【ETAP论文集锦】基于ETAP的柴油发电机备用电源系统分析——邱冰

单位：普洛斯普瑞数据科技（上海）有限公司

《基于ETAP的柴油发电机备用电源战与机遇并存的新时代》

摘　要：以某出海数据中心项目为例，基于ETAP软件对其柴油发电机备用电源系统进行建模，主要分析多电源复杂网络的潮流，以及不同接地方式下的接地短路电流状况及其对保护的影响。ETAP提供的计算结果深入、全面、直观，为设计人员提供重要参考的同时也大幅提高了设计效率。

关键词：ETAP；柴油发电机组；中性点接地方式；潮流分析；短路计算；接地故障；继电保护；开关选型

近年来，一方面智算业务蓬勃发展，系统用电容量随算力需求激增，比以往更为庞大复杂的并机场景频现。另一方面，数据中心行业迭代迅速，叠加大量出海业务，其规划设计面临高效敏捷、国际合规的新挑战。而传统手工计算、经验选型的方式对于大型系统，在设计效率及深度的保证上不甚理想，且国际认可度也很一般。

柴油发电机系统承担数据中心长时及全面备用电源的重任，对系统运行的连续性和稳定性起关键作用。故本文聚焦于某海外数据中心项目柴油发电机系统，探索ETAP在此类场景下作为设计、分析工具的应用。

1、项目及其柴油发电机系统概述

本项目拟建于东南亚某国，总负荷约为 30 MVA，由双路33kV外电供电。分别设置两台33/11kV主变压器，两常用，单台故障仍有能力保障100%负荷。

柴油发电机备用电源系统为11kV接入，分为两组，每组10台N+1配置。单台柴油发电机经单机母线后分出两个出线，与同组另外9台机组出线汇合至两条并机母线，并机母线形成双母线不带联络的接线方式。由于两组柴油发电机备用电源间独立运行，故以其中一组（承担15MVA负荷）为研究对象。系统接线及ETAP建模如图1所示。

图1 系统接线及建模 Fig. 1 System wiring and modeling2、潮流分析2.1计算方法

确定各正常工况下电能流向分布及设备导体额定参数需求的电气设计的基础工作，国内这部分工作通常由负荷计算承担。但值得注意的是，该方法主要适用于单电源、放射式的供配电系统，对于多机并联的柴油发电机系统处理能力是非常有限的。此外，海外客户对于国内方法接受度一般，尤其在各类系数的选取等问题上易产生分歧，从而影响方案进度。

ETAP的潮流分析基于牛顿-拉夫逊法或快速解耦法等通用计算方法，可以处理多电源及环形网络。同时借助参数管理器和配置管理器，可以用一个模型快速计算多种开关状态、运行工况下的潮流分布，提供更为全面的分析。

2.2节点类型选择

数据中心必须使用G3及以上等级柴油发电机，而机组并联时有功及无功功率分配有着明确的要求：不同负载率下，有功差值为不大于5%~10%；无功差值为不大于10%。为实现以上控制要求，可由控制器执行下垂控制策略，将有功和无功输出近似解耦，分别与转速和电压对应，即通过调速器控制有功分配、调压器控制无功分配，最终实现负荷均布。

由此可以推知，当负荷一定时（15MVA 0.85PF），在控制器的作用下，每台柴油发电机应输出1.275/1.417kW（10台/9台）0.85PF，ETAP模型可按PQ节点设置单台柴油发电机。同时应注意潮流求解必须要设置至少一个平衡节点，故需将其中一台柴油发电机按此类型配（最终输出结果可与PQ节点机组基本相同，差值远小于允许范围）。

2.3计算过程

先计算N+1运行时平衡负载（两段均为7.5kW）下的潮流情况，分析器导出各支路结果如表1所示。

表 1 平衡负载下的潮流情况 Tab. 1 Power flow situation of balanced load

可以看到虽然柴油发电机输出（a支路）是均布的，但单机各馈线（b/c支路）至两条并机母线的输出分配却有非常大的差异。可以预见当负载不平衡时，这种差异也会被明显放大。

故为研究正常工况下可能出现的最大负荷电流，考虑负载极端不平衡工况，即2#汇流母线（Bus_BK2）近似空载，由1#汇流母线（Bus_BK1）带几乎全部15 MVA负荷。由参数管理器和配置管理器建立Gen1~10退出的10种工况，结果汇总如表2所示（Bus_BK2带全部负荷时为表2结果的镜像）。

表 2　多工况极端负载下最大支路电流及其位置 Tab. 2 Maximum branch current and its location under multi‑condition extreme load

在9台柴油发电机运行模式下，每台机组输出电流为87.5A，可以发现多处已出现经过柴油发电机单机母线（BusG）的转移电流，导致流向并机母线的一条馈线电流大于柴油发电机输出，而另一条馈线则出现反向从并机母线来的电流。以Gen9退出工况为例，潮流局部如图2所示。

图 2 Gen9 退出工况下的潮流局部 Fig. 2 Local power flow under Gen9 exit condition2.4结果分析

造成潮流分布不均的本质是各单机母线至并机母线的电缆长度不一致。但实际中大量并机的系统，各机组至并机母线柜的距离相差很大，如本项目最近与最远的机组有近45 m的距离差。如果强行统一电缆长度，无论从经济性还是布置上的可实施性来看都是不太合适的。

虽然本项目由于选型裕度较大，没有出现开关、电缆额定参数不足的问题，但对于继电保护设计来说，根据负荷或柴油发电机容量等估算定值，是无法确定正常工况下的电流分布及逆电流情况的，这可能会引起定值设置不当，从而导致保护误动作。

3 短路分析3.1计算方法

考虑到本项目为出海项目，短路电流的计算方法采用IEC 60909系列。相比国内常用的实用法，IEC 60909为复数计算且涉及大量计算用系数选择，即便是一个非常简单的接线，手算对人工的消耗也会非常大。

同时在出海项目中，客户往往对建模深度和完备性要求极高，可能需要计算所有回路，而不允许像国内习惯做法那样根据经验或常识，直接确定如低压末端等处的短路水平，这将使得手工计算变得几乎不现实。

ETAP可以提供基于IEC 60909的即时性结果、全面的、图形化的短路电流计算。用户确定项目的边界条件后，ETAP可以自动选定符合标准的计算系数。

3.2三相短路

在ETAP模型中（图1）对所有母线批量计算各类短路电流，因为是发电机近端短路还需要特别考虑短路直流分量（Idc）及分断电流（Ib asym），断路器校验结果如表3所示，ip为短路峰值电流。可见所有断路器的各项额定参数均能满足三相短路工况的要求，同时发现并机母线处的原开关选型过于保守，存在优化空间。

表 3 三相短路电流与断路器额定参数对比 Tab. 3 Comparison of three‑phase short‑circuit current and circuit breaker rated parameter3.3接地方式

接地方式直接影响单相接地故障特征。数据中心的中压柴油发电机系统普遍为接地运行，同时配置中性线电阻对故障电流进行限制，实践中多按100~1000 A控制，本项目选择不大于400 A。

国内多采用发电机中性点串电阻接地的方式实现，主要有图3、图4所示的两种方式，零序故障电流分布如图3、图4所示（n为机组台数，3I0为单相接地故障电流总和）。

图 3 柴油发电机中性点分散接地Fig. 3 Dispersed neutral point earthing of diesel generator

图 4 柴油发电机中性点集中接地 Fig. 4 Centralized neutral point earthing of diesel generator

国外项目中则习惯采用接地变压器串电阻的方式实现，故障时接地变压器中的短路电流分布如图5所示（n台机组作为一个整体考虑）。

采用此种接地方式时，在以接地变压器和故障处为始末点的区域内，可测到接地故障电流，而在机组出口端测不到零序电流。但此时并不代表柴油发电机组不受单相接地短路影响，从图5可以看到此时机组出口端的故障相需要承担2I0、非故障相承担I0。

图 5 采用接地变压器时故障电流分布示意 Fig. 5 Schematic diagram of fault current distribution when adopting earthing transformer

考虑到机组至单机母线前的部分一般由发电机差动提供保护，故下文将聚焦于单机母线（BusG）、并机母线（Bus_BK）两处。

3.4单机母线处接地故障

在图3分散接地方式下，任何机组单机母线接地时，机端断路器所在回路能测得本机输出的零序电流。两路馈出回路能测到其余机组指向故障单机母线的零序电流之和，但需要注意的是该零序电流之和与投入机组数量直接成正比，在投入机组数量较少时，该值可能非常微弱，对整定值确定有一定困难。

在图5接地变方式下，单机母线的馈出线侧同样能测到指向故障单机母线的零序电流，但在故障单机母线的机组侧是测不到零序电流的（见图6左）。当两路馈出回路（b、c支路）断开后，Gen10的故障电流消失（但BusG_10处的接地故障仍存在），根据控制策略脱网后机组将延时自动停机，机端断路器打开，可以实现保护。

图 6 BusG _ 10 故障时的 3I0（左）以及此时各相上的故障电流 （右）Fig. 6 3I0（left） in case of BusG _ 10 fault and fault current（right） of each phase

在图4集中接地方式下（以Gen8接地为例），如果是非接地机组故障（图7右），情况与图6左基本一致，类似流程切除故障。如果是接地机组故障（图7左），情况则正好相反，机组侧可以通过零序电流动作机端断路器，但至并机母线的两路馈出线（b、c支路）却测不到零序电流，无法据此将故障的单机母线（BusG_8）切除出并机系统。

图 7 Gen8 中性点接地时 BusG _ 8 故障时的 3I0（左）、BusG_ 10 故障时的 3I0（右）Fig. 7 3I0（left） in case of BusG _ 8 fault and 3I0（right） in case of BusG _ 10 fault when Gen8 neutral point earthing

只有等另一台机组（以Gen10为例）中性点接地后，零序故障电流复现，保护才能将故障单机母线切除（见图8）。

图 8 Gen10 中性点接地时 BusG _ 8 故障时的 3I0Fig. 8 3I0 in case of BusG _ 8 fault when Gen10 neutral point earthing3.5并机母线处接地故障

对于本项目系统来说，当某条并机母线（Bus_BK）故障时应能使得所有单机母线至该故障并机母线的断路器均分断，从而保全另一条母线的正常运行。以Bus_BK1接地故障为例（Bus_BK2结果为镜像），用ETAP计算出不同接地方式下各BusG至Bus_BK1（b支路）的I0汇总如表4所示。

表 4 拟断开回路 （b 支路） 上的零序故障电流Tab. 4 Zero‑sequence fault current of circuit to be disconnected （b‑branch）

在图3分散接地方式下，各机组的b支路零序故障电流均匀程度与投入机组数量有关，大故障电流的回路可能会先断开，随着故障电流的集中，剩余回路也会加速跳闸。

在图5接地变压器方式下，如果接地故障没有发生在接地变压器母线上（ZT2 投入），则各机组的b支路呈现的接地故障特征良好。但如果是接地变压器所在母线（ZT1 投入）故障，则b支路无法测得零序电流。此时仅能在接地变压器支路测得零序电流，其值会令CB_ZT1跳闸，接地短路电流暂时消失。同时CB_ZT2会根据切换策略接入非故障母线Bus_BK2，此时各机组的b支路就能测得零序电流，只要CB_ZT2能保证足够的延时，是可以跳开各机组的b支路从而切除Bus_BK1故障的，且此时仍能保证剩下的柴油发电机备用电源为接地系统。但需要注意的是b支路上的零序电流值与投入机组数量成反比，在投入机组数量较多时，该值可能非常小。

在图4集中接地方式下，中性点接地机组处（此例中为Gen8）输b1~10支路零序之和（本例为130.8A，远大于单个b支路故障电流），可能会导致Gen8的机端断路器先跳闸。一旦Gen8退出，零序电流会直接消失，接地故障保护中止。但后续机组闭合接地接触器，试图恢复系统接地时，则会重复上述Gen8的过程，最终可能导致所有机组退出。

3.6接地故障总结及保护建议

根据前文的计算及分析结果，各接地方式下的单相接地故障特征总结如表5所示。

表 5 各接地方式下的单相接地故障特征Tab. 5 Single‑phase earth fault characteristic of each earthing mode

从方向零序过流保护的角度看，一台机组集中接地方式（图4）除了成本较低的优势外，与其他两种方式有着明显的差距。

分散接地（图3）与接地变压器方式（图5）各有所长，对于各自的弱项部分建议改用母线差动或弧光保护，可以从根本上解决问题。相对来说接地变压器方式改善成本较小（仅需针对两条并机母线），且可以利用更低成本的区域联锁（ZSI）来加速故障母线接地变压器开关跳闸（下游无故障电流），同时延时非故障母线接地变压器开关动作（下游有故障电流），从而改善零序过流保护性能。

4 结语

利用ETAP可实现一次建模多场景、多类型分析，且内置主流产品参数库方便快速建模，大幅提升了本文项目中柴油发电机系统设计效率，其潮流、短路模块细致入微的计算结果也为设计方案验证、优化工作提供了全面有力的技术支撑。

此外，由于ETAP采用的计算方法与国际高度接轨，省去了大量解释、核准环节，与外方沟通时畅通无阻，从而大大加速了柴油发电机系统方案批准过程，助力了该海外数据中心项目的快速落地。