基于PLC和HMI的數據中心柴發并機監控系統

陸寶冬，田智會，王賽群

（上?？铺╇娫垂煞萦邢薰?，上海 201712）

0 引 言

數據中心是為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，是國家推行“互聯網+”戰略發展的重要支撐平臺，近些年來蓬勃發展，規模和數量增長迅速。

對于數據中心的供電系統，按照GB50174—2017《數據中心設計規范》要求，A級數據中心需要“具備雙重市電”，同時“宜配備柴油發電機組作為后備電源”[1]。為確保數據中心可靠、完備、正常的柴油發電機組后備電源發輸配電要求，要求變壓器、柴油發電機組、高低壓開關柜等發輸配電設備可靠工作，同時功能完備的柴油發電機組監控系統可以持續收集和管理設備的運行狀態，便于集中控制管理，進一步保障可靠安全運行[2]。

1 并機監控系統內容簡介

1.1 基本配置

數據中心后備電源系統多臺柴油發電機組并聯使用時，基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和人機界面（Human Machine Interface，HMI）的數據中心柴發并機監控系統可實現數據中心后備電源柴油發電機組集中監控系統。通過配套RS485/TCP-IP（串口服務器）、工業交換機通過網線與HMI人機界面與機組控制器進行連接后，通過專業組態軟件進行相應的編程，界面均可以個性化編輯[3]。采用PLC、觸摸屏HMI對柴油發電機組系統進行外部接口通信、邏輯控制、狀態監測和測試，系統主要包括柴油發電機組控制器、串口服務器、交換機、PLC和HMI等,如圖1所示。通過一個高分辨率可編程圖形界面HMI，操作者可以完成對現場整個電力系統進行監測和控制[3]。PLC可以依據輸入條件控制發電機組系統內各開關柜分合閘及故障監控，輸入各開關狀態，在觸摸屏中可清晰顯示及操作各斷路器。通過分層菜單為系統實現各種控制功能，并且為操作者以中文顯示信息，使操作者很容易理解，并且可以迅速了解系統的功能和操作方法。

圖1 監控系統原理圖

監控系統可以顯示主系統和發電機組狀態，其中包括：

（1）主電路系統單線圖；

（2）發電機系統運行狀態及機組參數顯示；

（3）手動/自動模式切換；

（4）機組、發動機等報警信息匯總；

（5）母排交流參數總匯、狀態顯示；

（6）機組進線柜、饋線柜開關位置（分合閘）狀態顯示；

（7）日常維護測試或試驗控制；

（8）接地電阻柜投運狀態顯示；

（9）急?？刂?；

（10）信息/時鐘設定。

1.2 HMI主要界面簡介

主界面系統一次圖中可顯示一次系統結構，如發電機組運行臺數、發電機輸出開關、饋電開關狀態等，如圖2所示。

圖2 系統一次圖界面

監控屏可以通過MODBUS TCP通訊監控顯示屏讀取到多臺柴油發電機組的性能參數并顯示。主要包括：機組累計運行小時數、累計發電量、在線運行時各類斷路器開合狀態，電氣參數如電壓、電流、頻率、負載有功功率、無功功率、功率因數、母線電壓，反映發動機狀態的參數如機組潤滑油壓力、冷卻液溫度等參數，如圖3所示。點擊對應編號如G01的柴油發電機組圖符，可以直接查詢每一臺發電機更加詳細的參數。

圖3 發電機組參數界面

各發電機組參數界面中監測的主要數據有：發動機的轉速、油壓、水溫、電池電壓、母排電壓以及頻率。單相電壓、單相電流、頻率、運行小時、報警數量、輸出的發電量。遠程可以操作柴油發電機組的啟動、停止、分閘、合閘。并機控制器的自動模式、半自動模式、手動模式，可以相互切換。機組界面之間可以順序互相切換，也可以直接點擊切換到指定機組頁面。返回鍵直接跳到主機鍵面。

測試模式界面如圖4所示。點擊系統自動模式，所有機組均切換到自動模式。點擊系統復位，所有機組均復位。點擊系統啟動，所有的機組同時啟機。點擊系統停止，所有機組可同時停機。測試模式可以同時檢測柴油發電機組的運行情況是否正常。

圖4 測試模式界面

歷史報警記錄界面如圖5所示。柴油發電機組每一次報警，均記錄并顯示在此界面，時間周期可以設置，也可以按時間來查詢機組報警記錄。通過歷史記錄可以監控到每一臺機組故障發生的時間點，方便維護人員維護機組。

圖5 歷史報警記錄界面

報警信息一覽界面如圖6所示。當有柴油發電機組出現報警時，此頁面上對應各類報警的指示燈會點亮。

報警信息一覽界面可以監控的主要報警分別為：逆功率、機組合閘失敗、機組欠頻、過電流、開關位置錯誤、機組過載、速斷電流1、機組啟動失敗、機組超速、速斷電流2、運行反饋故障、ECU黃燈報警、機組過電壓、機組調速故障、機組調壓故障、機組電壓異常、機組電流不平衡、機組電壓不平衡、機組同期失敗、機組相序錯誤、機組電池電壓低、機組欠勵磁、機組過勵磁、機組緊急停機、機組解列失敗、機組低油壓報警、機組低油壓停機、機組高水溫報警、機組高水溫停機、市電失敗、電池電壓低、發動機ECU報警、高壓控制電源分閘、綜保保護動作跳閘、機組過載1、機組過載2、機組過載3、機組過載4、機組過載5、機組分閘失敗、機組停機失敗、CAN ID離線、散熱器低水位、中冷器低水位等，可根據用戶要求增減報警類別。

1.3 系統工作原理

1.3.1 控制方式

發電機組并機系統采用控制與并機一體化進行設計，每套系統設置一只主控屏，系統還可配置一套HMI人機界面，完成人機界面，顯示系統并機狀態、負載分配狀態和各臺機組的參數等。

系統采用分布式控制方式，傳統的方式為通過設置優先級來控制優先級別較高的機組進行并機，這種方式并機的時間受優先級高的機組影響，甚至會造成優先級別較低的機組無法進行并機。而分布式控制方式為競爭上崗模式，最先穩定的機組合閘后其余機組均能夠在達到同步并機設定后完成合閘并機，這樣速度更快，也不會因單臺機組的控制系統問題而造成整個并機系統的失效。并機控制屏可安裝于發電機組旁，或集中布置于主控制室[4]。

分布式的優點在于，一臺機組的故障不影響整個系統，并可方便的在運行中處理故障。

整個系統由多個分布安裝在機組上的并機系統、串口服務器、一臺PLC和HMI觸摸式顯示屏組成，系統通過網線連接到工業交換機，通過網線TCP/IP傳輸數據。

本方案中并機系統并聯主控模塊為DEIF AGC200，與發電機組的控制屏一體,與其他品牌機組控制器可以實現兼容，機組數量可擴容至16臺機組。

系統采用頻率和電壓同步方式并聯，并聯控制系統通過CAN通信將整個系統的控制屏進行通信，自動調整發電機組的頻率和電壓，使之不受負載增加和減少的影響，保持在設定值。

因 MODBUS通信采用一主站多從站通訊技術，主設備發出輪詢指令，從設備根據主設備查詢提供的數據逐一作出相應反應，機組控制器除主設備HMI外還有其他設備需訪問時，應選用允許多個主站的訪問的串口服務進行轉換，避免通信混亂。

發電機使用DVR數字調壓器，帶有Droop（下垂）功能和無功分配功能，此功能允許手動方式并機，在并機系統完全損壞的情況下，利用發電機的帶載特性手動進行無功功率分配。

在一些需要快速完成并機的場合，可設置成先合閘后勵磁模式，并可取消發動機怠速啟動模式，實現多臺機組并機完成時間在10s左右。

系統需要冗余配置時，分布安裝在機組上的并機系統、串口服務器、PLC、HMI、工業交換機等均可冗余配置實現更高的系統可靠性。

1.3.2 并機系統操作方式

（1）自動方式

發電機組和系統設定在自動模式，市電狀態由并機系統監測（通常主電失電后會給出干接點信號），在接收到啟動命令后，啟動并自動完成并機。當市電故障時，經延時確認，啟動所有（或者設計啟動貯備，可以根據負載的狀況投入機組）自動模式狀態的發電機組，柴油發電機組之間相互通訊，發電機組啟動后自動將電壓和頻率調整至設定值，系統中最先到達設定值的發電機組，檢測確認母線無電狀態時最先投入到并聯母線，其余各機組檢測本機組電壓、母線電壓、頻率、相位，通過調速、調壓系統自動調整機組的頻率和電壓，達到同步設定值后，發出指令使并機開關閉合，自動同步過程結束。同時，監控系統PLC在檢測到柴發進線柜合閘后（已同步機組數量滿足儲備功率需求的機組臺數），控制饋線柜合閘，系統將自動分配功率給所有在線機組,并機系統流程如圖7所示[5]。PLC同時監測饋線開關位置信號，此信號可被HMI讀取并在畫面中顯示，以供管理人員查看。

圖7 自動模式并機系統流程

并機控制系統具有自動功率管理功能，以保證機組最優化運行，確保大多數機組運行在最佳燃油消耗的功率值上并有足夠功率儲備，并機系統檢測總的負載需求，自動增減投入運行機組的臺數，功率控制的帶載百分比可在一定范圍內設定（并機完成后進行負載管理的時間可以設定，另外帶載百分比通?？砂凑掌骄鶐лd大于80%時啟動下1臺機組，平均帶載小于50%時停止1臺機組），功率管理可保證合理功率儲備以應對負荷波動變化，也可避免長時間輕載運行產生積炭等原因對機組造成傷害,也可避免機組重載狀態運行在非經濟油耗率功率段。

自動停機過程，當控制系統接收到市電可用信號，經延時確認后，此時已將負載由發電機組轉移到市電，整個發電機組將進行停機過程，控制系統確認機組功率低于設定值時，控制系統才自動斷開斷路器，發電機組解列。發電機組控制系統自動進行冷卻停機程序，停機后進行下一循環。

手動解列過程，所有在線運行的發電機組允許手動解列，在并聯系統中觸發對應的發電機組停機按鈕，控制系統將首先進行負載轉移過程，待解列退出運行的發電機組功率逐步轉移降低，達到設定值后，并聯開關自動斷開，發電機組退出并列運行狀態，按正常停機流程進行冷卻停機，進入備用狀態。

緊急停機過程，當運行中的發電機組發生停機故障或按壓緊急停機按鈕，并聯控制系統將立即斷開對應的機組斷路器，并控制機組停機，如故障或急停發生在并聯系統側，發電機組無故障，則發電機組進行冷卻停機過程，停機后進行下一循環，在并機系統控制屏上將顯示報警信息；如急?；蚬收习l生在發電機組側，則發電機組立即停機，并在機組控制屏和并機系統控制屏上同時顯示報警。

（2）手動并機操作

發電機控制器設置在手動狀態，并機系統設置在手動狀態，此時并機系統不檢測市電狀態，由人工控制。當需要啟動發電機組時，手動啟動發電機組，在并聯系統處觸發合閘或投入按鈕，并聯系統將自動同步，自動合閘，并聯后自動功率分配。

停機過程，系統工作在此方式下無法自動停機，需首先進行手動機組解列，在并聯系統處觸發停機或解列按鈕后，對應的機組將自動轉移負載，當負載減小到設定值時，自動斷開斷路器，機組解列完成，此時機組繼續運行，需手動停機。

緊急停機過程同自動狀態。

1.3.3 中性點接地電阻柜投切控制和并機環流控制

依據GB50174—2017《數據中心設計規范》中條款8.4.9 、8.4.10，柴油發電機系統中性點接地可采用不接地系統，也可采用低電阻接地系統。當多臺柴油發電機組并列運行，且采用低電阻接地系統時，可采用其中一臺機組接地方式[1]。

系統中所有并聯機組的中性點，可通過各自的接地電阻柜單獨接地，也可通過一個公共電阻柜接地[6]。無論采用哪種接地設計，備用電源系統需要能正確動作的接地保護時，任何一臺機組的中線點接地控制，應當與機組并聯斷路器的控制同步，即控制系統控制機組并聯斷路器合閘（或分閘）的同時，必須同步控制機組中性點接地回路的斷路器或接觸器合閘（或分閘）。

本方案并機控制系統，通過優化接地系統的連接方式，可有效減少并聯機組間的環流。高壓柴油發電機組中性線通過高壓真空接觸器和接地電阻相連并接地，通過PLC編程（AGC200系列控制器自帶PLC功能）讓在線的機組只允許一臺發電機組通過中性線接地，其他機組中性線不接地。自動方式、手動方式時，并聯控制系統自動控制首次投入的機組所對應的中性點真空接觸器合閘。緊急方式下，手動控制需并聯的機組中任一臺中性線真空接觸器合閘，然后再啟動機組并聯。

1.3.4 高壓10 kV并機系統額外的保護功能

除了發電機組控制屏提供的保護功能外，并機系統均具備以下保護功能：

并機失敗、逆功率保護、過流保護、發電機組故障分閘保護、超載保護、電壓故障保護、急停功能等。

高壓機組還需實現差動保護和接地故障保護功能[7]。

1.3.5 柴油發電機組的定期測試試驗

因為兩路市電的高可靠性，實際應用中數據中心柴油發電機組長期處于冷備用狀態，一旦市電系統失電，機組必須在規定的時間內快速啟動成功并帶負載運行[8]。要保證機組快速啟動成功并帶負載運行，不僅需要提高系統可靠性設計，而且需要定期測試系統能否成功啟動，及時發現并消除潛在的隱患，確保市電停電能滿足應急啟動帶載運行的需要。

通過并機監控系統界面操作實現定期帶載測試和定期不帶載測試兩種類型。定期帶載測試，即定期測試備用電源系統能否正常啟動帶負載運行（通常采用假負載測試）。定期不帶載測試，控制系統自動或手動啟動系統不帶載測試模式，備用系統中所有機組啟動，啟動最快的機組直接送電到備用母線，其他機組隨后同步并聯；備用電源系統不帶載測試運行一定時間后，控制系統自動或手動退出不帶載測試模式，各機組并聯斷路器斷開，然后機組冷卻停機，恢復到測試前狀態[9]。

1.3.6 客戶方對并機監控系統的遠程監控

數據中心的動環監控系統需要對柴油發電機組電源系統進行遠程數據采集和監控，數據傳輸協議通常采用Modbus RTU 485/TCP-IP[10]。本系統采用Modbus RTU 485/TCP-IP數據傳輸協議，并選用允許多個主站的訪問的串口服務進行轉換，通過系統的Modbus RS485或/TCP-IP端口，用戶可以遠程訪問系統HMI和機組控制器，從而遠程監測系統狀態和各項參數，可直接訪問每一臺發電機組，遠程監測各機組的運行/備用狀態和參數，如發電機組運行參數、狀態參數、并聯系統狀態參數、運行參數、報警信息等發動機和發電機組的實時運行參數[11]。

2 結 論

基于PLC和HMI的數據中心柴油發電機組并機監控系統，由機組控制器、多主站串口服務器、工業交換機、PLC、HMI等硬件以及相關監控軟件組成，系統采用分布式控制方式，可實現對配電系統中柴油發電機組狀態、兩路市電狀態、各開關柜斷路器狀態、并聯母排電壓等設備進行監測和控制，可確保整個備用電源系統正常運行，并留有對用戶側的監控管理的通訊接口Modbus RTU 485/TCP-IP，方便用戶遠程管理。