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随着数据中心的快速发展，数据中心的规模越来越大，电力需求越来越高。动辄数十乃至上百MVA的电力容量需求，电压等级也由10KV，逐渐提升到35KV，110KV，220KV，电力系统越趋复杂。数据中心对于可靠性的要求又十分严苛，传统手段已经难于适用现有的电力系统及可靠性需求。采用电气仿真软件来解决现有的问题不得不摆在面前。
关键词：ETAP；数据中心；电气系统0. 引言十九世纪，英国人法拉第（Michael Faraday）发明了第一台发电机，从此人类开始步入电气化时代，在将近两百年后的今天，现代化的电气系统给人类社会带来了前所未有的便利性与发展动力。现代工业项目电气系统的特点是负荷（装机）密度大、重要负荷多、系统可靠性要求和复杂性都非常高、系统的运行方式存在多种方案，且负荷性质的多样化导致了系统谐波成份复杂。虽然二十一世纪的电气工程师在上述背景下，利用上一代同行们所做出的贡献，结合对这个领域的自身理解，构造出了各种各样的系统设计方案，但由于这些技术因素不仅相互交织影响，且项目的后期往往存在扩容扩产的情况，使得“现代工业项目的电气系统计算和分析”再采用传统手段已经没有可能。寻找一种标准统一、功能齐全、结果可信且高度自动化的计算方法，已然成为业内一个迫切需要解决的问题。 ETAP电气仿真软件是美国欧特艾（OTI）公司于1996年发行的一款综合型电气分析计算软件，现ETAP已归属于施耐德电气（schneider），ETAP能为各种电气系统的计算、分析乃至后期的运营模拟提供全面的分析平台和解决方案，经过二十多年的版本更新，目前ETAP已能根据IEC、IEEE、GOST等多种电气国际标准进行各种电气系统计算及分析作业[1]，在超过100个国家（包括中国）获得了高度专业性认可，并在各行各业得到了广泛应用，国际上绝大部分工业客户均明确要求承担其业务的工程（设计）公司提供“ETAP的计算分析结果”作为正式设计文件的一部分，提交委托方。 通过对以往项目的总结，可知工业项目的主要电气计算需求基本集中在：潮流计算、短路电流计算、谐波含量计算、接地网计算共四大计算分析业务板块。 本文以一个数据中心项目为例详细介绍了如何运用ETAP作为电气设计的计算依据，并期望能对以后类似技术工作起到指导意义。 1. 案例项目概况该数据中心远期规划建筑面积约32万㎡，本期建设约6.5万㎡（分别为两栋机房、一栋柴油机房、一栋110kV主变电所及若干栋相应配套用房）。本项目电源由110kV城市电网提供，基地内设置一座110kV主变电所，该110kV主变电所在本期建设中，其装机容量4×80MVA，110kV侧采用线路-变压器组接线方案，10kV侧采用单母线八分段环形接线方案（开环运行），本变电所土建按远期要求在本期一次建设到位，系统部分安装仅考虑本期2台主变及对应供配电设施，后期随着项目扩产再予以相应投入。 本数据中心的应急电源采用10kV中压柴油发电机群，当城网电源失去后，多台发电机并列运行，应急电源系统接入各数据机房的10kV系统侧，应急发电机群与城网电源之间有可靠电气联锁，应急电源系统与城网电源系统之间无法并列运行。 本期高压及中压电气系统方案的主接线图见图1.1，各系统参数和设备参数见表1.1。
图1.1 数据中心供电系统简图 Fig 1.1 Power supply system diagram
of DC
表1.1 数据中心系统设备参数表 Tab.1.1 Power supply system device parameter table of DC 2. 利用ETAP进行系统计算和分析ETAP为电气工程师提供了全面且完善的模型对象，但在某些情况下需要进行模型换算（例如分裂变压器需使用三圈变压器模型进行等效折算），而且使用者可以在ETAP中建立自己的数据库，以便于后期反复调用[2]。建立电气模型意味着技术人员必须输入大量的电气参数，这就对使用者的电气理论素养要求达到了一个比较高的要求，因为如果不理解建模过程中电气参数的意义，那么是无法进行“折算、分析、调整、优化”等技术工作的，因此电气技术人员不能认为有了ETAP，就可一劳永逸。虽然ETAP给出了自身数据库（Base），可采用其典型数据（Typical Data），但从ETAP官方给出的数据库版本口径来分析，ETAP从来就没有保证如果采用其自身数据的话，系统各项计算结果不会超出可忍受的误差范围（工程计算势必会有一定误差，但误差度必须能够使得项目忍受）。 下文将对案例进行具体的潮流计算、短路电流计算、谐波含量计算以及接地网计算。实际上工业项目电气系统计算内容应还应包括“系统可靠性计算及分析”，但该板块内容非常依赖于各类设备的可靠性数据，这一点国内目前还无大数据来支持这一部分内容，因此其计算结果并不具备较高可信度，从目前证据来看，系统可靠性计算结果无法落在概率意义上的置信区间内，因此本文不做阐述。 现在对数据中心的电气系统进行建模，结合以往工程经验和项目实际需求，本次建模至一级低压配电箱，后级系统采用等效负荷进行模拟。
图2.0.1 数据中心电网模型1 Fig 2.0.1 ETAP Grid model for DC 1 鉴于篇幅，本文仅以10kV /I段母线为例予以展示，值得注意的是，ETAP的场景向导（Scenario Wizard）提供了多种运行方式（场景）可供使用者进行自行设计编辑，同时ETAP还提供了运算向导（Study Wizard），各类场景在编辑好运行方式后，可以批量运行计算，且各类分析报告也自动对应单独形成，极大程度的提高了电气工程师的书面作业效率。
图2.0.2 数据中心电网模型2 Fig 2.0.2 ETAP Grid model for DC 2 2.1潮流计算与分析（Load Flow） 潮流计算的目的是校验各种运行方式下的电压降落、线路功率损耗、功率因数水平，发电机运行状态等，从而为电缆截面选型、无功补偿方案拟定、发电机选型及运行方式确定等提供理论依据，潮流计算是电气系统计算中最基本且最为重要的计算内容，会直接影响系统主接线方案以及项目工程造价。 本项目在中压侧存在四种运行方式，在400V侧存在3种运行方式，如果考虑到数据机房UPS的运行方式，则全系统运行方式会超过20种。在ETAP中根据这四种运行方式，针对各系统设备赋予状态定值，然后批量运算，能够很快得出结果，如图2.2.1。
图2.1.1 潮流计算结果 Fig 2.1.1 Calculation result for load flow 可以看到，ETAP高效的对各种运行方式进行了计算（计算时间秒级），对应各种运行方式的结果在列表中一览清晰，详细的计算报告也已经自动生成并存入指定目录（限于篇幅，此处不再阐述），从计算结果中可以清晰得到线路损耗、母线功率因数、母线电压等关键参数，从而得出该数据中心无需常规装设固定电容补偿，后期也确实未装设固定电容，项目运行情况良好，证明了ETAP的理论计算是有强大实际意义的。 2.2短路计算与分析（Short Circuit） 短路电流计算的目的是校验系统在各种短路故障情况下设备、电缆的耐受能力以及开关的分断能力，并为电网继电保护方案设计提供依据，同潮流计算一样，短路电流计算也是电气系统计算最为基本和重要的计算内容之一。 根据潮流计算确定的运行方式，对各种运行方式下的系统进行短路计算分析，由于项目中存在发电机群系统，而发电机的短路电流计算存在极其复杂的电磁暂态过程，因此以往采用手算方式是没有可能对发电机群系统进行短路分析的，ETAP很好的解决了这一问题。
图2.2.1 短路计算结果 Fig 2.2.1 Calculation result for short circuit ETAP给出了各类短路故障下的电流计算结果值，而且给出了每个回路的三序阻抗，这为后期的继电保护方案设计及保护定值的整定，起到了有效支持的作用，大大提高了电气系统设计的效率。 从图中可以看出，ETAP还给出了发电机端各种短路故障电流。值得一提的是，ETAP能够根据短路电流变化进行自动绘图，这对电气工程师从感官上去分析故障点情况，以快速给出系统解决方案是非常有利的，如图2.2.2所示。
图2.2.2 短路计算电流波形 Fig 2.2.2 Current waveform for short circuit 2.3谐波含量计算与分析（Harmonic） 众所周知，包括数据中心在内的工业项目存在大量的电子非线性设备（UPS、VFD等），因此对类似项目的系统谐波水平进行分析是有必要的，这有利于将来系统扩容时避免与现有系统发生谐振、保证数据中心内对谐波敏感的通信电子信息设备正常运行、合理制定APF或SVG的容量等工作，具有非常重要的意义，在采用仿真软件之前，这一块工作在电气设计中可以说是空白。
图2.3 谐波计算结果 Fig 2.3 Calculations result for Harmonic 从对某条母线的计算结果中可以看出，真实的谐波含量并没有想象的那么大，这一点在项目投运后得到了证明。 2.4接地网计算与分析（Grounding Grid） 现时大部分普通建筑物均利用了建筑物自然接地极，或者在地表下敷设大量的扁钢等接地体，同时预留了后期增加人工接地极的条件，因此普通建筑物的接地网电阻基本均能满足电气要求，这里要注意的是35kV及以上独立变电所的接地网计算及设计，因为这一部分的设计方案及接地电阻计算方法与普通建筑物完全不同，我国国家相应规范中对此提出了明确的计算方法，但是计算过程极其复杂，不易应用，ETAP则能在使用者建立完接地网模型后，迅速计算出方案的合理性及相应要求，并给出优化建议。 本项目110kV变电所接地网计算结果如图2.4。
图2.4 接地网计算结果 Fig 2.4 Calculations result for Grounding resistance 需要注意的是，ETAP计算接地电阻采用的是IEEE标准办法，有相关文献证明该办法比中国大陆采用的计算方法相比，两者相差在10%之内，实际上可以认为这两种办法是等价的，从上图也可以看出ETAP同时给出了跨步电压和接触电压的计算值与允许值。 3. 总结ETAP为电气工程师提供了极为方便的各类模块计算手段，从上述案例的系统建模到计算结果分析全过程可见，电气仿真软件将在未来电气设计中起到重要的作用，用惯用方法对部分数据进行手算对比可知，与ETAP计算结果相比，其差异度可以忽略不计。 现代电气设计工作已不可能仅限于完成一份传统意义上的“图纸”绘制工作，设计必将延伸至项目运营及未来改建和扩建中去，而ETAP在设计阶段建立的模型能够无缝的交付运营部门，且能够深入的与电气监控进行对接融合。随着我国电气工程设计更广泛、更深入的融入国际背景，我国的电气工程师不仅需要具备更深的电气工程理论基础和工程实际经验，同时也应深刻理解“有效的深入应用ETAP此类工程计算软件”将成为现代化电气工程人员的一个必修课。 参考文献 [1] 朱慧.ETAP仿真软件在化工企业电力系统设计中的应用[J].化工自动化及仪表.2014 关注 |
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