大型數(shù)據(jù)中心U PS配電架構(gòu)淺析

李燕

（優(yōu)刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性，直接影響數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。連續(xù)供電是數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備用電最為顯著的特點(diǎn)之一，同時(shí)也決定著數(shù)據(jù)中心的安全和服務(wù)能力。UPS電源系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的核心動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)保證數(shù)據(jù)中心的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2 靜態(tài)雙變換式U PS系統(tǒng)

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，A級(jí)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)配置宜為2N。2N配置的供電方案可有雙母線、三母線及四母線。

2.1 雙母線供電方案

目前，IDC數(shù)據(jù)中心基本均采用雙母線供電方案，由2套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)、同步控制器、輸入輸出配電屏組成。每套UPS系統(tǒng)的基本容量可按式（1）計(jì)算：

式中，E為不間斷電源系統(tǒng)的基本容量，不包含備份不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備，kV·A；P為電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，kV·A。

系統(tǒng)正常時(shí)，2套母線系統(tǒng)各自帶40%的負(fù)載，當(dāng)2N系統(tǒng)中任一臺(tái)UPS故障時(shí)，負(fù)載可依然由雙母線供電，當(dāng)其中一條母線系統(tǒng)出現(xiàn)斷電故障或檢修維護(hù)時(shí)，負(fù)載將由剩余的一條母線供電。本文分析幾種典型的2N雙母線供電系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)中斷路器的配置給出建議。

圖1為某大型IDC機(jī)房的配電架構(gòu)圖。在該配電架構(gòu)中，低壓側(cè)設(shè)置母聯(lián)，與2個(gè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)做互鎖，保證任何時(shí)刻僅有2個(gè)開(kāi)關(guān)閉合；UPS輸入側(cè)通過(guò)框架開(kāi)關(guān)ACB1引至UPS輸入屏，設(shè)置手動(dòng)外部維修旁路，UPS輸出側(cè)通過(guò)ACB2接至輸出屏母排。該種配電架構(gòu)有幾個(gè)缺陷，分析如下。

2.1.1 存在單點(diǎn)故障

輸入側(cè)通過(guò)框架開(kāi)關(guān)ACB1引至UPS輸入屏，可節(jié)省低壓配電柜的數(shù)量，此種形式比較適用于低壓配電室和UPS配電室分開(kāi)設(shè)置的情況。當(dāng)輸入側(cè)開(kāi)關(guān)ACB1出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致單路斷電。在低壓配電室和UPS配電室合用的情況下，可盡量采用低壓柜直接輸入給UPS，UPS輸出側(cè)直接接至輸出屏母排上。

圖1 某數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)一

2.1.2安全防護(hù)問(wèn)題

母聯(lián)開(kāi)關(guān)采用3P，在電源轉(zhuǎn)換時(shí)N線不斷開(kāi)。大型IDC數(shù)據(jù)中心低壓接地形式基本采用TN-S或TN-C-S系統(tǒng)，依據(jù)GB 16895.10—2010《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》，在TN系統(tǒng)中，當(dāng)需要用開(kāi)關(guān)電器將一個(gè)電源轉(zhuǎn)換到另一個(gè)替換電源時(shí)，此開(kāi)關(guān)電器應(yīng)轉(zhuǎn)換線導(dǎo)體和中性導(dǎo)體。A級(jí)數(shù)據(jù)中心容錯(cuò)配置的變配電設(shè)備應(yīng)分別布置在不同的物理隔間內(nèi)。若容錯(cuò)配置的配電室相隔一定距離，正常運(yùn)行時(shí)，2個(gè)不同步電源的中性點(diǎn)存在瞬時(shí)電位差，當(dāng)一臺(tái)變壓器失電時(shí)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)不斷開(kāi)N線，正常變壓器通過(guò)N線使失電變壓器帶電，可能會(huì)引起不期望的環(huán)流。若容錯(cuò)配置的配電室相鄰，且做等電位連接，則2臺(tái)變壓器中性點(diǎn)的接地點(diǎn)為同一個(gè)，中性線上沒(méi)有電壓差，即使電源轉(zhuǎn)換時(shí)不斷開(kāi)中性線，不會(huì)存在環(huán)流問(wèn)題。

2.1.3 運(yùn)維的方便性

該配電架構(gòu)中，低壓母聯(lián)在一側(cè)設(shè)置開(kāi)關(guān)，比較適用于互為備用的配電設(shè)備設(shè)置在同一個(gè)配電室內(nèi)。按照GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心容錯(cuò)配置的變配電設(shè)備應(yīng)分別布置在不同的物理隔間內(nèi)，從運(yùn)維方便性和安全防護(hù)性考慮，宜分別在2段母線上均設(shè)置開(kāi)關(guān)，可將一側(cè)設(shè)置為斷路器，另一側(cè)設(shè)置為負(fù)荷開(kāi)關(guān)，與低壓側(cè)的2個(gè)主進(jìn)開(kāi)關(guān)做電氣連鎖。經(jīng)上述分析，調(diào)整后的配電架構(gòu)如圖2所示。

圖2 某數(shù)據(jù)機(jī)房雙母線2N配電架構(gòu)二

2.2 三母線、四母線供電方案

雙母線供電方案通過(guò)冗余1整套系統(tǒng)來(lái)提高供電可靠性和在線維護(hù)的方便性。在整個(gè)數(shù)據(jù)中心的生命周期，雙母線系統(tǒng)初始投資最高，設(shè)備運(yùn)行能耗最大。三母線供電系統(tǒng)是雙母線供電系統(tǒng)的一種變異形式，采用3套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)，兩兩配合負(fù)擔(dān)全部的IT負(fù)載，單套UPS的負(fù)載率最高可到66%。但該系統(tǒng)的供電系統(tǒng)比雙母線復(fù)雜，負(fù)載需等分為3份才可以滿(mǎn)足3套UPS系統(tǒng)的均衡性，且在線運(yùn)維也比較復(fù)雜，雖然可節(jié)省一部分初始投資，在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用較少。

文獻(xiàn)[1]提出了一種四母線供電方案，包含4套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)和4條母線，負(fù)載均分成6組。每套UPS系統(tǒng)同時(shí)向3組負(fù)載供電，每組負(fù)載同時(shí)從2套UPS系統(tǒng)接入。正常情況下，每套UPS系統(tǒng)帶載3組負(fù)載的一半負(fù)荷，為總負(fù)荷的1/4，考慮到UPS需考慮一定的冗余系數(shù)，每套UPS系統(tǒng)的容量至少為總負(fù)荷的1/3，即最大負(fù)載率可到75%。當(dāng)一套UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由其他3套UPS系統(tǒng)帶載全部IT負(fù)荷，此時(shí)有3組負(fù)載為單電源。四母線的供電方案比三母線更為復(fù)雜，雖然節(jié)省了初始投資，配電拓?fù)涞膹?fù)雜性和負(fù)載需要嚴(yán)格分配，會(huì)降低配電系統(tǒng)的可用度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致后期運(yùn)維成本的增加，在實(shí)際大型IDC數(shù)據(jù)機(jī)房中可應(yīng)用性較低。

3 動(dòng)態(tài)U PS系統(tǒng)

3.1 飛輪儲(chǔ)能U PS系統(tǒng)

雙母線供電方案是當(dāng)前國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心普遍采用的一種系統(tǒng)，應(yīng)用靜態(tài)雙變換式UPS和儲(chǔ)能蓄電池作為數(shù)據(jù)中心的備用電源，初期投資較大，系統(tǒng)損耗比較高。近些年，國(guó)外數(shù)據(jù)中心廣泛采用的飛輪UPS和動(dòng)態(tài)UPS供電技術(shù)引起國(guó)內(nèi)關(guān)注和初步試點(diǎn)應(yīng)用研究。

飛輪UPS技術(shù)是一種采用磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的在線互動(dòng)式UPS電源系統(tǒng)。其工作原理為：市電正常時(shí)，由市電直接向負(fù)載供電，同時(shí)，利用飛輪裝置儲(chǔ)存機(jī)械能；在市電異常情況下，UPS將存儲(chǔ)在飛輪內(nèi)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載供電，同時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。一旦市電恢復(fù)正常，則立即切換到由市電向負(fù)載供電。飛輪UPS技術(shù)降低了蓄電池故障導(dǎo)致的供電可靠性隱患，節(jié)省了蓄電池的占地空間，比傳統(tǒng)靜態(tài)UPS系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，但初期投資約為傳統(tǒng)靜態(tài)UPS系統(tǒng)的1.5倍，后備保障時(shí)間較短，需要后備發(fā)電機(jī)有快速響應(yīng)能力，通常在15s以?xún)?nèi)，目前在國(guó)內(nèi)處于試用研究階段。

3.2 柴油耦合動(dòng)態(tài)U PS系統(tǒng)

柴油耦合動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)是將飛輪UPS和柴油發(fā)電機(jī)組合在一起的動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)，主要由柴油發(fā)電機(jī)、飛輪儲(chǔ)能裝置、電磁離合器、電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組、扼流線圈等組成。其工作原理為：市電正常工作模式下，市電提供負(fù)載的有功功率，M/G電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供負(fù)載的無(wú)功功率，同時(shí)負(fù)責(zé)穩(wěn)壓穩(wěn)頻，扼流線圈負(fù)責(zé)隔離輸入輸出側(cè)諧波，飛輪以3300r/min旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存機(jī)械能，離合器處于分開(kāi)狀態(tài)；市電停電模式下，M/G電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組以1500r/min的轉(zhuǎn)速一直旋轉(zhuǎn)，提供負(fù)載的無(wú)功功率，飛輪由3300r/min的轉(zhuǎn)速逐步降低釋放機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，負(fù)擔(dān)負(fù)載的有功功率。當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速降低至一定門(mén)限值后，引擎啟動(dòng)，當(dāng)引擎達(dá)到1500r/min后，離合器自動(dòng)將M/G電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)和引擎相連，之后由引擎驅(qū)動(dòng)M/G電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)工作，給負(fù)載供電，同時(shí)引擎通過(guò)M/G電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)給飛輪充電。

德國(guó)Piller研發(fā)了一種配置隔離并聯(lián)母線IP-BUS系統(tǒng)的電耦合柴油UPS方案，簡(jiǎn)稱(chēng)DeRUPS技術(shù)，并在Telehouse法蘭克福數(shù)據(jù)中心得到很好的應(yīng)用。該方案采用N+1冗余的UPS系統(tǒng)，并得到T4認(rèn)證，其工作原理為：

1）正常模式下，每組負(fù)載通過(guò)其相連的UPS供電。當(dāng)負(fù)載均衡的時(shí)候，IP扼流線圈上沒(méi)有電流流過(guò)；當(dāng)負(fù)載不均衡的時(shí)，若某臺(tái)UPS的負(fù)載率超過(guò)系統(tǒng)的平均負(fù)載率時(shí)，其所帶載的負(fù)荷將通過(guò)IP總線向其他UPS分流部分負(fù)載，如圖3所示，UPS2向其他15組UPS各分流1%，其負(fù)載率降低至95%，其他15組UPS的負(fù)載率由80%增長(zhǎng)至81%；若某臺(tái)UPS的負(fù)載率小于系統(tǒng)的平均負(fù)載率時(shí)，其他UPS系統(tǒng)可通過(guò)IP總線向該UPS分流部分負(fù)載，從而使各UPS的負(fù)載率基本平衡，如圖4所示，由其他15個(gè)UPS系統(tǒng)分別分流2%的負(fù)載，UPS2的負(fù)載率由40%增長(zhǎng)到70%，實(shí)現(xiàn)各UPS系統(tǒng)之間負(fù)載率的均衡性。

2）當(dāng)其中一套UPS裝置出現(xiàn)故障時(shí)，其所帶載的IT負(fù)荷將經(jīng)過(guò)IP總線由其余的UPS裝置帶載，故障UPS裝置可從整個(gè)系統(tǒng)中隔離出來(lái)，末端負(fù)載不會(huì)受到影響。

圖3 單臺(tái)U PS裝置負(fù)載過(guò)載情況

圖4 單臺(tái)U PS裝置負(fù)載 過(guò)低情況

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了實(shí)際項(xiàng)目案例的雙母線UPS配電系統(tǒng)的缺陷，并給出了設(shè)計(jì)建議，分析了由雙母線系統(tǒng)演變的三母線和四母線配電架構(gòu)的優(yōu)劣和適應(yīng)性。對(duì)動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要的分析，柴油耦合動(dòng)態(tài)UPS系統(tǒng)已在國(guó)外數(shù)據(jù)中心中得到很好的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心尚且處于試驗(yàn)研究階段，隨著綠色數(shù)據(jù)中心的倡導(dǎo)，及動(dòng)態(tài)UPS產(chǎn)業(yè)和服務(wù)的完善，希望在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心中得到一定程度的應(yīng)用。