M2-01 供电架构全景与弱电接口

模块定位：本章是电气系统学习的起点。作为弱电工程师，你不需要能设计供配电系统，但你必须能"读懂"它——知道每一个节点是什么、干什么、跟你的动环监控系统之间有哪些接口。本章将从供电链路的第一个节点（市电引入）讲到最后一个节点（服务器电源），逐一拆解。

学习目标：

• 能画出A级数据中心完整供电链路图
• 理解每个供电节点的功能和关键参数
• 明确弱电工程师需要从电气系统获取的全部信息
• 掌握动环监控与电气设备的通信接口类型
• 能对平谷项目的供电架构进行基本分析

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目录

1. 数据中心供电与普通建筑供电的本质区别
2. A级供电链路完整解析
3. ATS vs STS 区别详解
4. 弱电工程师从电气系统获取的信息清单
5. 平谷项目供电架构分析
6. 速记卡
7. 2sigma诊断题

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1. 数据中心供电与普通建筑供电的本质区别

1.1 为什么要单独学数据中心供电？

你在做弱电项目时，可能接触过写字楼、医院、酒店等建筑的弱电系统。这些建筑的供配电相对简单——市电进来，变压器降压，配电箱分配，照明和插座用电。偶尔有应急电源（EPS）给消防设备供电。但数据中心完全不同。

一句话概括区别：普通建筑的供电是"能用就行"，数据中心的供电是"绝对不能断"。

1.2 八个本质区别

1.3 等级划分（GB 50174-2017）

中国国家标准《数据中心设计规范》GB 50174-2017将数据中心分为A、B、C三级：

A级（容错级）：

• 电子信息系统运行中断将造成重大经济损失或社会影响
• 要求2N或2(N+1)冗余供电
• 至少两路独立市电引入
• 柴油发电机组后备
• UPS不间断供电
• 年可用性 ≥ 99.995%（年停电时间 ≤ 26.28分钟）

B级（冗余级）：

• 电子信息系统运行中断将造成较大经济损失或社会影响
• 要求N+1冗余供电
• 至少一路可靠市电 + 柴发后备
• UPS不间断供电
• 年可用性 ≥ 99.99%（年停电时间 ≤ 52.56分钟）

C级（基本级）：

• 基本需求
• 单路市电 + 柴发可选
• UPS可选
• 年可用性 ≥ 99.9%（年停电时间 ≤ 8.76小时）

鸿才笔记：你做的平谷智算数据中心（9120个机柜），毫无疑问是A级。两路独立市电引入 + 柴发后备 + 2N UPS，这是标配。动环监控系统需要覆盖所有冗余链路的每个节点。

1.4 Uptime Institute Tier等级与国标的对应关系

国际上常用Uptime Institute的Tier分级，与国标的大致对应关系：

关键概念：Tier III的"可并行维护"（Concurrently Maintainable）意味着任何设备维护时不需要停机；Tier IV的"容错"（Fault Tolerant）意味着单点故障不会导致停机。这两个概念直接影响弱电监控系统的设计——你的监控系统本身也需要冗余。

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2. A级供电链路完整解析

2.1 供电链路全景图

下面是A级数据中心典型的2N供电链路。请仔细研读，这是本模块最核心的知识框架：

                        ┌─────────────┐
                        │  电网A路     │
                        │ (110kV/35kV) │
                        └──────┬──────┘
                               │
                        ┌──────▼──────┐     ┌─────────────┐
                        │ 高压开关站   │     │  电网B路     │
                        │ (110kV GIS) │     │ (110kV/35kV) │
                        └──────┬──────┘     └──────┬──────┘
                               │                    │
                    ┌──────────┴────────┐  ┌───────┴─────────┐
                    │ 变压器A            │  │ 变压器B          │
                    │ (110kV→10kV)      │  │ (110kV→10kV)    │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────┐  ┌───────▼─────────┐
                    │ 高压配电柜A        │  │ 高压配电柜B      │
                    │ (10kV)            │  │ (10kV)          │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────┐  ┌───────▼─────────┐
                    │ 变压器A            │  │ 变压器B          │
                    │ (10kV→0.4kV)     │  │ (10kV→0.4kV)   │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────┐  ┌───────▼─────────┐
                    │    ATS/STS A      │  │   ATS/STS B     │
                    │  (双路切换)       │  │  (双路切换)     │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                  ┌────────────┤                    ├────────────┐
                  │            │                    │            │
           ┌──────▼──────┐    │             ┌──────▼──────┐    │
           │  柴油发电机  │    │             │  柴油发电机  │    │
           │  机组A       │    │             │  机组B       │    │
           └─────────────┘    │             └─────────────┘    │
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────┐  ┌───────▼─────────┐
                    │    UPS系统A       │  │    UPS系统B      │
                    │  (含电池组)       │  │  (含电池组)      │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────┐  ┌───────▼─────────┐
                    │  低压配电柜A      │  │  低压配电柜B     │
                    │  (UPS输出柜)      │  │  (UPS输出柜)     │
                    └──────────┬────────┘  └───────┬─────────┘
                               │                    │
                    ┌──────────▼────────────────────▼─────────┐
                    │         列头柜/精密配电柜                 │
                    │    (A路输入 + B路输入，双路汇聚)          │
                    └──────────────────┬───────────────────────┘
                                       │
                              ┌────────▼────────┐
                              │      PDU        │
                              │  (机柜配电单元)  │
                              └────────┬────────┘
                                       │
                              ┌────────▼────────┐
                              │    服务器/       │
                              │   IT设备电源     │
                              │  (双电源模块)    │
                              └─────────────────┘

注意：上图是简化的2N架构。实际项目中A路和B路是完全独立的两套系统，从市电引入到UPS输出，任何一路的任何节点故障，都不会影响IT设备供电。这就是"容错"的含义。

2.2 节点1：市电引入

功能说明

市电引入是数据中心供电的起点。对于A级数据中心，需要从不同变电站引入至少两路独立的高压电源。"独立"是关键词——两路电必须来自不同的上级变电站，最好来自不同的电网线路，以确保一路故障不会影响另一路。

在中国，大型数据中心通常从110kV或35kV电压等级引入。超大型数据中心（如平谷项目这种万柜级别）通常从110kV引入，因为35kV在大容量下电流过大，线损和设备成本反而更高。

市电引入的物理形态通常是架空线路或电缆沟。架空线路成本低但可靠性稍差（受雷击、台风、覆冰等影响）；电缆沟（地埋电缆）可靠性更高但成本较大。A级数据中心通常两路市电中至少有一路采用电缆引入。

关键参数

弱电工程师关注点

• 市电状态监控：需要在高压进线处安装电力监测仪表，通过通信接口（通常是Modbus RTU/TCP）将电压、电流、功率、频率、功率因数等数据上传至动环监控系统
• 市电中断告警：市电中断是最高级别告警之一，必须第一时间推送给值班人员
• 电能质量监控：长期记录电压偏差、频率偏差、谐波含量等数据，为供电质量评估提供依据
• 电度计量：用于能耗统计和PUE计算，需要在市电引入处安装智能电表

2.3 节点2：高压开关站 / 高压配电室

功能说明

高压开关站是市电引入后的第一个配电节点。其核心功能是接收、分配和保护高压电源。高压开关站内的主要设备包括高压断路器（真空断路器或SF6断路器）、隔离开关、电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、避雷器、母线等。

在110kV等级，通常采用GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘开关设备），体积紧凑、可靠性高、维护量小，非常适合数据中心这种对供电可靠性要求极高的场景。GIS设备将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器等集成在一个密封的SF6气体腔体内。

高压配电室通常采用环网柜或中置柜的形式。环网柜用于10kV/35kV电缆环网接线，中置柜用于终端变电站配电。每个出线回路都配有保护装置（微机综合保护），可实现过流保护、速断保护、零序保护、过压保护、欠压保护等功能。

关键参数

弱电工程师关注点

• 微机保护装置通信接口：现代综合保护装置（如南瑞继保PCS-9000系列、许继WGB系列）通常支持RS485/以太网通信，协议为IEC 61850或Modbus。动环系统需读取保护动作信息、开关位置状态
• SF6气体密度监测：GIS设备需监测SF6气体密度/压力，低于阈值告警（SF6气体泄漏影响绝缘和灭弧性能）
• 温度监测：高压开关柜内母线接头、断路器触头等部位需安装无线测温传感器，预防因接触电阻增大导致的过热
• 开关状态（分/合）：通过辅助触点或保护装置通信获取每个开关的分合状态，在动环系统中实时展示一次接线图

2.4 节点3：变压器

功能说明

变压器是供电链路中最关键的设备之一，其功能是电压变换。数据中心通常需要至少两级变压：第一级将110kV/35kV降至10kV（在高压开关站或户外变电站完成），第二级将10kV降至400V（0.4kV）供UPS和其他低压设备使用。

数据中心常用的变压器类型有两种：油浸式变压器和干式变压器。油浸式变压器效率高、散热好、容量大，但需要独立的变压器室和消防设施（因为变压器油是可燃物）。干式变压器不含油，防火性能好，可与低压配电设备同室布置，但散热性能较油浸式差，通常用于室内和对防火要求高的场景。

A级数据中心的变压器配置遵循2N原则：两路市电各配独立的变压器组，任何一台变压器故障或维护时，另一路变压器组能承担全部负荷。这意味着正常运行时每台变压器只工作在50%左右负载率——这也是变压器效率最优的工作点附近。

变压器的容量选择需要考虑：IT负荷、制冷负荷、照明动力负荷、损耗、未来扩容余量等因素。通常按最终满载容量的110%-130%选型。

关键参数

弱电工程师关注点

• 温度监测：干式变压器通常配有温控器（如BWD系列），通过RS485输出三相绕组温度。油浸式变压器需监测油温和绕组温度。温度是变压器健康状态的核心指标——绕组温度过高直接影响绝缘寿命
• 负载率监控：通过在低压侧安装智能电表或电力仪表，实时计算变压器负载率。一般建议日常负载率不超过70%-80%
• 风机运行状态：干式变压器在负载率超过一定值时会启动强制风冷（AN→AF），需监控风机的运行/停止/故障状态
• 油位/油温/瓦斯（油浸式）：油浸式变压器需监测油位（油位计）、油温（温度传感器）、瓦斯继电器状态（轻瓦斯告警、重瓦斯跳闸——指变压器内部故障产生气体）

2.5 节点4：高压配电柜（10kV）

功能说明

高压配电柜（也称中压配电柜，因为10kV在国际标准中属于中压范畴）是10kV电能分配的核心设备。其功能是将变压器输出的10kV电源，通过母线分配到各个出线回路——每个回路通常对应一台10kV/0.4kV降压变压器。

数据中心10kV配电柜通常采用中置式开关柜（如ABB UniGear、施耐德PIX、国产KYN28系列），柜内配置真空断路器。中置式开关柜的特点是断路器安装在柜体中部的手车上，可以方便地推进（工作位置）、拉出（试验位置）、完全脱离（检修位置），实现带电检修和维护。

在2N架构中，10kV配电通常采用单母线分段接线方式：每路市电各供一段母线，两段母线之间设联络开关（母联）。正常运行时母联断开，两段母线独立运行；当一路市电故障时，母联可以合闸，由另一路市电同时供两段母线。但在严格的2N设计中，通常不设母联或母联常开不自投，以保持两路的完全独立性。

关键参数

弱电工程师关注点

• 开关位置状态：每个断路器的分/合/试验位置，通过辅助触点采集或综保通信读取
• 保护动作记录：每次保护动作（过流、速断、接地等）都需要记录时间戳、动作类型、故障电流值等信息，用于事后分析
• 母线电压/电流：实时监测每段母线的电压和电流，通过PT/CT接电力仪表
• 柜内环境：温湿度、凝露状况。高压柜内凝露会导致绝缘事故，需在柜内安装温湿度传感器并配合除湿加热器

2.6 节点5：ATS/STS（自动转换开关）

功能说明

ATS（Automatic Transfer Switch，自动转换开关）是实现双路电源自动切换的关键设备。当首选电源（常用电源）出现故障时，ATS自动切换到备用电源；当首选电源恢复正常后，可以自动或手动切回。

在数据中心供电链路中，ATS/STS通常出现在以下位置：

1. 低压侧（0.4kV）：在UPS输入前，实现两路低压市电的自动切换
2. 市电与柴发之间：当市电中断时，自动切换到柴油发电机供电
3. 在UPS旁路输入：为UPS旁路提供双路选择

ATS是机械切换设备，内部有两组接触器或断路器，通过机械联锁保证同一时刻只有一路接通。切换时间通常在100ms-500ms之间（包含检测延时和机械动作时间）。对于UPS前端的ATS，这个切换时间是可以接受的，因为UPS电池会在切换期间接管供电。

STS（Static Transfer Switch，静态转换开关）是电子切换设备，使用SCR（可控硅/晶闸管）替代机械触点，切换时间可以做到2-4ms，甚至更短。STS通常用于UPS输出之后、对切换时间极其敏感的场合。

注意：ATS和STS的详细对比见下一节（第3节）。

关键参数

弱电工程师关注点

• 当前工作路数：A路/B路，正常应工作在首选电源
• 切换动作记录：每次切换的时间、原因（欠压/过压/缺相/频率异常）、切换耗时
• 通信接口：多数ATS/STS控制器支持Modbus RTU（RS485）或干接点输出。需在动环系统中显示当前供电路径
• 切换失败告警：切换不成功是严重告警，需立即通知运维人员

2.7 节点6：UPS（不间断电源）

功能说明

UPS是数据中心供电链路中最核心的保护设备，其功能是确保IT设备供电的连续性和电能质量。UPS将市电交流电整流为直流电，为电池充电，同时通过逆变器将直流电转换回交流电输出给负载。当市电中断时，电池提供直流电，逆变器继续输出交流电，实现"不间断"供电。

UPS的工作原理、类型、参数、冗余架构等内容非常丰富，将在下一章（M2-02）详细展开。本节仅从供电链路角度概述其位置和作用。

在A级数据中心中，UPS系统通常采用2N冗余配置：两路完全独立的UPS系统分别供电给IT设备的A电源和B电源。每路UPS系统内部还可能采用N+1冗余（例如4+1模块并联，其中1台为冗余模块）。

UPS的后备时间（电池放电时间）通常设计为10-30分钟。这个时间不是为了长时间支撑负荷，而是为了桥接市电中断到柴油发电机启动的时间窗口（柴发从冷态启动到稳定接载通常需要10-60秒，但考虑启动失败重试等异常情况，电池后备时间需要留有足够余量）。

关键参数

弱电工程师关注点

• 运行模式：正常/电池/旁路/ECO/维护旁路，每种模式变化都需要告警或记录
• 电池状态：SOC（荷电状态）、电池电压、充放电电流、电池温度、预估剩余时间
• 负载率：当前负载占UPS额定容量的百分比
• 输入/输出参数：电压、电流、频率、功率、功率因数
• 告警信息：UPS故障类型繁多（整流器故障、逆变器故障、风扇故障、过温、过载等），需全部接入动环系统
• 通信接口：主流UPS支持SNMP（网络管理协议）、Modbus（RS485/TCP）、干接点。SNMP是最常用的接入方式

2.8 节点7：低压配电柜（UPS输出柜 / 精密配电柜 / 列头柜）

功能说明

低压配电柜是UPS输出之后的电能分配设备。在数据中心中，低压配电通常有2-3级：

第一级：UPS输出柜 位于电力室，直接接收UPS的输出电源，通过断路器分配到各个机房或区域。这一级配电柜通常容量较大（如3200A母线），每个出线回路配有塑壳断路器（MCCB）或框架断路器（ACB），供给下一级配电。

第二级：列头柜（RPP，Remote Power Panel）/ 精密配电柜（PDC） 位于机房内，通常安装在每列机柜的端头（所以叫"列头柜"）。列头柜接收来自UPS输出柜的电源，再分配到该列的每个机柜。列头柜是弱电工程师最常打交道的电气设备，因为：

1. 它位于机房内，物理上容易接触
2. 它是"精密配电"，配有智能监控模块，可以监测每个出线回路的电流
3. 它的通信接口通常直接接入动环监控系统

列头柜内部通常包含：

• 主进线断路器（MCCB或ACB）
• 多路出线微型断路器（MCB）或MCCB
• 智能电力仪表（如施耐德PM系列、安科瑞系列）
• SPD（电涌保护器）
• 智能监控模块（带通信接口）

关键参数

弱电工程师关注点

• 每回路电流监测：这是列头柜最重要的功能之一。通过监测每个出线回路的电流，可以推算每个机柜的用电量，进而计算PUE、发现负载不均衡等问题
• 总电量计量：用于能耗统计和PUE计算
• 断路器状态：进线和出线断路器的分合状态
• 告警阈值设置：过载告警（如80%/90%/100%）、欠压告警、过压告警
• 通信协议配置：需要了解列头柜智能模块使用的通信协议和寄存器地址，以正确接入动环系统。最常见的是Modbus RTU over RS485

2.9 节点8：PDU（机柜配电单元）

功能说明

PDU（Power Distribution Unit，电源分配单元）是供电链路的倒数第二个节点，安装在机柜内部，将列头柜送来的电源分配给机柜内的各台IT设备。PDU本质上就是一个"高级插排"，但其功能远不止插排那么简单。

PDU按功能分为四类：

基础型PDU（Basic PDU）： 最简单的形式，就是将一路输入电源分配为多个输出插座。无监控、无控制功能。适用于对成本敏感的小型数据中心。

计量型PDU（Metered PDU）： 在基础型的基础上增加了电力参数监测功能，可以显示总输入的电压、电流、功率、电度等信息。通常配有LED显示屏和通信接口（网口或串口），可以将数据上传给动环系统。

监控型PDU（Monitored PDU）： 在计量型的基础上增加了每个插座级别（outlet-level）的电流监测。可以知道每台服务器具体用了多少电。同时可能集成温湿度传感器接口。

管控型PDU（Switched PDU）： 在监控型的基础上增加了远程控制每个插座通断的能力。可以通过网络远程开关某个插座的电源，实现远程重启服务器等操作。这是功能最全的PDU类型。

在A级数据中心中，每个机柜通常配置2台PDU（A路PDU + B路PDU），分别接入两路独立的UPS电源。服务器的双电源模块分别接入两台PDU。

关键参数

弱电工程师关注点

• PDU是弱电工程师在电气系统中"最亲密"的设备。因为它直接安装在机柜内，与弱电线缆（网络、光纤）共处同一空间
• SNMP接入：智能PDU通常通过SNMP协议接入动环监控。需要配置PDU的IP地址、SNMP Community字符串、SNMP版本（v2c或v3）。v3版本支持加密和认证，安全性更好
• 级联/菊花链：一些PDU支持通过RS485菊花链连接，多台PDU共用一个IP地址（网关），减少IP地址消耗和网络端口占用
• 环境监测集成：智能PDU通常支持外接温湿度探头、门禁传感器、漏水传感器等，将这些环境量一并通过SNMP上传，减少了单独布线的工作量
• 容量规划：需要确保PDU的输入电流能满足机柜内设备的总功率需求。在高密度场景下（如AI服务器），可能需要更大规格的PDU或多条进线

2.10 节点9：服务器电源（最终用电设备）

功能说明

服务器电源是供电链路的终点。现代数据中心服务器通常配置冗余电源模块（PSU，Power Supply Unit），典型配置是1+1或2+1冗余。每个电源模块独立连接到不同的PDU（进而连接不同的UPS路径），实现"双路"供电到服务器层面。

服务器电源的功能是将交流220V（或380V三相，如高端GPU服务器）转换为服务器内部所需的直流电压（12V为主，再由主板上的VRM模块转换为CPU/GPU/内存所需的各种电压：如1.0V、1.1V、1.8V、3.3V、5V等）。

现代服务器电源的效率认证遵循80 PLUS标准：

关键认知：服务器电源效率直接影响数据中心PUE。9120个机柜，如果将电源效率从Gold提升到Titanium，在50%负载下效率从90%提升到94%，意味着减少约4%的电源损耗。对于总功率54.72MW的项目，这是约2.19MW的功率节省——一年的电费节省约1500万元（按0.8元/kWh估算）。

弱电工程师关注点

• BMC/IPMI接口：服务器的基板管理控制器（BMC）通常通过IPMI协议或Redfish API暴露电源状态信息（电源模块在位状态、输入电压、输出功率、温度、风扇转速等）。弱电工程师需要了解这些接口存在，但通常由IT运维团队管理
• 电源冗余状态：需要确认服务器是否正常工作在冗余模式（两个电源模块都在工作）。任何一个电源模块故障都应产生告警
• 布线注意：服务器电源线必须分别走A路和B路PDU，不能接错。这是弱电工程师在机柜部署时需要检查的关键项

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3. ATS vs STS 区别详解

3.1 工作原理对比

ATS（Automatic Transfer Switch）- 机械式切换

ATS内部有两组机械触点（通常是两台接触器或两台断路器），通过机械联锁机构确保同一时刻只有一组触点闭合。工作流程如下：

1. 控制器持续监测两路输入电源的电压、频率
2. 当检测到首选电源异常（欠压/过压/缺相/频率偏差超标），启动计时延时（通常2-5秒，避免误动作）
3. 延时到达后确认首选电源确实故障，发出转换指令
4. 首选电源侧触点断开（先断）
5. 经过短暂的中间过渡时间（死区时间，通常20-80ms）
6. 备用电源侧触点闭合（后合）
7. 总切换时间：检测延时 + 机械动作时间 ≈ 2-5秒 + 100-500ms

ATS采用开路转换（Open Transition）方式，即先断后合，中间有短暂的断电间隙。这种方式安全可靠，不会出现两路电源短路并联的风险。部分高端ATS支持闭路转换（Closed Transition），在切换瞬间短暂地同时接通两路电源（通常<100ms），但前提是两路电源必须同步（电压和相位一致）。

STS（Static Transfer Switch）- 电子式切换

STS使用两组反并联的SCR（可控硅/晶闸管）替代机械触点。SCR是电力电子器件，导通和关断速度极快（微秒级）。工作流程如下：

1. 控制器持续监测两路输入电源的电压、频率、相位
2. 当检测到首选电源异常，立即发出转换指令（延时极短或无延时）
3. 在首选电源电流过零点时关断首选侧SCR
4. 几乎同时导通备用侧SCR
5. 总切换时间：2-4ms（不到半个工频周期）

STS可以实现闭路转换——在切换瞬间短暂地同时导通两组SCR，确保负载供电不中断。但这要求两路电源的电压和相位基本同步。

3.2 全维度对比表

3.3 数据中心中的典型应用

位置1：市电A路 ←→ 柴发A    →→→ 适合用ATS
        （切换时间要求：秒级即可，因为UPS电池桥接）

位置2：市电B路 ←→ 柴发B    →→→ 适合用ATS
        （同上）

位置3：UPS A路输出 ←→ UPS B路输出 →→→ 适合用STS
        （切换时间要求：毫秒级，因为后面直接是IT设备）
        （但在2N架构中通常不需要STS，因为IT设备自带双电源）

位置4：单电源设备（如只有一个PSU的设备）
        A路UPS ←→ B路UPS →→→ 必须用STS
        （切换时间要求极高，设备无法自行冗余切换）

鸿才关键认知：在严格的2N架构中（如平谷项目），服务器配双电源，A路B路完全独立，实际上很少需要STS。ATS主要用于市电和柴发之间的切换。只有当存在单电源设备时才需要STS来弥补设备本身不具备双路输入的缺陷。

3.4 弱电监控要点

不管是ATS还是STS，动环监控系统需要采集的信息基本一致：

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4. 弱电工程师从电气系统获取的信息清单

4.1 总览

作为弱电工程师，你的动环监控系统需要从电气系统获取大量数据。以下是一份完整清单，按设备类型分类。这份清单也是你在做弱电方案设计时，与电气工程师对接的"需求列表"。

4.2 按设备分类的信息清单

4.2.1 高压配电系统

4.2.2 变压器

4.2.3 ATS/STS

4.2.4 UPS系统

4.2.5 低压配电柜 / 列头柜

4.2.6 PDU

4.2.7 柴油发电机

4.3 通信接口详解

弱电工程师需要深入理解以下四种通信接口，因为它们是动环监控系统与电气设备"对话"的语言：

4.3.1 SNMP（Simple Network Management Protocol，简单网络管理协议）

原理：SNMP是一种基于UDP/IP的网络管理协议，最初用于网络设备（交换机、路由器）管理，后来被广泛应用于UPS、PDU、精密空调等智能设备的监控。

三个版本：

• SNMPv1：最早版本，安全性差（Community String明文传输），但兼容性最好
• SNMPv2c：改进了性能（支持GetBulk批量获取），但安全性仍差。目前最常用
• SNMPv3：增加了用户认证（USM）和数据加密（DES/AES），安全性大幅提升。推荐使用

关键概念：

• MIB（Management Information Base）：管理信息库，定义了设备可被管理的所有参数及其OID
• OID（Object Identifier）：每个可管理参数的唯一标识符，用一串数字表示层级关系。例如：1.3.6.1.4.1.318.1.1.1.2.2.1 表示APC UPS的电池剩余容量
• Community String：v1/v2c版本的"密码"，分为只读（read-only，通常默认为"public"）和读写（read-write，通常默认为"private"）
• GET：监控系统主动查询设备参数
• SET：监控系统向设备写入参数（如远程控制PDU插座开关）
• TRAP：设备主动向监控系统发送告警信息（事件驱动，无需轮询）

在数据中心的应用：

• UPS监控（施耐德、华为、维谛等主流品牌均支持）
• 智能PDU监控
• 精密空调监控
• 网络设备监控

# SNMP工作示意
动环监控主站                    UPS设备
    │                           │
    │──── SNMP GET ────────────→│  （主动查询：你的电池电量是多少？）
    │←─── SNMP Response ────────│  （回答：85%）
    │                           │
    │←─── SNMP Trap ────────────│  （设备主动上报：我切到电池模式了！）
    │                           │

4.3.2 Modbus协议

原理：Modbus是一种串行通信协议，由Modicon公司于1979年发明（最初用于PLC通信），因其简单、开放、可靠，成为工业领域最广泛使用的通信协议之一。

三种传输模式：

• Modbus RTU：基于RS485串行总线，数据以二进制编码传输，效率高。使用CRC校验。这是数据中心电力设备最常用的Modbus模式
• Modbus ASCII：基于RS485串行总线，数据以ASCII编码传输，可读性好但效率低。使用LRC校验。较少使用
• Modbus TCP：基于以太网TCP/IP，将Modbus帧封装在TCP报文中传输。适用于需要远距离传输或集成到IP网络的场景

关键概念：

• 从站地址：每个设备一个地址（1-247），同一RS485总线上不能重复
• 功能码：指定操作类型
  • 01：读线圈（读开关状态）
  • 02：读离散输入（读干接点状态）
  • 03：读保持寄存器（读模拟量参数，最常用）
  • 04：读输入寄存器
  • 05：写单个线圈（控制单个开关）
  • 06：写单个寄存器
  • 16：写多个寄存器
• 寄存器地址：每个参数存储在特定的寄存器地址。设备厂家会提供寄存器地址表（也叫Modbus Points List），这是弱电工程师配置动环系统时必需的文档

RS485总线要点：

• 两线制（A/B线，半双工）或四线制（全双工）
• 通信距离最远1200m（9600bps时）
• 同一总线最多挂32个设备（标准驱动器）；增强型驱动器可达128个或256个
• 必须在总线末端接120欧姆终端电阻

# Modbus RTU通信示意（RS485总线）
动环采集器                RS485总线
    ├──A线──────────────────────┐
    ├──B线──────────────────────┤
    │                           │
    │                   ┌───────┴───────┐
    │                   │  电力仪表#1    │（地址=1）
    │                   │  电力仪表#2    │（地址=2）
    │                   │  温控器#3      │（地址=3）
    │                   │  ATS控制器#4   │（地址=4）
    │                   │  ...          │
    │                   │  终端电阻120Ω  │
    │                   └───────────────┘

4.3.3 干接点（Dry Contact / 无源触点）

原理：干接点是最简单、最可靠的信号传递方式。一个干接点就是一对金属触点，只有"闭合"（通/ON）和"断开"（断/OFF）两种状态。它不提供电源（因此叫"干"接点，区别于带电的"湿"接点），由监控系统提供检测电压。

工作方式： 监控系统的采集模块提供一个低压直流电源（通常12V或24V），通过检测回路来判断干接点是闭合还是断开。干接点闭合时回路导通，采集模块检测到电流通过；干接点断开时回路断开，无电流。

两种类型：

• 常开触点（NO, Normally Open）：正常状态下断开，动作时闭合。例如：设备故障时触点闭合发出告警
• 常闭触点（NC, Normally Closed）：正常状态下闭合，动作时断开。例如：设备正常时触点闭合，故障时断开发出告警

最佳实践：在数据中心监控中，通常推荐使用常闭触点来传递告警信号。原因是：如果使用常开触点，当连接线断了（断线），监控系统会认为"没有告警"（因为正常状态也是断开的），从而错过真正的告警。而使用常闭触点，连接线断了等同于"触点断开"，监控系统会识别为"告警状态"，反而更安全。这叫**"断线即告警"**原则。

在数据中心的应用：

• 设备运行/停止状态
• 故障告警
• 门禁状态（门开/门关）
• 水浸检测
• 消防联动信号
• UPS旁路/电池模式指示

4.3.4 4-20mA模拟量信号

原理：4-20mA电流环是一种经典的工业模拟量传输标准。传感器将被测物理量（温度、压力、液位等）转换为4-20mA的电流信号，通过两根导线传输给采集设备。

为什么用4-20mA而不是0-20mA？

• 4mA代表量程下限（0%），20mA代表量程上限（100%）
• 使用4mA而非0mA作为下限，是为了区分"信号下限"和"断线"。如果使用0-20mA，当检测到0mA时无法区分是"信号为0"还是"线断了"。使用4-20mA，检测到0mA就一定是断线故障
• 这与干接点的"断线即告警"原则类似，都是工业监控领域的安全设计思维

计算公式：

物理量 = 量程下限 + (电流值 - 4) / (20 - 4) × (量程上限 - 量程下限)

示例：燃油液位传感器，量程0-3m，当前电流12mA
液位 = 0 + (12 - 4) / (20 - 4) × (3 - 0) = 1.5m

在数据中心的应用：

• 柴发燃油液位
• 柴发冷却水温度
• 柴发机油压力
• 油浸变压器油温
• 某些温湿度传感器

弱电工程师注意事项：

• 4-20mA是电流信号，抗干扰能力强，传输距离可达数百米（远优于电压信号）
• 采集模块需要在输入端接一个精密电阻（通常250欧姆），将电流转换为电压信号（4mA×250Ω=1V，20mA×250Ω=5V），再由ADC转换为数字量
• 需要在动环软件中配置量程映射（4mA对应什么物理量，20mA对应什么物理量）

4.4 通信接口选择决策树

需要监控的设备
    │
    ├── 有网口（RJ45/以太网）？
    │   ├── 是 → 优先使用 SNMP 或 Modbus TCP
    │   │        适用：UPS、智能PDU、精密空调、网络设备
    │   └── 否 → 继续判断
    │
    ├── 有RS485接口？
    │   ├── 是 → 使用 Modbus RTU
    │   │        适用：电力仪表、列头柜、温控器、ATS控制器
    │   └── 否 → 继续判断
    │
    ├── 只有干接点输出？
    │   ├── 是 → 使用干接点采集模块
    │   │        适用：老旧设备、简单状态信号
    │   └── 否 → 继续判断
    │
    └── 模拟量传感器（温度/液位/压力）？
        ├── 是 → 使用 4-20mA 模拟量采集
        │        适用：柴发传感器、液位计等
        └── 否 → 需要加装转换网关或升级设备

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5. 平谷项目供电架构分析

5.1 基本参数回顾

5.2 总容量估算

以下是从IT负荷出发，逐级反推整个供电系统容量的计算过程：

第一步：IT总负荷

IT负荷 = 9,120 × 6 kW = 54,720 kW

第二步：UPS输出容量

考虑UPS功率因数（假设0.9）和预留余量（负载率不超过80%）：

UPS总输出容量（kVA）= IT负荷 / 功率因数 / 目标负载率
                    = 54,720 / 0.9 / 0.8
                    = 76,000 kVA（约）

2N架构下，每路UPS容量 = 76,000 kVA
（因为2N要求每路都能独立承担全部负荷）

假设使用600kVA模块化UPS：
每路UPS系统数量 = 76,000 / 600 ≈ 127台
两路总计 ≈ 254台 UPS模块

实际设计中会按UPS系统进行分组：
例如每个UPS系统由5+1个200kW模块组成（系统容量1000kW/1200kVA）
每路需要 54,720 / 1000 ≈ 55个UPS系统
考虑N+1冗余，加上备用模块

注意：现代UPS功率因数趋向1.0（如华为UPS5000-H系列功率因数=1），此时kW=kVA。按功率因数1.0计算： UPS总容量 = 54,720 / 0.8 = 68,400 kW，每路68,400 kW

第三步：变压器容量

变压器需要承担的总负荷 = IT负荷 + UPS损耗 + 制冷负荷 + 照明动力 + 其他

UPS损耗：假设UPS效率96%，损耗 = 54,720 × (1/0.96 - 1) ≈ 2,280 kW
制冷负荷：假设PUE=1.3，制冷 ≈ IT负荷 × (PUE - 1 - 其他) ≈ 54,720 × 0.2 ≈ 10,944 kW
照明动力及其他：约IT负荷的5% ≈ 2,736 kW
总负荷 ≈ 54,720 + 2,280 + 10,944 + 2,736 ≈ 70,680 kW

按功率因数0.9转换为视在功率：70,680 / 0.9 ≈ 78,533 kVA

2N架构下，每路变压器总容量 ≥ 78,533 kVA

假设使用2000kVA干式变压器：
每路需要 78,533 / 2000 ≈ 40台
两路总计约80台 10kV/0.4kV变压器

第四步：市电引入容量

总用电负荷（含所有损耗和辅助设备）：
假设PUE = 1.3
总用电 = 54,720 × 1.3 = 71,136 kW

考虑变压器损耗（约2%）和线损（约1%）：
市电引入总需求 ≈ 71,136 × 1.03 ≈ 73,270 kW ≈ 73.3 MW

按110kV引入计算，每路引入电流：
I = P / (√3 × U × cosφ) = 73,300 / (1.732 × 110 × 0.9) ≈ 428 A
（每路110kV进线电流约430A）

第五步：柴发容量

柴发需要覆盖的负荷 = 全部用电负荷（市电完全中断时）
每路柴发总容量 ≥ 73.3 MW

假设使用2000kW柴油发电机组：
每路需要 73,300 / 2000 ≈ 37台（含N+1冗余约38-40台）
两路总计约76-80台柴发机组

实际项目中可能使用更大容量机组（如2500kW/3000kW）以减少台数

5.3 平谷项目供电架构示意

                    110kV电网A路                    110kV电网B路
                        │                               │
                   ┌────▼────┐                     ┌────▼────┐
                   │110kV GIS│                     │110kV GIS│
                   │  开关站  │                     │  开关站  │
                   └────┬────┘                     └────┬────┘
                        │                               │
                ┌───────▼───────┐               ┌───────▼───────┐
                │110kV/10kV变压器│               │110kV/10kV变压器│
                │  (多台并联)    │               │  (多台并联)    │
                └───────┬───────┘               └───────┬───────┘
                        │                               │
                ┌───────▼───────┐               ┌───────▼───────┐
                │ 10kV高压配电  │               │ 10kV高压配电   │
                │ (多面中置柜)  │               │ (多面中置柜)   │
                └───────┬───────┘               └───────┬───────┘
                        │                               │
            ┌───────────┼───────────┐       ┌───────────┼───────────┐
            │           │           │       │           │           │
     ┌──────▼──────┐    │    ┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐    │
     │10kV/0.4kV   │   ...  │10kV/0.4kV   │     │10kV/0.4kV   │   ...
     │变压器×40台  │        │变压器        │     │变压器×40台  │
     └──────┬──────┘        └──────┬──────┘     └──────┬──────┘
            │                      │                    │
     ┌──────▼──────┐        ┌──────▼──────┐     ┌──────▼──────┐
     │   ATS       │        │   ATS       │     │   ATS       │
     │(市电/柴发)  │        │(市电/柴发)  │     │(市电/柴发)  │
     └──────┬──────┘        └──────┬──────┘     └──────┬──────┘
            │                      │                    │
     ┌──────▼──────┐                              ┌──────▼──────┐
     │  UPS系统A   │         ...                  │  UPS系统B   │
     │  ×55+台     │                              │  ×55+台     │
     └──────┬──────┘                              └──────┬──────┘
            │                                           │
     ┌──────▼──────┐                              ┌──────▼──────┐
     │UPS输出配电A │                              │UPS输出配电B │
     └──────┬──────┘                              └──────┬──────┘
            │                                           │
     ┌──────▼──────────────────────────────────────────▼──────┐
     │                    列头柜（A路+B路）                     │
     │                 (每列机柜端头，约数百台)                  │
     └───────────────────────┬────────────────────────────────┘
                             │
                    ┌────────▼────────┐
                    │   PDU (A+B)     │
                    │ (每柜2台，共18240台) │
                    └────────┬────────┘
                             │
                    ┌────────▼────────┐
                    │  服务器(双电源)  │
                    └─────────────────┘

     柴发机组A路(40台左右)              柴发机组B路(40台左右)
     并联→通过ATS在市电中断时接入        并联→通过ATS在市电中断时接入

5.4 弱电监控规模估算

基于平谷项目的供电架构，动环监控系统需要管理的电气设备数量估算：

鸿才必知：仅电气系统一项，动环监控就有约30万个监控点。加上暖通空调、环境监测、安防等系统，整个动环系统的监控点数量可能超过50万。这对监控平台的性能、网络带宽、数据存储都是巨大挑战。在做弱电方案设计时，必须充分评估这个规模。

5.5 关键数据接口需求汇总

在平谷项目的弱电方案编制中，与电气专业对接时需明确的接口需求：

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6. 速记卡

卡片1：供电链路九节点

市电 → 高压开关站 → 变压器(降压) → 高压配电柜(10kV)
→ 变压器(10kV/0.4kV) → ATS/STS → UPS → 低压配电/列头柜
→ PDU → 服务器

口诀：市高变配变，ATS/UPS，列PDU到终端

卡片2：A级数据中心关键指标

• 年可用性 ≥ 99.995%（年停电 ≤ 26分钟）
• 至少2路独立市电
• 2N或2(N+1)冗余
• UPS + 柴发后备
• 对应Uptime Tier IV

卡片3：ATS vs STS

卡片4：四大通信接口

卡片5：干接点设计原则

断线即告警：用常闭触点传递告警信号

• 正常时触点闭合（回路通）
• 告警时触点断开（回路断）
• 断线时也等于断开 → 安全侧

卡片6：4-20mA计算公式

物理量 = 下限 + (mA - 4) / 16 × (上限 - 下限)

• 4mA = 量程0%
• 20mA = 量程100%
• 0mA = 断线故障

卡片7：平谷项目关键数字

• 9,120机柜 × 6kW = 54.72MW IT负荷
• PUE 1.3 → 总用电 ~71MW
• 2N架构：每路独立承载全部负荷
• 约30万电气监控点
• 约18,240台PDU

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7. 2sigma诊断题

题目1：供电链路分析

场景：你正在巡检平谷项目的动环监控系统，发现某台UPS的SNMP告警显示"旁路模式运行"。

问题：

1. UPS处于旁路模式意味着什么？对IT设备有什么影响？
2. 此时供电链路是怎样的？电经过了哪些环节？
3. 作为弱电工程师，你应该做什么？

参考答案：

1. 旁路模式意味着UPS的逆变器未工作，市电（或柴发）直接通过UPS内部的旁路开关供给负载。此时IT设备仍有电，但失去了UPS的不间断保护——如果此时市电中断，负载将直接断电（因为逆变器和电池均未在工作回路中）。
2. 供电链路变为：市电 → 变压器 → ATS → UPS（旁路通道） → 列头柜 → PDU → 服务器。电直接穿过UPS的旁路开关，不经过整流器和逆变器。
3. 弱电工程师应：(a) 立即确认告警信息的准确性（排除误报）；(b) 升级告警为严重级别；(c) 通知电气值班工程师处理；(d) 记录事件时间和持续时长；(e) 检查该UPS所供电的所有IT设备是否正常运行；(f) 在事件关闭后更新运维记录。

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题目2：通信接口选择

场景：你需要将以下设备接入动环监控系统：

• A：一台新采购的华为UPS5000-H（带网卡）
• B：20台老旧的列头柜（只有RS485接口）
• C：一个柴发燃油箱的液位传感器（输出4-20mA）
• D：一个消防系统的联动信号（消防报警触发时输出一对干接点）

问题：为每个设备选择合适的通信接口和接入方式。

参考答案：

• A（华为UPS5000-H）：通过SNMP v2c或v3协议接入。UPS网卡接入监控VLAN网络，在动环系统中配置UPS的IP地址和Community String，导入华为UPS的MIB文件，配置需要监控的OID。
• B（20台老旧列头柜）：通过Modbus RTU协议接入。使用RS485总线（屏蔽双绞线）将20台列头柜串联（如果同一区域可以共用总线的话，按每条总线最多32台设备的限制分组）。每台列头柜设置不同的Modbus从站地址（1-20）。RS485总线末端接120Ω终端电阻。总线连接到动环采集器的RS485端口。在动环系统中根据厂家提供的寄存器地址表配置各参数。
• C（燃油液位传感器）：通过4-20mA模拟量采集。将传感器的4-20mA输出接入动环采集模块的AI（模拟量输入）通道。在动环系统中配置量程映射（例如4mA=0m，20mA=3m，对应油箱高度）。
• D（消防联动干接点）：通过干接点采集。将消防系统输出的干接点（建议使用常闭触点）接入动环采集模块的DI（数字量输入）通道。正常时触点闭合（信号为1），消防报警时触点断开（信号为0），同时断线也会触发告警（断线安全原则）。

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题目3：容量计算

场景：某数据中心项目，计划部署2000个机柜，每机柜10kW。采用2N架构，UPS功率因数为1.0，效率95%，要求UPS负载率不超过70%。

问题：计算每路UPS系统需要的总容量（kW）。

参考答案：

IT总负荷 = 2,000 × 10 kW = 20,000 kW
功率因数 = 1.0，所以 kW = kVA

2N架构下，每路需独立承担全部IT负荷：
每路IT负荷 = 20,000 kW

考虑UPS负载率不超过70%：
每路UPS额定容量 = 20,000 / 0.7 = 28,571 kW ≈ 28,600 kW

验算：28,600 kW × 70% = 20,020 kW > 20,000 kW ✓

如果使用800kW模块化UPS：
需要 28,600 / 800 = 35.75 → 36台UPS模块/每路
两路合计72台

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题目4：ATS/STS判断

场景：你在审查一个B级数据中心的供电方案，发现设计师在每台服务器（双电源）前面都加了一台STS，将两路UPS输出合为一路再供给服务器。

问题：这个设计合理吗？请从技术和经济两个角度分析。

参考答案：

不合理，主要问题如下：

技术角度：

1. 服务器已经配备双电源模块，本身就能实现双路输入自动切换，不需要外部STS
2. STS反而将两路独立电源合并为一路，增加了单点故障风险——STS本身故障就会导致该服务器失去供电
3. STS的SCR有导通损耗，增加了不必要的电能浪费和散热负担
4. 如果STS内部SCR击穿，可能导致两路UPS输出短路

经济角度：

1. 每台服务器前加一台STS，成本巨大（STS单台价格数万至数十万元）
2. 增加了运维复杂度和维护成本
3. STS的损耗增加了电费成本

正确做法：

• 双电源服务器直接接两路PDU（A路和B路），不需要STS
• STS只用于单电源设备，且应在机柜级或列级部署，而非每台设备一个

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题目5：监控系统故障排查

场景：动环监控系统显示某列10台列头柜的数据全部中断（显示"通信超时"），但现场确认这些列头柜的指示灯正常、设备本身在正常运行。

问题：

1. 最可能的原因是什么？
2. 排查思路是什么？

参考答案：

1. 最可能的原因：RS485通信总线故障。因为10台列头柜同时通信中断，但设备本身正常运行，几乎可以排除10台设备同时故障的可能，最可能是它们共用的通信总线出了问题。

2. 排查思路（从近到远）：

   (a) 检查采集器端：

   • 动环采集器的RS485端口是否正常（指示灯是否闪烁）
   • 采集器本身是否死机或重启
   • 软件配置是否被修改（串口参数：波特率、数据位、校验位、停止位）

   (b) 检查RS485总线：

   • 检查A线、B线是否断线（用万用表测量线路导通性）
   • 检查线路接头是否松动或接触不良
   • 检查是否有施工等外力导致线缆损坏
   • 检查终端电阻（120Ω）是否脱落或损坏
   • 检查是否有强电干扰（RS485线缆是否与强电线缆平行走线过近）

   (c) 检查列头柜通信模块：

   • 逐台检查列头柜通信模块是否正常上电
   • 确认Modbus地址设置是否正确（是否冲突）
   • 尝试单独连接一台列头柜测试通信

   (d) 使用工具诊断：

   • 使用Modbus调试工具（如Modscan、Modbus Poll）直接连接RS485总线，逐一查询各从站地址，确认哪些从站有响应
   • 使用示波器或协议分析仪检查RS485信号波形

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附录A：供电链路中的弱电工程师检查清单

在项目实施阶段，弱电工程师与电气系统相关的检查项：

A.1 施工配合阶段

• 确认电气图纸中所有需要弱电监控的设备位置
• 与电气工程师确认每台设备的通信接口类型和协议
• 获取所有智能设备的通信参数（Modbus地址表、SNMP MIB文件等）
• 规划RS485总线走线路由，避免与强电线缆平行近距离敷设
• 预留监控VLAN的网络端口和IP地址
• 确认干接点信号的类型（常开/常闭）和含义
• 确认4-20mA传感器的量程和精度

A.2 设备安装阶段

• 确认电力仪表、温控器等设备的RS485接线正确（A线对A线、B线对B线）
• 确认RS485总线终端电阻安装正确
• 确认智能PDU的网络连接正常（IP可达）
• 确认UPS网卡安装并接入监控网络
• 确认干接点接线无误（区分NO/NC）
• 确认4-20mA传感器接线极性正确

A.3 系统调试阶段

• 逐台设备测试通信连通性
• 验证采集数据的准确性（与设备本地显示对比）
• 配置告警阈值和告警通知方式
• 测试告警推送功能（模拟告警事件）
• 编写设备点表文档（每个设备的监控参数、通信地址、告警阈值等）

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附录B：常用术语速查

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本章小结：

1. 数据中心供电与普通建筑的本质区别在于可靠性要求和冗余设计
2. A级供电链路从市电到服务器共9个节点，每个节点都是弱电监控的关注对象
3. ATS用机械触点实现秒级切换，STS用SCR实现毫秒级切换，各有适用场景
4. 四大通信接口（SNMP/Modbus/干接点/4-20mA）是动环系统与电气设备"对话"的桥梁
5. 平谷项目IT总负荷54.72MW，电气监控点约30万个——规模决定了方案设计的复杂度

下一章预告：M2-02 UPS系统完整解析——深入理解数据中心供电链路的"心脏"设备