数据中心中压柴发系统可靠性的影响因素浅析及改善建议

柴发系统是数据中心在失去外电的情况下为设备提供应急电力供应的重要保障，其可靠性对于保证数据中心在极端情况下业务的稳定性和持续性有着重要意义。柴发系统的可靠性受到多方面因素的影响，如架构、设计、工程、设备质量、维保等，下文对相关环节中可能对可靠性产生影响的共性问题进行分析，并给出一些建议方案。

1. 柴发系统的主要组成及可靠性的分析

按照各分系统的功能划分，柴发系统由柴发机组、并机系统、供油系统、进排风系统、配电系统、接地系统和测试负载等组成。其中配电系统、并机系统、供油系统、进排风系统对整体的可靠性影响较大，需要对上述系统中对可靠性产生重要影响的因素进行分析。

1.1. 配电系统

配电系统的架构是决定其可靠性的基石，但可靠性在一定程度上与经济性呈现反比关系，数据中心作为一个综合性基础设施工程，需要根据其规模、业务类型和工程预算等因素综合考量，选择最合适的系统架构。本章中，将从国内数据中心中常见的中压柴发配电系统架构为例，分析各种构架中存在的对可靠性产生影响的因素。

1.1.1. 柴发系统的常见构架

1) 一路市电+一路柴发

此种方式下，系统较为简单，机组自带控制器不仅实现了机组自身保护，更是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。

② 通过外部并机控制器实现并机同步控制（即常说的并机分控柜）：此类系统中机组控制器仅承担发动机、发电机的监测、调节、控制、保护功能，而机组并机的监测、控制、保护功能则由外部并机控制器负责，包含各机组之间的同步（频率、相位、幅值调节）、以及机组与外部并机中压柜的分合闸控制及保护。

此种方式下机组状态控制与并机同步控制分别由机组控制器和并机控制器实现，而并机控制器则是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。

1.2.3. 并机系统的保护配置

为确保柴发系统保护的全面、可靠及有效，并机系统通常与并机中压柜共同承担了保护功能，常见的保护功能如下：

① 与并机同步逻辑无关的保护

a) 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电压、电流、功率、频率等）和非电量信号（如机油温度、机油压力、燃油压力、冷却液温度等）作为保护判据，比如单机故障时的保护；

b) 并机中压柜根据采集的电量信号（如电压、电流、频率等）作为保护判据，比如一段、二段过流，差动保护等，以及非电量信号（如由柴发机组并机控制器提供的故障联动信号等），比如短路故障时的保护。

② 与并机同步逻辑相关的保护

a) 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）作为保护判据，比如柴发机组失去同步时的保护；

b) 柴发机组并机控制器根据采集的非电量信号（如各台机组的通讯信号）作为保护判据，比如控制器通讯丢失后机组切除异常机组的保护；

c) 并机中压柜根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）和非电量信号（如由柴发机组提供的失压联动信号等）作为保护判据。

1.3. 供油系统

在日常运维中，可能会造成供油系统中断的因素有如下几点：

① 燃油管线故障。此类故障主要由燃油管线中断（爆管）、燃油泵失效（管线失压）等原因造成，其中外部施工产生的机械损伤是导致此类故障的主要因素。

② 阀门拒动。此类故障多由于电动调节阀、电磁阀的驱动执行机构，如电动机、电磁铁线圈等部件故障失效导致。

③ 燃油耗尽。大型数据中心均采用了日用油箱+储油罐的配置方式，由于缺少平衡管，可能出现油罐内燃油量不均，甚至日用油箱补油速度不一致的情况，导致部分柴发因缺少燃油停机。另外，还需要关注油罐区补油口的可达性，部分项目中可能由于设计、施工或杂物堆放等原因导致油罐车无法抵达油罐区补油口附近完成储油罐燃油补充。

1.4. 进排风系统

柴油发电机房的通风系统设计时需要充分考虑每一台机组对进、排风面积的要求，尤其是远离进风口的机组，需要在设计时核算有效进、排风面积，并评估机组是否会因为进气温度高或进气量不足而导致容量下降。

2. 柴发系统可靠性改善的建议

由于单体设备故障的必然性，系统需要具备一定的冗余性和容错性，在其组成部分发生故障时，应能迅速隔离故障组件，防止故障扩大。故在数据中心等高可靠性要求的基础设施工程中，除了应该关注各类设施、设备本身的可靠性，更要通过冗余、备份、防错等手段，从环境、设计、维保等多方面综合考量，提升柴发系统整体的可靠性。

2.1. 机房环境方面

① 柴发机房的工作温度建议在5℃~30℃之间，若偏离此温度范围较大，需要对启动蓄电池、启动蓄电池充电器、冷却水加热套等部件或系统设置进行适应性修改。

② 若因柴油发电机房布局原因使部分柴发机组远离进风口，且中间有其他柴发机组阻隔，可考虑使用辅助手段提高有效进气面积或进风量，如增加进气口、增加辅助风机等。在进行柴发机房通风系统设计时，进风量应大于排风量，并需考虑燃烧空气量的需求。另外在进行控制策略设置时，建议将远离进风口的机组设置为后备机组。

③ 若柴发机房内设置了消防喷淋系统，应合理选择喷淋头位置，避免向发电机、配电柜、变压器、封闭母线和电缆盒直接喷淋。同时应选择合适的喷淋头类型，避免柴发带载时的辐射高温导致误喷。对可能受到影响的设备，应该对防护等级进行合理选择，避免因消防喷淋系统误动作导致设备损坏而对柴发系统的可靠性产生影响。另外，也可在当地法律法规许可的前提下使用消防水喷雾系统或气灭系统，降低消防水喷淋诱发电气火灾的风险。

2.2. 系统设计方面

① 系统中关键的冗余部分建议考虑物理隔离，如A/B路电源、冗余关键设备等，避免因故障扩大造成系统失效。

② 燃油系统设计时考虑一定的冗余，并关注隐蔽工程中易损设备、元器件的维护可达性，如燃油泵、燃油阀门等。若燃油管线较长，需考虑室外敷设时的地面沉降对管道连接的影响，必要时可在建设时采用环型管路设计或敷设一套备用管路。设备选型时重点关注管径、油泵流量和供油路径长度，确保柴发满功率运行时的燃油供给。燃油管线上的阀门应有手动操作装置，在紧急情况下可通过手动装置开断阀门。

③ 对于由多台柴发机组组成的柴发系统，并机控制器采用总线或环型结构，避免采用星形结构。

④ 柴发系统所用的并机控制器可考虑采用分布式控制。若采用主从控制，需确保检测到主机失效后，从机可以在短时间内接过主控权限，完成除故障机组外的机组并机。

⑤ 并机控制器必须采用U电、直流屏或启动蓄电池等可靠性较高的电源。

⑥ 若柴发机房难以保证适宜的温度，建议根据机房工作温度设置启动蓄电池充电器温度补偿。

⑦ 建议将可靠供电作为保护设置原则，在单台柴发机组出现故障或同步异常时，在自身保护停机的同时，通过分闸命令分断其对应的并机中压开关，使其完全脱离系统，避免因为机组失控进入电动机模式，使系统负载增加，造成系统输出波动，影响扩大。可采用如下保护搭配方案，以实现较为全面、可靠的保护。

⑧ 应根据数据中心所在地的年均最低气温选择合适的柴油标号，可参照下表：

另外，对于冬季气温较低的区域，埋地燃油管线应敷设在冻土层以下，裸露在空气中的管道需做保温；若有长距离的户外管道，需要考虑做管路电伴热。

⑨ 若数据中心所在地空气中沙尘、柳絮、杨絮等杂物较多，可考虑在柴发机房进风口安装初级滤网，对空气中的大颗粒杂质进行初步过滤，但需要注意安装滤网后的进风量是否仍能满足柴发的工作要求。

2.3. 维保优化

1) 按照制造商维保说明的要求，对柴发机组实施有效的保养。另外，机组在长期连续运行后（通常为120h以上，以制造商维保手册为准）也应该对机组实施保养，如及时补充消耗的机油量。

2) 定期进行柴油发动机润滑油杂质分析，主要关注润滑油中的金属含量，并建立记录台账分析其变化趋势。

3) 定期测试柴油发电机组启动蓄电池的健康状况，建议关注如下参数：

① 蓄电池开路电压。测试时将蓄电池的充电器断开，测量端电压：对于12V铅酸蓄电池，端电压值应在13.2V左右；静止8小时后，端电压值应在12.72V左右。若实测数据低于上述建议值则需要重点关注。

② 蓄电池启动电压降。记录柴发机组启动时蓄电池的电压降，测试时需要断开蓄电池与充电器的连接。通常对于12V铅酸蓄电池，电压降若大于3V则需要重点关注。

③ 蓄电池CCA（冷启动电流）值。对于北方地区，尤其是冬季气温在-15℃以下的区域，需要定期测试蓄电池的CCA值。若实测数据低于设备标准值的80%，则需要重点关注。

4) 关注柴发机组控制系统的维护保养，如器件温升、后备电源状态、信号连接等。

5) 定期对柴油成分进行分析，尤其在雨季需关注柴油中的含水量。

6) 柴油储备应能满足GB 50174-2017中的后备时间要求，并与燃油供应商签订应急供油协议，确保燃油的稳定供应。

7) 当柴发机组长期连续带载运行时（连续运行时间≥6h），应当关注柴发的温度和温升是否在允许的范围内，具体限制可参照下表（蓝色底纹为同步发电机最高允许温度，白色底纹为同步发电机最高允许温升）：

注：环境温度为40℃柴发系统是数据中心在失去外电的情况下为设备提供应急电力供应的重要保障，其可靠性对于保证数据中心在极端情况下业务的稳定性和持续性有着重要意义。柴发系统的可靠性受到多方面因素的影响，如架构、设计、工程、设备质量、维保等，下文对相关环节中可能对可靠性产生影响的共性问题进行分析，并给出一些建议方案。

1. 柴发系统的主要组成及可靠性的分析

按照各分系统的功能划分，柴发系统由柴发机组、并机系统、供油系统、进排风系统、配电系统、接地系统和测试负载等组成。其中配电系统、并机系统、供油系统、进排风系统对整体的可靠性影响较大，需要对上述系统中对可靠性产生重要影响的因素进行分析。

1.1. 配电系统

配电系统的架构是决定其可靠性的基石，但可靠性在一定程度上与经济性呈现反比关系，数据中心作为一个综合性基础设施工程，需要根据其规模、业务类型和工程预算等因素综合考量，选择最合适的系统架构。本章中，将从国内数据中心中常见的中压柴发配电系统架构为例，分析各种构架中存在的对可靠性产生影响的因素。

1.1.1. 柴发系统的常见构架

1) 一路市电+一路柴发

注：N为系统的设计容量，+X为冗余配置

此种设架构多用于对冗余性要求不高的小型机房，单点隐患较多，可靠性较低。当应急母线的出线柜、应急母线与市电母线的联络线、市电母线的应急电源进线柜出现故障时，均有可能引起柴发系统的单点故障。另外，在国内部分地区，供电局对企业自备应急电源系统的投切要求较为严苛，如可能会要求手动切换等，进一步降低了系统的可靠性。

2) 两路市电+一路柴发（2N+E）

注：N为系统的设计容量，+X为冗余配置

此种架构广泛应用于国内大型数据中心，具备一定的冗余性和容错性，供电可靠性较高，该架构的单点存在于应急母线处。在设计、运行过程中应关注项目所在地供电局对企业自备中压配电系统备自投以及应急电源系统的投切要求，合理制定控制系统和并联系统的逻辑策略，以提高系统运行的可靠性和灵活性。

3) 两路市电+一路柴发分段（2N+E'）

注：N为系统的设计容量，+X为冗余配置

此种构架相较于第二种架构，每台柴发因配置了2套出口配电柜以对应两段独立的应急母线，可满足应急电源冗余和容错能力的要求。其中发电机出口处配电柜、应急电源母线出线柜的故障仅对系统的冗余性产生影响，应当给予关注。由于控制系统点位增多，应关注控制逻辑的合理性和有效性。同时需关注控制程序的复杂程度和占用的存储空间，避免因为综保或控制器处理能力不足而导致程序执行效率低下、卡死等情况。

1.1.2. 架构对比

1.2. 并机系统

并机系统是整个柴油发电机组集群的控制中枢，负责各机组的状态、参数的监测、调整和控制，同时为机组提供必要的保护功能。并机系统的可靠性直接决定了柴发系统是否能够可靠、稳定、高效地提供电能。

1.2.1. 并机控制器的通讯拓扑

目前柴发并机系统多为分散控制系统（DCS），系统稳定性在很大程度上由其控制器的通讯拓扑决定。常见的拓扑有如下三种：

① 星型拓扑

星型拓扑以中央节点为中心，并用单独的线路使中央节点与其他节点相连接，相邻节点间的通信必须通过中心节点，所以中央节点故障会导致整个系统失效，单点隐患较为严重。另外，若其他节点与中央节点之间的线路中断，也会导致该节点离线，丧失功能。

② 环型拓扑

环型拓扑较为简单，各个控制器通过线缆连接起来，最后形成一个闭环。可实现各节点的自举控制，任意节点故障或者连线中断都不会影响系统的整体功能。不过要注意节点之间的通讯方向和控制策略，若节点间仅能单向通讯，则任一节点的离线都会导致系统的失效。

③ 总线拓扑

总线拓扑使用一条主线缆串接所有的节点，所有接入总线的节点都拥有平等的优先权，可实现各节点的自举控制。任一节点故障只会导致该节点离线，不会对系统的整体功能产生影响。但总线中断会导致系统解体，甚至完全失效。

1.2.2. 并机控制的方式

目前常用的柴发并机系统的同步控制实现方式有以下两种：

① 通过机组自带控制器实现并机同步控制：此类系统中机组控制器不仅承担了发动机、发电机的监测、调节、控制、保护功能，还承担了机组并机的监测、控制、保护功能，包含各机组之间的同步（频率、相位、幅值调节）、以及机组与外部并机中压柜的分合闸控制及保护；

此种方式下，系统较为简单，机组自带控制器不仅实现了机组自身保护，更是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。

② 通过外部并机控制器实现并机同步控制（即常说的并机分控柜）：此类系统中机组控制器仅承担发动机、发电机的监测、调节、控制、保护功能，而机组并机的监测、控制、保护功能则由外部并机控制器负责，包含各机组之间的同步（频率、相位、幅值调节）、以及机组与外部并机中压柜的分合闸控制及保护。

此种方式下机组状态控制与并机同步控制分别由机组控制器和并机控制器实现，而并机控制器则是避免单机故障时影响系统整体可靠性的关键。

1.2.3. 并机系统的保护配置

为确保柴发系统保护的全面、可靠及有效，并机系统通常与并机中压柜共同承担了保护功能，常见的保护功能如下：

① 与并机同步逻辑无关的保护

a) 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电压、电流、功率、频率等）和非电量信号（如机油温度、机油压力、燃油压力、冷却液温度等）作为保护判据，比如单机故障时的保护；

b) 并机中压柜根据采集的电量信号（如电压、电流、频率等）作为保护判据，比如一段、二段过流，差动保护等，以及非电量信号（如由柴发机组并机控制器提供的故障联动信号等），比如短路故障时的保护。

② 与并机同步逻辑相关的保护

a) 柴发机组并机控制器根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）作为保护判据，比如柴发机组失去同步时的保护；

b) 柴发机组并机控制器根据采集的非电量信号（如各台机组的通讯信号）作为保护判据，比如控制器通讯丢失后机组切除异常机组的保护；

c) 并机中压柜根据采集的电量信号（如电流方向、功率方向等）和非电量信号（如由柴发机组提供的失压联动信号等）作为保护判据。

1.3. 供油系统

在日常运维中，可能会造成供油系统中断的因素有如下几点：

① 燃油管线故障。此类故障主要由燃油管线中断（爆管）、燃油泵失效（管线失压）等原因造成，其中外部施工产生的机械损伤是导致此类故障的主要因素。

② 阀门拒动。此类故障多由于电动调节阀、电磁阀的驱动执行机构，如电动机、电磁铁线圈等部件故障失效导致。

③ 燃油耗尽。大型数据中心均采用了日用油箱+储油罐的配置方式，由于缺少平衡管，可能出现油罐内燃油量不均，甚至日用油箱补油速度不一致的情况，导致部分柴发因缺少燃油停机。另外，还需要关注油罐区补油口的可达性，部分项目中可能由于设计、施工或杂物堆放等原因导致油罐车无法抵达油罐区补油口附近完成储油罐燃油补充。

1.4. 进排风系统

柴油发电机房的通风系统设计时需要充分考虑每一台机组对进、排风面积的要求，尤其是远离进风口的机组，需要在设计时核算有效进、排风面积，并评估机组是否会因为进气温度高或进气量不足而导致容量下降。

2. 柴发系统可靠性改善的建议

由于单体设备故障的必然性，系统需要具备一定的冗余性和容错性，在其组成部分发生故障时，应能迅速隔离故障组件，防止故障扩大。故在数据中心等高可靠性要求的基础设施工程中，除了应该关注各类设施、设备本身的可靠性，更要通过冗余、备份、防错等手段，从环境、设计、维保等多方面综合考量，提升柴发系统整体的可靠性。

2.1. 机房环境方面

① 柴发机房的工作温度建议在5℃~30℃之间，若偏离此温度范围较大，需要对启动蓄电池、启动蓄电池充电器、冷却水加热套等部件或系统设置进行适应性修改。

② 若因柴油发电机房布局原因使部分柴发机组远离进风口，且中间有其他柴发机组阻隔，可考虑使用辅助手段提高有效进气面积或进风量，如增加进气口、增加辅助风机等。在进行柴发机房通风系统设计时，进风量应大于排风量，并需考虑燃烧空气量的需求。另外在进行控制策略设置时，建议将远离进风口的机组设置为后备机组。

③ 若柴发机房内设置了消防喷淋系统，应合理选择喷淋头位置，避免向发电机、配电柜、变压器、封闭母线和电缆盒直接喷淋。同时应选择合适的喷淋头类型，避免柴发带载时的辐射高温导致误喷。对可能受到影响的设备，应该对防护等级进行合理选择，避免因消防喷淋系统误动作导致设备损坏而对柴发系统的可靠性产生影响。另外，也可在当地法律法规许可的前提下使用消防水喷雾系统或气灭系统，降低消防水喷淋诱发电气火灾的风险。

2.2. 系统设计方面

① 系统中关键的冗余部分建议考虑物理隔离，如A/B路电源、冗余关键设备等，避免因故障扩大造成系统失效。

② 燃油系统设计时考虑一定的冗余，并关注隐蔽工程中易损设备、元器件的维护可达性，如燃油泵、燃油阀门等。若燃油管线较长，需考虑室外敷设时的地面沉降对管道连接的影响，必要时可在建设时采用环型管路设计或敷设一套备用管路。设备选型时重点关注管径、油泵流量和供油路径长度，确保柴发满功率运行时的燃油供给。燃油管线上的阀门应有手动操作装置，在紧急情况下可通过手动装置开断阀门。

③ 对于由多台柴发机组组成的柴发系统，并机控制器采用总线或环型结构，避免采用星形结构。

④ 柴发系统所用的并机控制器可考虑采用分布式控制。若采用主从控制，需确保检测到主机失效后，从机可以在短时间内接过主控权限，完成除故障机组外的机组并机。

⑤ 并机控制器必须采用U电、直流屏或启动蓄电池等可靠性较高的电源。

⑥ 若柴发机房难以保证适宜的温度，建议根据机房工作温度设置启动蓄电池充电器温度补偿。

⑦ 建议将可靠供电作为保护设置原则，在单台柴发机组出现故障或同步异常时，在自身保护停机的同时，通过分闸命令分断其对应的并机中压开关，使其完全脱离系统，避免因为机组失控进入电动机模式，使系统负载增加，造成系统输出波动，影响扩大。可采用如下保护搭配方案，以实现较为全面、可靠的保护。

⑧ 应根据数据中心所在地的年均最低气温选择合适的柴油标号，可参照下表：

另外，对于冬季气温较低的区域，埋地燃油管线应敷设在冻土层以下，裸露在空气中的管道需做保温；若有长距离的户外管道，需要考虑做管路电伴热。

⑨ 若数据中心所在地空气中沙尘、柳絮、杨絮等杂物较多，可考虑在柴发机房进风口安装初级滤网，对空气中的大颗粒杂质进行初步过滤，但需要注意安装滤网后的进风量是否仍能满足柴发的工作要求。

2.3. 维保优化

1) 按照制造商维保说明的要求，对柴发机组实施有效的保养。另外，机组在长期连续运行后（通常为120h以上，以制造商维保手册为准）也应该对机组实施保养，如及时补充消耗的机油量。

2) 定期进行柴油发动机润滑油杂质分析，主要关注润滑油中的金属含量，并建立记录台账分析其变化趋势。

3) 定期测试柴油发电机组启动蓄电池的健康状况，建议关注如下参数：

① 蓄电池开路电压。测试时将蓄电池的充电器断开，测量端电压：对于12V铅酸蓄电池，端电压值应在13.2V左右；静止8小时后，端电压值应在12.72V左右。若实测数据低于上述建议值则需要重点关注。

② 蓄电池启动电压降。记录柴发机组启动时蓄电池的电压降，测试时需要断开蓄电池与充电器的连接。通常对于12V铅酸蓄电池，电压降若大于3V则需要重点关注。

③ 蓄电池CCA（冷启动电流）值。对于北方地区，尤其是冬季气温在-15℃以下的区域，需要定期测试蓄电池的CCA值。若实测数据低于设备标准值的80%，则需要重点关注。

4) 关注柴发机组控制系统的维护保养，如器件温升、后备电源状态、信号连接等。

5) 定期对柴油成分进行分析，尤其在雨季需关注柴油中的含水量。

6) 柴油储备应能满足GB 50174-2017中的后备时间要求，并与燃油供应商签订应急供油协议，确保燃油的稳定供应。

7) 当柴发机组长期连续带载运行时（连续运行时间≥6h），应当关注柴发的温度和温升是否在允许的范围内，具体限制可参照下表（蓝色底纹为同步发电机最高允许温度，白色底纹为同步发电机最高允许温升）：

注：环境温度为40℃