事故背景
2016 年 4 月 22 日，某公司北京亦莊數(shù)據(jù)中心 UPS 升級改造過程中，造成供電中斷，導(dǎo)致機(jī)房全部設(shè)備斷電，系統(tǒng)宕機(jī)，73 家村鎮(zhèn)銀行的核心、銀行卡、柜面、支付、網(wǎng)銀、手機(jī)銀行等業(yè)務(wù)全部中斷，涉及全國 12 個(gè)省份，并造成部分服務(wù)器損壞，銀行業(yè)務(wù)最長恢復(fù)時(shí)間達(dá)到 7 小時(shí) 32 分鐘，同時(shí)還導(dǎo)致部分銀行業(yè)金融機(jī)構(gòu)的開發(fā)測試系統(tǒng)、災(zāi)備系統(tǒng)、生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)相繼中斷。
起因描述
該數(shù)據(jù)中心的 4 臺老舊 UPS 升級，先將 3 號和 4 號舊 UPS（400KVA）換新、由 1號和 2 號舊 UPS 為機(jī)房供電，而后再更新 1 號和 2 號 UPS,再此期間使用三臺柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行為 UPS 供電。末端負(fù)載為 710kVA，功率因數(shù)為 0.95。
為了確保外電源供電正常，由外市電供電改為柴油發(fā)電機(jī)向 UPS 供電，并且在之前做過柴油發(fā)電機(jī)帶假負(fù)載測試。把原來接在柴油發(fā)電機(jī)組下的制冷系統(tǒng)給退出來了，以便于柴油發(fā)電機(jī)只對 UPS 系統(tǒng)供電，降低負(fù)載，把制冷交給外市電（這是最 N13 的了）。
升級過程中，兩臺舊 UPS 因負(fù)載過高（達(dá)到容量的 90%），運(yùn)行 50 分鐘后切換至旁路，發(fā)電機(jī)直接對 IT 設(shè)備供電。12 分鐘后三臺發(fā)電機(jī)接連出現(xiàn)“失磁”報(bào)警，陸續(xù)停止運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)房全部設(shè)備斷電，系統(tǒng)宕機(jī)。并且出現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組“脫磁”而退出供電的時(shí)間點(diǎn)是新裝的 UPS 開機(jī)時(shí)。
看完以上敘述后，提出以下問題
1. 為什么認(rèn)為市電供電不安全，柴油發(fā)電機(jī)組供電就安全了？
2. 為什么要將以感性負(fù)載為主的制冷系統(tǒng)退出，不由柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行帶載？主要是容性負(fù)載的情況下，增加部分感性負(fù)載不是很好嗎。
3. 為什么發(fā)生 UPS 過載，切到旁路供電后；不采取相關(guān)應(yīng)急措施，而是繼續(xù)進(jìn)行 UPS 更新操作？
4. 為什么不提前進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，選擇在 IT 負(fù)載低谷的時(shí)間段進(jìn)行？
例如：夜間（23:00——06:00）進(jìn)行 UPS 更新操作。
事故分析
1. UPS 為什么會因負(fù)載過高而切換到旁路？
1.1 功率因數(shù)為 0.95（感性），UPS 額定容量為 400KVA，末端負(fù)載為 710kVA。
經(jīng)過計(jì)算，2 臺 UPS 并機(jī)容量為 674KVA。此時(shí) UPS 過載 5.3%。如果 UPS 具有PFC（功率因數(shù)校正）電路，功率因數(shù)為 0.95（容性）時(shí)的計(jì)算結(jié)果和上面一樣。
1.2 功率因數(shù)為 0.95（容性），UPS 額定容量為 400KVA，末端負(fù)載為 710kVA。2臺 UPS 并機(jī)容量為 614KVA（圖一）。此時(shí) UPS 過載 15.6%。
圖一（來自老宋聊機(jī)房）
1.3 經(jīng)以上數(shù)據(jù)反映，UPS 已經(jīng)過載運(yùn)行了。所以老舊的 UPS 因負(fù)載過高而切換到旁路只是時(shí)間長短的問題，并且 UPS 過載運(yùn)行能堅(jiān)持的時(shí)間不能確定，什么時(shí)候切換到旁路也不能確定。所以運(yùn)維工作人員讓已經(jīng)老舊的 UPS 過載運(yùn)行，這是不可取的；應(yīng)盡量規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)，選擇在 IT 負(fù)載低谷時(shí)段進(jìn)行 UPS更新操作。
圖二（UPS 的過載/短路能力）
1.4 圖二為 UPS 廠家給出的測試數(shù)據(jù)（僅供參考）。隨著 UPS 的使用和運(yùn)行時(shí)間的增加，UPS 的性能也會有所下降。所以不能脫離實(shí)際情況，僅憑測試數(shù)據(jù)來判斷 UPS 性能。特別是老舊的 UPS，其過載能力沒有經(jīng)過專業(yè)人員測試，很難判定。
2. 柴油發(fā)電機(jī)組為什么會出現(xiàn)“失磁”報(bào)警，最后“脫磁”而退出供電？
2.1 對于柴油發(fā)機(jī)組來說帶感性負(fù)載（吸收無功），具有“去磁效應(yīng)”；帶容性負(fù)載（提供無功），具有“增磁效應(yīng)”。而此時(shí)數(shù)據(jù)中心的負(fù)載以容性為主，不是造成柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)“失磁”報(bào)警，最后“脫磁”而退出供電的主要因數(shù)。
如圖三所示：帶容性負(fù)載會使柴油發(fā)電機(jī)組容量減額，造成發(fā)電機(jī)組過載運(yùn)行。目前，解決柴油發(fā)電機(jī)組帶容性負(fù)載的普遍辦法，還是增大柴油發(fā)電機(jī)組總?cè)萘?；少的?1.2～1.5 倍，多的為 1.5～2.0 倍(這恐怕是將以感性負(fù)載為主的制冷系統(tǒng)退出，不由柴油發(fā)電機(jī)組帶的主要原因吧)。但是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的負(fù)載還是以非線性和容性為主，單方面增加柴油發(fā)電機(jī)組總?cè)萘坎贿M(jìn)行諧波抑制，效果并不理想。
圖三（發(fā)電機(jī)功率折算曲線）
2.2 在數(shù)據(jù)中心設(shè)備中能產(chǎn)生諧波的有：控制系統(tǒng)的開關(guān)電源、照明系統(tǒng)的整流器、變頻器、IT 設(shè)備、EPS 電源、UPS 電源等。例如：UPS 產(chǎn)生的諧波，以 6脈沖為例：諧波為 5 次，7 次，11 次，13 次…等。IT 設(shè)備主要為開關(guān)電源，諧波為 3 次，5 次，7 次，9 次…等。所以數(shù)據(jù)中心內(nèi)供配電系統(tǒng)對諧波進(jìn)行抑制非常必要的。
2.3 諧波對柴油發(fā)機(jī)組的影響：1.諧波將引起發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并伴隨嚴(yán)重的機(jī)械振動(dòng)，影響發(fā)電機(jī)組壽命。2.諧波帶來大量的熱量損耗，降低發(fā)電效率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤C(jī)組。3.電樞中的諧波電流會使同步發(fā)電機(jī)輸出電壓產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重降低電能質(zhì)量 。
2.4 一般情況把大電網(wǎng)看作無窮大電源，可忽略其內(nèi)阻。由設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)電壓的影響較小。但是在小容量供配電系統(tǒng)中采用小容量發(fā)電機(jī)組作為電源，其內(nèi)阻較大，慣性小，抗諧波電流的能力弱，當(dāng)有諧波電流流過電機(jī)的定子繞組時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的輸出端電壓會發(fā)生比較大的畸變?；兊妮敵鲭妷翰粌H會干擾用電設(shè)備的正常使用，甚至也會使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)無法正常工作，引起更為嚴(yán)重的后果（失磁）
圖四（發(fā)電機(jī)的自并勵(lì)系統(tǒng)）
從圖四中可以看出，勵(lì)磁系統(tǒng)中的 AVR（發(fā)電機(jī)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）需要經(jīng)過電壓互感器和電流互感器采集發(fā)電機(jī)輸出端的電壓和電流來進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)；并且勵(lì)磁變壓器的電源也是從發(fā)電機(jī)組輸出端接入的。所以諧波電流流入發(fā)電機(jī)時(shí)，不僅會影響 AVR 的運(yùn)行，還會影響勵(lì)磁機(jī)的正常運(yùn)行；造成發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)無法正常工作，引起更為嚴(yán)重的后果（失磁）。由于為了更好的說明諧波對勵(lì)磁系統(tǒng)的影響，采用自并勵(lì)系統(tǒng)（僅供參考）。
現(xiàn)在大容量的柴發(fā)電機(jī)組一般采用三機(jī)勵(lì)磁，容量較小的柴油發(fā)機(jī)組采用二機(jī)勵(lì)磁。其中采用永磁勵(lì)磁機(jī)，其抗諧波的能力明顯提升。
2.5 所以造成柴油發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)“失磁”報(bào)警，最后“脫磁”而退出供電的主要原因是諧波造成的。開機(jī)啟動(dòng)更新的 UPS 造成供配電系統(tǒng)內(nèi)的諧波加劇是事故的誘因。
參考文獻(xiàn)/資料
“圖一”來自老宋聊機(jī)房 《UPS 輸出特性和負(fù)載特性的匹配》
2. 黎雄 《同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理培訓(xùn)》課件
3. 宋鵬超 ，王金全 ，夏 明 ，呂 強(qiáng) ，楊 濤《諧波電流對同步發(fā)電機(jī)輸出
電壓的影響分析》 微電機(jī) 2013 年 2 月
