某數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)改造設(shè)計及其可用性分析

陳金鑾（福建省建筑工程施工圖審查中心，福州 350001）

1 概述

某數(shù)據(jù)中心機房設(shè)在大樓二層，數(shù)據(jù)中心總配電間設(shè)在一層。根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008（以下簡稱《規(guī)范》）機房分級規(guī)定及性能要求，本機房為B級電子信息系統(tǒng)機房。機房場地設(shè)施按冗余系統(tǒng)配置，系統(tǒng)運行期間，場地設(shè)施在冗余能力范圍內(nèi)，不應(yīng)因設(shè)備故障而導(dǎo)致系統(tǒng)運行中斷。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，機房增加了服務(wù)器、路由器、交換機、磁盤陣列等數(shù)據(jù)設(shè)備，機房數(shù)據(jù)設(shè)備的計算負(fù)荷達到90 kVA，原有單總線UPS供電系統(tǒng)冗余供電容量不足。設(shè)計一套UPS供電系統(tǒng)，系統(tǒng)冗余供電容量大于90 kVA，系統(tǒng)可用性高于0.99999，合理利用原UPS設(shè)備，達到系統(tǒng)運行安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理是改造設(shè)計的主要目標(biāo)。

2 原有UPS供電系統(tǒng)

現(xiàn)有UPS供電系統(tǒng)由交流供電系統(tǒng)、“1+1”UPS系統(tǒng)及各級配電單元子系統(tǒng)組成單總線UPS供電系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖見圖1。UPS供電系統(tǒng)的機房配電單元（PDU）布置在二層機房內(nèi)，其余設(shè)備均布置在一層總配電間內(nèi)。

圖1 “1+1”單總線UPS供電系統(tǒng)框圖

由大樓10/0.4kV變電所I段母線和應(yīng)急母線提供兩路125A的電源回路并在總配電間自動切換，把交流供電系統(tǒng)輸出的電源經(jīng)輸入配電單元給UPS系統(tǒng)供電，UPS系統(tǒng)輸出電源經(jīng)輸出配電單元給機房配電單元（PDU）供電。現(xiàn)有UPS系統(tǒng)由兩臺40 kVA的UPS單機設(shè)備配置成“1+1”并機冗余系統(tǒng)，UPS供電系統(tǒng)最大冗余供電容量為40kVA，不能滿足機房增加數(shù)據(jù)設(shè)備后總負(fù)荷的供電要求，必須進行全面的擴容改造。

3 UPS系統(tǒng)設(shè)計

UPS系統(tǒng)設(shè)計是機房UPS供電系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，根據(jù)《規(guī)范》第8.1.1條規(guī)定，B級機房UPS系統(tǒng)配置應(yīng)選用“N+X”并聯(lián)或串聯(lián)冗余系統(tǒng)，首選“N+1”并機冗余系統(tǒng)。

3.1 “N+1”并機系統(tǒng)

“N+1”并機系統(tǒng)是把（N+1）臺型號規(guī)格相同且具有并機功能的UPS設(shè)備，由并機邏輯控制總線調(diào)控，在單機的輸出處于電壓幅度相同、輸出頻率和相位相同的條件下并機，系統(tǒng)有1臺UPS設(shè)備冗余。系統(tǒng)正常工作時由（N+1）臺UPS設(shè)備向負(fù)載供電，（N+1）臺UPS設(shè)備平均分配負(fù)載電流。當(dāng)1臺UPS設(shè)備出現(xiàn)故障時，在并機控制信號的調(diào)控下，該故障UPS設(shè)備自動退出，由N臺UPS設(shè)備繼續(xù)向負(fù)載供電。

根據(jù)“N+1”系統(tǒng)可用性模型，當(dāng)N=1，“N+1”系統(tǒng)即為“1+1”系統(tǒng)，系統(tǒng)可用性A1+1=[1-(1-AU)2]，其中AU為單機UPS的可用性。當(dāng)N＞1，“N+1”系統(tǒng)可用性是N×(N+1)/2個“1+1”系統(tǒng)可用性的乘積。根據(jù)UPS設(shè)備整機可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料，帶靜態(tài)旁路UPS 設(shè)備（主機）可用性AU=0.99994883941，“N+1”系統(tǒng)并機臺數(shù)、設(shè)備利用率及系統(tǒng)可用性計算結(jié)果見表1。

由上述分析，“N+1”并機系統(tǒng)配置應(yīng)考慮以下要點：

1）并機臺數(shù)增加，系統(tǒng)可用性下降，設(shè)備利用率提高，系統(tǒng)配置必須滿足系統(tǒng)可用性的基本要求。UPS系統(tǒng)可用性指標(biāo)由UPS供電系統(tǒng)總體分配確定。

2）在滿足系統(tǒng)可用性要求的前提下，選用設(shè)備利用率高的系統(tǒng)，即先確定“N+1”系統(tǒng)并機臺數(shù)，再根據(jù)UPS系統(tǒng)基本容量要求確定單機容量。對于利用原有UPS設(shè)備的改造工程設(shè)計，UPS設(shè)備單機容量已定，按UPS系統(tǒng)基本容量要求確定并機臺數(shù)，應(yīng)校驗UPS系統(tǒng)可用性能否滿足要求。

3）“N+1”系統(tǒng)是在并機邏輯控制總線調(diào)控下正常運行的，并機臺數(shù)增多、系統(tǒng)失調(diào)風(fēng)險加大。在高可用性系統(tǒng)中，并機臺數(shù)不宜多于4臺。

4）“N+1”系統(tǒng)有分散式旁路和集中式旁路兩種旁路方式。集中式旁路不存在旁路均流問題，系統(tǒng)并機環(huán)流比較容易控制，但存在單點瓶頸故障。

3.2 配置設(shè)計

原有UPS系統(tǒng)選用兩臺容量40 kVA隔離雙變換在線式UPS單機設(shè)備配置成“1+1”并機冗余系統(tǒng)。UPS單機設(shè)備選型及系統(tǒng)配置方式，具有運行安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理且擴容方便的優(yōu)點。擴容設(shè)計的UPS系統(tǒng)配置采用“N+1”并機冗余方式，原有兩臺UPS設(shè)備經(jīng)測試，具備與型號規(guī)格相同的UPS設(shè)備并機條件，應(yīng)加以利用?！癗+1”系統(tǒng)并機臺數(shù)確定如下：

根據(jù)《規(guī)范》第8.1.7條規(guī)定，UPS系統(tǒng)基本容量E與數(shù)據(jù)設(shè)備計算負(fù)荷P應(yīng)滿足下式要求：

取N=3，即應(yīng)配置4臺UPS設(shè)備組成“3+1”并機冗余系統(tǒng)，其基本容量才能滿足負(fù)荷供電要求。利用原有兩臺UPS設(shè)備，需另配置兩臺型號規(guī)格相同的UPS設(shè)備。表1計算結(jié)果顯示，“3+1”UPS系統(tǒng)可用性0.99999998428，設(shè)備利用率0.75。

原有“1+1”冗余系統(tǒng)為兩臺UPS設(shè)備分散式旁路，改造后新舊UPS設(shè)備并機的“3+1”冗余系統(tǒng)，采用集中式旁路的方案，能夠有效解決旁路均流問題，系統(tǒng)的并機環(huán)流也容易得到控制。由于2V蓄電池組壽命長、單體容量大且機房安裝條件容許，選用2V蓄電池，按行業(yè)內(nèi)部規(guī)定電池組后備時間30min。

“3+1”UPS系統(tǒng)線纜數(shù)量較多且密集，通過優(yōu)化UPS主機柜及蓄電池柜的布置方案，各臺設(shè)備輸出的L、N、PE線纜沿獨立的敷設(shè)路徑獨立連接至公共母排裝置上。這種線纜連接方案中，當(dāng)一臺UPS設(shè)備檢修、維護時，不影響其他UPS設(shè)備的運行，也不影響設(shè)備接地的完整性?！?+1”UPS系統(tǒng)設(shè)置手動維護旁路仍是不可缺少的重要功能，UPS系統(tǒng)接線原理圖見圖2。

圖2 “3+1”UPS 系統(tǒng)接線原理圖

4 交流供電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)荷及空調(diào)負(fù)荷均為一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，改造后特別重要負(fù)荷容量明顯增加，另設(shè)1臺200kW的柴油發(fā)電機組作為數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)及新增空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)急電源。大樓變電所提供兩路250A的電源回路并在總配電間自動切換，自動切換輸出的電源回路與發(fā)電機組應(yīng)急電源回路再次自動切換輸出一個可靠的電源。

表1 “N+1”系統(tǒng)并機臺數(shù)、設(shè)備利用率及系統(tǒng)可用性

選擇自動切換開關(guān)電器（ATSE）首先要考慮其安全可靠性。應(yīng)選用一體化結(jié)構(gòu)PC級、帶有延時型的ATSE產(chǎn)品，并按《規(guī)范》第8.1.16條規(guī)定，選用具有旁路功能的旁路隔離型或旁路抽出型ATSE產(chǎn)品，實現(xiàn)檢修時不長時間停電。在交流供電系統(tǒng)輸出母線應(yīng)安裝符合Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器。

根據(jù)有關(guān)可用性統(tǒng)計數(shù)據(jù)及并聯(lián)冗余系統(tǒng)可用性計算公式，變電所提供的兩路低壓電源可用性A1=0.99879779101，柴油發(fā)電機電源可用性A2=0.9999283619，自動切換開關(guān)可用性A3=0.99994378043。變電所提供兩路低壓電源自動切換后的電源可用性A4=[1-(1-A1)2]×A3，該電源與柴油發(fā)電機電源再次自動切換后的電源可用性Ai=[1-(1-A4)×(1-A2)]×A3，計算得交流供電系統(tǒng)可用性Ai=0.99994377630。

5 輸入和輸出配電單元

輸入配電單元把交流供電系統(tǒng)輸出的電源分配給UPS系統(tǒng)的各臺UPS主機以及公共旁路，各臺UPS主機輸入回路電流按UPS額定輸出電流的1.2～1.25倍考慮，并選擇配電回路斷路器，輸入配電單元應(yīng)適當(dāng)預(yù)留備用配電回路。輸出配電單元把UPS系統(tǒng)的輸出電源分配給機房配電單元（PDU），輸出配電單元應(yīng)適當(dāng)預(yù)留備用配電回路。輸入和輸出配電單元應(yīng)安裝符合Ⅱ級分類試驗的浪涌保護器。

6 機房配電單元（PDU）

機房配電單元（PDU）是數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的最末一級配電單元，其主要功能是隔離、分配、控制和監(jiān)視由UPS輸出配電單元輸出的交流電源，并為機房數(shù)據(jù)設(shè)備提供高品質(zhì)、高可靠、高抗干擾的電源。機房PDU應(yīng)選用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，確保機房數(shù)據(jù)設(shè)備供電的可靠性、安全性。機房PDU應(yīng)安裝符合Ⅲ級分類試驗的浪涌保護器。

PDU包括一個靜電屏蔽隔離變壓器，為干式、雙屏蔽、三相、對流氣冷式，其產(chǎn)品應(yīng)符合UL1561標(biāo)準(zhǔn)。靜電屏蔽隔離變壓器不僅解決了屏蔽隔離抗干擾問題，其次級Y型繞組中性點的重復(fù)接地，也有效地解決了負(fù)載端零地電壓問題，為數(shù)據(jù)設(shè)備的電源安全穩(wěn)定性提供有力的保障?！兑?guī)范》規(guī)定電子信息設(shè)備供電電源的零地電壓應(yīng)小于2V,有的服務(wù)器設(shè)備服務(wù)商要求機房電源的零地電壓小于1V, 零地電壓是機房電源安全重要的測試指標(biāo)之一。

7 系統(tǒng)可用性分析與總結(jié)

改造后機房UPS供電系統(tǒng)是由交流供電系統(tǒng)、“3+1”UPS系統(tǒng)及各級配電單元子系統(tǒng)組成的單總線UPS供電系統(tǒng)，系統(tǒng)可用性分析模型見圖3。交流供電系統(tǒng)輸出的一路電源與UPS蓄電池電源組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)給UPS主機供電，假定各配電單元的可用性相同，UPS供電系統(tǒng)可用性是各個串聯(lián)子系統(tǒng)的乘積，其計算式表示為：

A=［1-(1-Ai×Ap)×(1-Ae)］×Aus×Ap×Ap

其中Ai=0.99994377630（交流供電系統(tǒng)可用性）

Ap=0.99999725042（配電單元可用性）

Ae=0.99998303088（UPS電池可用性）

Aus——UPS系統(tǒng)可用性

不同配置的UPS系統(tǒng)及其單總線供電系統(tǒng)可用性計算結(jié)果見表2。

表2 不同配置的UPS系統(tǒng)及其單總線供電系統(tǒng)可用性

表2中，“N”系統(tǒng)可用性同單機UPS的可用性，“3+2”系統(tǒng)可用性計算式Aus=[1-(1-AU)3]10。

總結(jié)：

1）改造后“3+1”UPS供電系統(tǒng)的可用性高于0.99999，UPS系統(tǒng)基本容量120kVA，滿足本機房數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)荷供電要求。UPS供電系統(tǒng)設(shè)計必須滿足數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)荷供電可用性及基本容量的要求。

2）UPS系統(tǒng)配置在滿足系統(tǒng)可用性要求的前提下選用設(shè)備利用率高的系統(tǒng)，可以節(jié)省投資、降低系統(tǒng)運行能耗。

3）“N+1”并機冗余系統(tǒng)是B級機房UPS系統(tǒng)配置的首選方案。“N+1”系統(tǒng)是在并機邏輯控制總線調(diào)控下正常運行的，并機臺數(shù)增多，系統(tǒng)失調(diào)風(fēng)險加大，并機臺數(shù)不宜多于4臺。

4）提高UPS系統(tǒng)冗余度，把“3+1”系統(tǒng)配置改為“3+2”系統(tǒng)，UPS系統(tǒng)可用性明顯提高，但單總線UPS供電系統(tǒng)可用性沒有明顯變化（其區(qū)別僅在小數(shù)點后第8位），考慮設(shè)備利用率下降、增加投資及運行能耗等因素，不是可取的配置方案。

5）盲目提高UPS系統(tǒng)的可用性指標(biāo)，系統(tǒng)過于復(fù)雜，不僅會加大投資、增加系統(tǒng)運行能耗，也會提高系統(tǒng)運行維護難度, 往往難以實現(xiàn)預(yù)期的系統(tǒng)可用性。

6）單總線UPS供電系統(tǒng)可用性是各子系統(tǒng)及配電單元可用性的乘積，減少配電級數(shù)是提高UPS供電系統(tǒng)可用性的有效辦法之一。

7）無冗余配置的UPS系統(tǒng)（N系統(tǒng)），其供電系統(tǒng)可用性低于0.99999，不能滿足B級機房UPS供電系統(tǒng)可用性要求。

［1］ 中國電子工程設(shè)計院. GB50174-2008 電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］ 中國機房設(shè)施工程有限公司. GB50462-2008 電子信息系統(tǒng)機房施工及驗收規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［3］ 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院，四川中光高技術(shù)研究所有限責(zé)任公司.GB50343-2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］ 中訊郵電咨詢設(shè)計院. YD/T5040-2005 通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范［S］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［5］ 張廣明，韓林. 數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［M］. 北京：人民郵電出版社，2008.