个电压相量乘以图2.2中的U/Xd时,将电压相量图转换为成功率图的相量图,这是相量图的特征,每个组件表示的功率如图2.4。对于给定的电机参数及负载情况,只要知道了该系统的阻抗特性,就能通过计算获得相应的功率图及其相关结论。如图2.4所示,C点是凸极同步发电机运行稳态功率点,C点纵轴是有功,横轴是无功,OC根据功率大小:
　　

 　　
　　得到凸极同步发电机的功率相量图,依据同步发电机在稳态运行时具备的条件求解运行能力曲线,即稳负荷能力范围:
　　
　　(1)静态稳定性约束同步发电机在平稳运行条件下,必须达到dP/d=0,才能确保它在外界的干扰下,但是当扰动消失后,可恢复到原状态,继续平稳工作。当dP/P为0时同步发电机处于临界稳定状态。将式(2-2)求导一次并让它等于零即可:
　　
　　依据式(2-4),结合图2.4各功率相量的相互关系,化简可以得出,临界静态稳定状态下柴油发电机的有功功率与无功功率满足以下关系:
　　
　　根据公式(2-5),我们可以计算出柴油发动机的最大功耗[11],并将其与图2.5中的最大功耗相对应。为了保证其正常运转,我们需要将其最大功耗设置在最大值的左边。
　　
　　(2)同步发电机定子绕组的发热约束在稳态下运行时,必须达到I高IN的要求,即只有在UNI高UNIN时,才确保定子电枢绕组不会过热而受损。在图2.5中,我们可以看到,当我们将O作为圆心,OC作为半径,并将其绘制成圆1时,稳态功率运行点必定位于圆1的内部。
　　
　　(3)同步发电机励磁绕组的加热约束当同步发电机长时间稳态运行时,励磁电流If与励磁力E0的幅值呈线性关系,必须满足If高,Ifn低。If在Ifn范围内变化,存在E0高E0N的情况,才能确保励磁绕组不会因为过热而受损[12]。当凸极同步发电机直轴式转子结构不变时,附加电磁功率会随定子电阻增大而减小,从而导致凸极型发电机输出功率增加幅度小于普通永磁电机。在图2.5中,我们可以看到M的中央,并且可以用MC作为半径来描述圆2。在这个框架中,我们假设稳态功率的位置在2的中间。
　　　　
　　(4)由于凸极同步发电机的线性轴磁阻与交叉轴磁阻存在差异,因此,为了满足特定的需求,需要增加一定的电磁功率,而这种电磁功率的大小与E0无关。此外,随着发电机的输入端的改变,发电机的转速也将发生相应的改变。根据图2.5,我们可以看到,圆的中心在O,并且我们用OM作为半径来绘制圆3。我们假设,在这个圆的内部,稳态功率的运动点应该在其外部。
　　　　
　　(5)由于发动机的最大有功功率受到限制,它只能提供Pmax的有效功率,因此,在正常运行状态下,柴油发电机组的输出有效功率必须非常低,以至于它们的总功率之和应该是一致的。图2.5绘制了功率限制线KC,稳态电源工作点必须低于KC。稳定运行的凸极同步发电机,以上五个限制条件必须同时得到满足。如果励磁电流值小于或大于激磁电压值则会导致励磁线圈烧损。根据图2.5,五个限定条件的交点,即弧AG、GK、KC、CI和IA所构成的区域,可以用来确定凸极柴油发动机的最大负荷能力。
　　
　　6.柴油发电机保护
　　
　　由于高压发电机的特殊性质,其中的差动保护和接地保护尤其需要注意。如果定子绕组出现了三相或者两相的短路,将导致严重的后果,包括绕组的热量超标、绝缘材料的破裂以及发电机的爆炸。因此,高压发电机组绕组的相间短路保护是很重要的。
　　
　　1）发电机组差动保护
　　
　　通过采用差动保护技术,可以根据定子绕组两端电流的相位和大小来实现对发电机组的有效监控。因此,在发电机的中性点和出口处安装了具有相同变比的电流互感器,以确保发电机组的安全运行。当发生短路故障时,由于流过该装置中电流互感器的一次侧过流和零序电压分量很小,因此不影响继电保护动作的正确性,但却使系统产生较大振荡,造成事故扩大甚至停电。差动保护能够有效地检测到外部故障,而且无需等待相邻元件的保护时间,它能够在瞬间实现断开[13]。
　　
　　2）发电机组接地保护
　　
　　由于避雷器长期暴露于过高的电压,它们的老化和损坏会变得更快。为了解决这个问题,我们可以采用中性点电阻接地的方法,即在故障点处引入电阻,以便将故障电流转换为阻-电容,从而减少由于电压引起的相位差角,并使故障点电流达到零点并熄灭。如果电阻电流足够大,则不再发生重燃。
　　
　　三、大功率UPS负载试验
　　
　　为了满足日益复杂的应急情况,通常使用多台UPS的并联,不仅能够拓宽其容量,还能够极大地改善系统的稳定性。因此,在将UPS并联系统投入运行之前,应进行负载测试[14]。
　　
　　1.大功率UPS负载试验总体方案
　　
　　UPS负载测试系统是一种大功率设备,它的核心部分是一个高效的配电屏,它能够支持10个不同的负载,并且它们的额定功率都是40KW。详情请参见图3.1。
　　
　　2.设计采集和监控系统
　　
　　采用单片机作为监控系统的核心，其结构框架如图3.2所示，而输入和显示功能则由触摸屏来实现，以满足UPS负载测试的实时显示和存储的需求。
　　
　　3.硬件设计
　　
　　该采集监控系统由三个主要组成部分组成:采集处理、触摸屏展示和历史记录。采集系统的微处理器设计使用了高性能的77E58,而且与51系列的80C52和MCS-51指令集相容。为了有效地管理UPS的输出,我们需要使用一些独立的技术,如电压、电流、相位差、频率等,对UPS的运行情况进行有效的监控,从而避免其出现的频率变化。
　　
　　1）电压检测电路
　　
　　为了提高电压的稳定性,三相同步变压器的出现使得强弱电流的隔离变得更加有效。图3.3展示的是一种用于检测AB线电压的电压检测电路,它由一个U21b减法器、一个U21C、一个U21D、一个D11、一个D12组成的运算放大器,它可以将三相同步变压器的输出信号转换为幅值,然后通过AIN0(A/D)转换器将其转换为a/d信号[15]。
　　
　　2）电流检测电路
　　
　　图3.4展示了一种用于检测A相电流的电路。该电路通过运算放大器将电流信号转换为A/D采样信号,然后将信号传输到TLC2543,从而实现对电流的检测。
　　
　　4.软件设计
　　
　　大功率UPS负载测试的智能采集监控系统由77E77E58单片机驱动,它可以按照预先设定的步骤,从测试到记录,从而可以快速准确地获取、处理、存储、展示及发布相关的历史数据[16]。两点法是单片机收集电压和电流的主要方式,它可以有效地增加数据的准确性和可信度。
　　
　　通过对两个值的平方和进行1/4周期的采样[17]，来确定其相关性。
　　
　　单片机主体程序:77E58拥有双串行端口、多个中断、片上1KSRAM以及看门狗定时器[18],这些特性使得它的编程比51系列更加复杂,而且它的主程序也包含了多中断控制、双串口通信以及看门狗定时器等功能。
　　
　　四、特高压变压器现场空负载试验
　　
　　特高压输电项目可以长距离、大容量输电。由于特高压变压器的总价格高昂,它们被送到边缘地带变得极其艰辛。为此,有人提出了分别安排各个部分的替代方案,以减少费用[19]。然而,由于需要进行大规模的安装,这些部分的安全性和可靠性都受到影响,因此,后期的维护和保养工作变得尤为重要。为了评估当地的装配工艺,我们需要对空载测试进行,以便仔细检测变压器的铁芯和其他零部件,以及它们的性能和参数都达到了相关的技术规范。
　　
　　1.特高压变压器现场空负载试验
　　
　　1）主回路设计
　　
　　在设计测试电路时,应该充分考虑电源容量、接线方式等多种因素,特别是电压等级较高的电路,应采取双端加压技术,以减少电压互感器和电流互感器设备的绝缘强度,同时也能够提升测量精度[20],从而更好地检测出电流、电压和波形的变化情况。
　　
　　2）试验原理图
　　
　　如图4.1所示特高压变压器现场空载试验。
　　
　　3）高压变频电源参数
　　
　　高压变频电源由一个54级角移变压器(具有接近正弦波的输出电压)和18个串联的逆变器单元构成,其中A1～A9和B1～B9分别具有三相输入、单相输出以及脉宽调制PWM调制功能,每个单元的输出电压可达600V,而且可以通过移相变压器实现均匀供电[21],如图4.2所示。这种结构降低了系统复杂性,提高了变压变频电源的整体可靠性。
　　
　　图4.3显示了A1-B1单元组的模拟配置图,图4.4和图4.5所示为模拟波形输出示意图。
　　

　　4）谐波的影响
　　
　　空载测试电流包括三次、五次和第七次谐波。当外部电压超过变压器的额定电压时,由于变压器内部的阻抗,可能会导致输出电压的失真,从而引起空载电压、电流和损耗的变化,从而影响测量结果的准确性。此外,由于变压器铁芯的励磁达到饱和状态,也会导致电流中出现谐波分量。为避免此现象,采用滤波器,能解决谐波对空载损耗检测的影响,促进检测准确度的提高。
　　
　　2.现场试验及数据分析
　　
　　在空载试验中,需要逐渐增大负载,并且要求调压的过程要尽可能的平稳。在实际测试中,测试的电流必须低于特高压变压器的1kV的额定电流,这就要求测试的测量点必须在10%In、20%In、30%In、40%In以及50%之间。这些测量值必须根据不同的绕组来确定[22]。
　　
　　负载测试电抗和损耗有三种数据集:高-中、中-低和高-低。由于负载测试数据易受温度影响,现场测试环境温度可变,因此一般将测量数据转换为75℃的温度,以达到对比分析的目的。
　　
　　通过对我国某特高压站的现场实验验证表明:
　　
　　表4.1是现场实验空负载的主要资料。
　　
　　经过现场测量,1000kV特高压变压器的短路电压比显示出了优异的一致性,其短路电压比低至50%，低至-3.11%，高至-2.21%，高至-1.48%,而且其负载损失也低至低于出厂标准。经过检验，发动机的空载电流明显低于预期，从5.28A的出厂标准降到5.02A，降幅达到了-4.94%，而且损耗也降到了149.20kW，比预期的降幅仅有-0.08%[23]。
　　
　　原因是:第一,在负载试验中,出厂试验采用单边加压测量,而现场实验主要是双边加压,因此现场测量结果较小。第二,出厂测试时间为5月,现场测试时间为10月,加压导体的损耗受环境温度影响较大,偏差更明显[24]。第三,在空载损耗问题上,出厂测试和现场测试是双边加压的同时,测量系统的不同也会造成偏差,功率波形的质量也会带来偏差,但偏差不大。
　　
　　(未完待续)
　　
　　编辑：Harris