福清核電數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化探究

周 娟

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

0 引 言

在福清核電數(shù)據(jù)中心內(nèi)，最基本的工作內(nèi)容是確保UPS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，確保UPS系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)中心的建設(shè)水平，確保UPS系統(tǒng)可以高質(zhì)量運(yùn)行，這對(duì)整個(gè)福清核電數(shù)據(jù)中心正常工作的開(kāi)展具有非常積極且重要的作用。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS系統(tǒng)的概念分析

1.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房布置概述

福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心機(jī)房是為整個(gè)公司提供辦公網(wǎng)絡(luò)、語(yǔ)音電話等系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的物理場(chǎng)所。機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置核心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電信間以及UPS間等功能區(qū)域。核心機(jī)房主要包括的設(shè)備有服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及儲(chǔ)存設(shè)備等；電信間為早期BA主辦公樓和調(diào)試綜合樓等多個(gè)子項(xiàng)提供電話語(yǔ)音設(shè)備；UPS間配置2套125 kW UPS供配電系統(tǒng)，系統(tǒng)包括模塊化熱插拔UPS主機(jī)柜、靜態(tài)旁路和系統(tǒng)控制柜、輸入輸出總配電柜、模塊化電池系統(tǒng)以及設(shè)備監(jiān)控等。

根據(jù)不同設(shè)備使用的電源形式差異性，可以將數(shù)據(jù)中心的機(jī)房設(shè)備具體劃分為單電源設(shè)備和冗余電源設(shè)備兩種。對(duì)于冗余電源設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中涉及到的多個(gè)電源模塊，如果其中的某一個(gè)電源模塊出現(xiàn)問(wèn)題，則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。對(duì)于單電源設(shè)備來(lái)說(shuō)只有一個(gè)電源模塊，雖然可靠性較高，但是一旦發(fā)生電源問(wèn)題，則會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常啟動(dòng)與運(yùn)行。

1.2 UPS系統(tǒng)

UPS是Uninterruptible Power Supply的英文縮寫(xiě)，即不間斷電源，也稱(chēng)不停電電源，是一種含有儲(chǔ)能裝置并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的電源設(shè)備。該系統(tǒng)可以為一些特定的設(shè)備提供長(zhǎng)時(shí)間且不間斷的電源支持，因此適用于對(duì)供電設(shè)備要求較高的負(fù)荷場(chǎng)合。福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心機(jī)房采用雙路市電供電，并配置自動(dòng)與靜態(tài)旁路切換且供電無(wú)間斷的UPS電源，向機(jī)房?jī)?nèi)的負(fù)載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，確保核心設(shè)備由足夠的后備電力支持正常的系統(tǒng)應(yīng)急操作，因此對(duì)UPS系統(tǒng)供電可靠性有較高的要求。為了能夠滿(mǎn)足核電站數(shù)據(jù)中心內(nèi)UPS系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)條件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)多種不同的運(yùn)行模式，以滿(mǎn)足不同系統(tǒng)的要求，彌補(bǔ)各個(gè)系統(tǒng)之間差距較大這一電源需求，向機(jī)房?jī)?nèi)的負(fù)載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，確保核心設(shè)備由足夠的后備電力支持正常的系統(tǒng)應(yīng)急操作。核心設(shè)備運(yùn)行率不低于99.99%，核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行率則為100%。

2 福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)可靠性相關(guān)分析

檔案館為優(yōu)化UPS電源穩(wěn)定性可以結(jié)合可靠性進(jìn)行分析。一般UPS系統(tǒng)的冗余供電模式主要包括并聯(lián)單總線供電模式、雙總線供電模式以及串聯(lián)單總線供電模式3種。

2.1 并聯(lián)單總線供電模式

實(shí)際工作中，技術(shù)工作人員可以采用并聯(lián)方法，將2臺(tái)或2臺(tái)以上的UPS設(shè)備設(shè)置成為輸出處理，從而形成N+1的冗余供電并聯(lián)系統(tǒng)。在這種工作環(huán)境下，利用負(fù)載可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。如果其中某一環(huán)節(jié)發(fā)生問(wèn)題，UPS設(shè)備能夠與整個(gè)供電聯(lián)系網(wǎng)分離，而后針對(duì)逆變器的比例進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在UPS系統(tǒng)內(nèi)，并聯(lián)單總線冗余模式的穩(wěn)定性非常高，可以為后端提供對(duì)應(yīng)的負(fù)載力。技術(shù)人員也可以根據(jù)操作流程設(shè)置負(fù)載，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供電的目的。

2.2 并聯(lián)雙總線

在雙總線供電設(shè)備中有一個(gè)靜態(tài)裝換開(kāi)關(guān)，這樣在電源出現(xiàn)供電故障問(wèn)題時(shí)，可以切換備用電源進(jìn)行應(yīng)用，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。從可靠性方面進(jìn)行分析，雙總線供電模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種供電模式的合理組合，有效提高供電可靠性。目前，這一供電模式在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中具有比較廣泛的應(yīng)用。也就是說(shuō)，這一供電模式在數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電模式中的應(yīng)用可靠性相對(duì)較高，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的應(yīng)用效果。

2.3 串聯(lián)單總線供電模式

采用UPS系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，將它設(shè)置成為主機(jī)和備機(jī)兩種形式，能夠更好地滿(mǎn)足冗余供電需求。就靜態(tài)旁路電源來(lái)說(shuō)，可以讓備機(jī)正常運(yùn)行，這一工作環(huán)節(jié)被稱(chēng)作為冗余供電需求。主機(jī)運(yùn)行時(shí)，可以自由切換負(fù)載，確保其能夠在主機(jī)旁路的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，使備用機(jī)器可以為負(fù)載提供充足的電量。當(dāng)UPS系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以?xún)?yōu)化串聯(lián)單總線這一供電模式，從而實(shí)現(xiàn)冗余的工作模式。在UPS系統(tǒng)中保存靜態(tài)旁路出入口時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮備機(jī)冗余供電具有的性能。技術(shù)人員也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的產(chǎn)品，并針對(duì)其設(shè)計(jì)針對(duì)性的供電模式，確保二者能夠互相對(duì)應(yīng)。

3 檔案館數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以及相關(guān)功能分析

3.1 模塊化SYPX 250kVA UPS供配電系統(tǒng)

比如，每套原裝進(jìn)口模塊化SYPX 250kVA UPS供配電系統(tǒng)包括4個(gè)柜體，即強(qiáng)電柜、靜態(tài)旁路和控制柜、功率柜、電池開(kāi)關(guān)柜[1]。柜體之間連接圖如圖1所示。

4個(gè)柜體之間以母排或線纜相連。強(qiáng)電柜包括UPS系統(tǒng)的總輸出開(kāi)關(guān)、輸出分配電盤(pán)、靜態(tài)旁路輸入開(kāi)關(guān)以及手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)。其中，靜態(tài)旁路柜中的Q1為UPS主輸入開(kāi)關(guān)，強(qiáng)電柜中的Q3為手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)，強(qiáng)電柜中的Q5為靜態(tài)旁路輸入開(kāi)關(guān)，強(qiáng)電柜中的Q2為UPS輸出開(kāi)關(guān)，Q2后面有1個(gè)800 A配電盤(pán)，配置4個(gè)100 A開(kāi)關(guān)和2個(gè)225 A開(kāi)關(guān)，最多可以配16個(gè)輸出分開(kāi)關(guān)（63～225 A）。此外，設(shè)計(jì)了特別的適配器和監(jiān)控套件，可對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電流和狀態(tài)監(jiān)控。

圖1 柜體之間連接圖

3.2 強(qiáng)電柜

強(qiáng)電柜400 mm寬、1 070 mm深、2 000 mm高，在側(cè)面進(jìn)行操作。它含400 A UPS總輸出開(kāi)關(guān)、400 A靜態(tài)旁路輸入開(kāi)關(guān)以及400 A手動(dòng)維修旁路開(kāi)關(guān)。800 A的輸出配電盤(pán)框架，最多16個(gè)帶電流監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控的輸出分配電柜開(kāi)關(guān)（63～225 A）。各主開(kāi)關(guān)含輔助觸點(diǎn)，互鎖，并與UPS主機(jī)進(jìn)行通信。

3.3 靜態(tài)旁路和操作控制柜

靜態(tài)旁路和操作控制柜600 mm寬，包括10英寸觸摸圖形顯示器、系統(tǒng)總輸入開(kāi)關(guān)、靜態(tài)旁路模塊、2塊冗余的控制模塊、1個(gè)網(wǎng)卡、3個(gè)通信插槽以及2個(gè)冗余的控制用低壓電源模塊。所有模塊均可熱插拔更換，兩條CAN BUS總線與功率柜體進(jìn)行通信，形成冗余的通信和控制系統(tǒng)。它通過(guò)銅排與強(qiáng)電柜和功率模塊柜連接，具有黑匣子日志功能，可存儲(chǔ)10 000條日志。250 kVA靜態(tài)旁路模塊可直接插入控制柜，熱插拔更換，不需要走手動(dòng)旁路。配置2個(gè)冗余熱插拔風(fēng)機(jī)，可在線更換。靜態(tài)旁路模塊配置軟開(kāi)關(guān)，方便啟動(dòng)、停止或更換靜態(tài)旁路模塊。圖形化操作非常簡(jiǎn)便，可直接查看每個(gè)模塊和部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

3.4 功率模塊柜

功率模塊柜600 mm寬，通過(guò)銅排與靜態(tài)旁路控制柜和電池開(kāi)關(guān)柜連接。它可安裝10個(gè)在線熱插拔25 kVA/kW功率模塊，共計(jì)250 kVA/kW。功率模塊為三相全I(xiàn)GBT功率模塊，25 kVA/25 kW，含IGBT帶PFC功能整流器、三電平IGBT逆變器和充電器，含與背板進(jìn)行熱插拔的柔性安德森連接器，含與主回路輸入輸出和電池母線連接的高速繼電器，含2個(gè)可調(diào)速的、冗余配置的、可熱插拔的在線更換的軸流風(fēng)機(jī)。功率模塊配置軟開(kāi)關(guān)，可方便啟動(dòng)和停止以及更換功率模塊。正常情況下，每個(gè)風(fēng)機(jī)能耗與噪音都非常低。

3.5 電池開(kāi)關(guān)柜

電池開(kāi)關(guān)柜600 mm寬，具有多功能電池保護(hù)系統(tǒng)，含500 A DC電池開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲、防反接二極管、2路電池溫度傳感器，并與EPO電路聯(lián)動(dòng)。銅排預(yù)留了4組電池連接電纜接口，上走線。輔助電路板和靜態(tài)旁路控制柜進(jìn)行通信，以隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)。注意的是，在電池間每組電池還配置了電池開(kāi)關(guān)，滿(mǎn)足南方電網(wǎng)在UPS側(cè)和電池側(cè)均配置電池開(kāi)關(guān)的要求。

4 提高UPS系統(tǒng)可靠性的措施分析

4.1 外包策略

當(dāng)UPS使用期限達(dá)到年限或者日常充放電試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)性能下降等情況時(shí)，需要對(duì)舊設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化、改造和升級(jí)等。此提升需要綜合考慮成本，選擇性?xún)r(jià)比較優(yōu)的方案。其中，首先需考慮是否升級(jí)現(xiàn)有設(shè)備，以及是否新建或外包給云/托管服務(wù)供應(yīng)商（或兩者兼有）。當(dāng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心擁有可用供電、制冷和空間時(shí)，決策通常顯而易見(jiàn)。而當(dāng)數(shù)據(jù)中心滿(mǎn)負(fù)載或接近滿(mǎn)負(fù)載時(shí)，必須對(duì)IT設(shè)備的放置地點(diǎn)作出決策。第171號(hào)白皮書(shū)《自建還是外包數(shù)據(jù)中心物理基礎(chǔ)設(shè)施的考慮因素》介紹了滿(mǎn)足新IT擴(kuò)容要求的方法，并探討了作出明智決策而必須考慮的因素。雖然10年期成本分析通常會(huì)得出升級(jí)或新建數(shù)據(jù)中心優(yōu)于外包的結(jié)果，但對(duì)現(xiàn)金流的敏感度、收支平衡點(diǎn)、部署時(shí)間表、數(shù)據(jù)中心預(yù)期壽命以及其他戰(zhàn)略因素等，也會(huì)對(duì)最終決定產(chǎn)生重要作用?？山柚鶷radeOff Tool在線權(quán)衡工具13《數(shù)據(jù)中心新建與托管總擁有成本計(jì)算器》輸入自有設(shè)施的屬性和成本，以確定自建和將IT設(shè)備外包給零售托管供應(yīng)商的10年期總擁有成本估計(jì)值。

4.2 內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估

現(xiàn)代UPS系統(tǒng)的運(yùn)行范圍94%～99%，而舊UPS在相同的負(fù)載范圍內(nèi)為85%～92%[2]。福清核電數(shù)據(jù)中心施耐德UPS及蓄電池從2013年啟用運(yùn)行至今已經(jīng)7年，蓄電池已經(jīng)老化，原設(shè)計(jì)后備時(shí)間約10 h，目前放電測(cè)試后備時(shí)間已不足7 h，已經(jīng)低于額定容量的80%，且原蓄電池的設(shè)計(jì)使用壽命為6年，已超過(guò)設(shè)計(jì)使用壽命。UPS及蓄電池制造商可提供更新部件和模塊或更新改造舊UPS及蓄電池的服務(wù)，將使用壽命延長(zhǎng)數(shù)年。

5 UPS系統(tǒng)的優(yōu)化與建議

5.1 明確更換時(shí)間

因?yàn)樾铍姵貙儆谙钠罚幸欢ǖ膲勖芷?，所以需要綜合考慮使用條件、環(huán)境溫度等因素的影響，在到達(dá)蓄電池設(shè)計(jì)使用壽命前用新電池予以更換，充分保證電源系統(tǒng)安全、正常運(yùn)行。

5.2 更新部件、改造舊UPS以及蓄電池服務(wù)

UPS及蓄電池制造商可提供更新部件和模塊或更新改造舊UPS及蓄電池的服務(wù)，將使用壽命延長(zhǎng)數(shù)年。這些服務(wù)通常帶有質(zhì)量保證（典型情況下為1年）和服務(wù)條款，能夠延長(zhǎng)傳統(tǒng)UPS及蓄電池壽命，進(jìn)一步降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。UPS及蓄電池中可以升級(jí)或更換的部件取決于制造商和型號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，UPS及蓄電池設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化程度越高，可用的升級(jí)方案就越多，實(shí)施這些改進(jìn)將更容易或更少斷電。在UPS及蓄電池的生命周期內(nèi)可以多次更換或升級(jí)部件和子系統(tǒng)類(lèi)型。

5.3 更換部分或全部項(xiàng)目

一些更新部件（如逆變器模塊和風(fēng)扇組件）也可以提高電源效率。除了宕機(jī)風(fēng)險(xiǎn)降低之外，這種益處也應(yīng)該納入決策考慮因素。即使對(duì)于高度模塊化的UPS及蓄電池系統(tǒng)，仍有至少?gòu)某杀拘б娼嵌葋?lái)看通常不需更換的組件。

6 結(jié) 論

綜上所述，在核電數(shù)據(jù)中心內(nèi)的UPS系統(tǒng)中，該系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性是確保整個(gè)數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的基本條件。因此，在實(shí)際工作過(guò)程中，應(yīng)對(duì)UPS系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在成本目標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性。