大型綠色數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與實(shí)踐

胡雙平

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

不間斷電源（Uninterruptable Power Supply，UPS）作為數(shù)據(jù)中心的核心設(shè)備，能夠在市電停電時提供電源的不間斷保障，提供過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、諧波失真保護(hù)以及穩(wěn)定頻率等，在數(shù)據(jù)中心具有不可或缺的作用[1]。

1 綠色數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

根據(jù)功能分區(qū)設(shè)置2套具備物理分隔的獨(dú)立電源系統(tǒng)，采用不同的變壓器供電[2]。采用模塊化區(qū)域設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)，具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，提高UPS系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率，降低能耗。系統(tǒng)具有良好的靈活性與擴(kuò)展性，兼?zhèn)鋬?yōu)越的改造性。在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)以及功能的有機(jī)結(jié)合下，一次規(guī)劃、分期實(shí)施。電源系統(tǒng)深入負(fù)荷中心，緊貼IT機(jī)房，合理冗余。供電結(jié)構(gòu)簡單清晰，減少配電級數(shù)，降低故障點(diǎn)運(yùn)營維護(hù)的難度，提高了系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

1.2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求

大型數(shù)據(jù)中心的主要服務(wù)對象是大型互聯(lián)網(wǎng)公司和金融企業(yè)等重點(diǎn)客戶，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中斷，將造成巨大損失。因此，大型數(shù)據(jù)中心均按照《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）A級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。

A級數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)要求采用2N配置，UPS系統(tǒng)需配置自動轉(zhuǎn)換旁路和手動維修旁路。在有柴油發(fā)電機(jī)保障時，蓄電池后備時間不少于15 min?？照{(diào)系統(tǒng)采用雙路電源末端切換供電，且其中一路必須是不間斷電源，后備時間要求不少于15 min[3]。

大型數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)架構(gòu)采用雙重市電+柴油發(fā)電機(jī)組，中壓柜和低壓柜均并聯(lián)連接。電源系統(tǒng)采用2N和2N+1的可靠性相差無幾，而2N+1系統(tǒng)比2N系統(tǒng)不僅每組系統(tǒng)增加了1套UPS和電池使造價更高，還因增多UPS導(dǎo)致單機(jī)負(fù)載率低，不利于節(jié)能，故推薦采用2N架構(gòu)[4]。

電源系統(tǒng)雙路正常運(yùn)行時，UPS負(fù)載率不超過45%。當(dāng)其中一路UPS系統(tǒng)故障時，另一路UPS系統(tǒng)單路帶載時的負(fù)載率不超過90%[5]。

在數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中，雙路UPS輸出后，為增加再次聯(lián)絡(luò)的可靠性，在雙路中交叉采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）進(jìn)行切換。增加 STS 增多了單點(diǎn)故障，且雙路末端交叉使雙路之間互相影響，無法保證雙路的獨(dú)立性，增大了故障風(fēng)險。因此，在UPS輸出后不建議雙路之間再有聯(lián)絡(luò)關(guān)系，而是保持每路獨(dú)立供電到末端[6]。

1.3 電源系統(tǒng)供電與運(yùn)行方式

UPS電源系統(tǒng)供電方式使用市電作為主用電源，自啟動柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。當(dāng)市電正常時，市電電源經(jīng)UPS系統(tǒng)向負(fù)載供電；當(dāng)市電檢修或故障停電時，柴油發(fā)電機(jī)組自啟動后經(jīng)UPS系統(tǒng)向負(fù)載供電；在市電停電而發(fā)電機(jī)未供電時，由蓄電池組放電經(jīng)UPS系統(tǒng)向負(fù)載供電[7,8]。

2 綠色數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1 負(fù)荷計(jì)算

某數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃7 kW機(jī)柜6 012臺，服務(wù)器機(jī)柜總功率為42 084 kW，規(guī)劃外市電容量為雙路60 000 kVA，項(xiàng)目配置 48 臺 SCB13-2500 kVA 干式變壓器。本項(xiàng)目分3棟機(jī)房樓和1棟辦公樓，每棟機(jī)房樓分4層，部署2 004臺機(jī)柜，其中1層部署制冷主機(jī)等動力設(shè)備區(qū)，2～4層為機(jī)房區(qū)域、電源間以及電池間等。每層分為2個機(jī)房，每個機(jī)房部署機(jī)柜334臺。單個機(jī)房負(fù)荷計(jì)算書的內(nèi)容包括服務(wù)器機(jī)柜、UPS、電容器以及變壓器等設(shè)備參數(shù)。服務(wù)器機(jī)柜的負(fù)荷計(jì)算如表1所示。選擇視在功率為3 000.0 kVA的UPS，Pb=0.04 Sjs的功率因數(shù)為0.90，有功功率和無功功率分別為 98.44 kW 和 47.68 kvar。UPS 蓄電池單柜充電功耗為123.05 kW。對于電容器，補(bǔ)償無功功率-800 kW，補(bǔ)償后功率因數(shù)為1.00，有功功率、無功功率和視在功率分別為 2 436.44 kvar、16.14 kW 和2 436.5 kVA。選擇視在功率為 2 500.0 kVA 的變壓器，負(fù)荷率位97.5%，Pb=0.01 Sjs的有功功率為34.36 kW，Qb=0.05 Sjs的無功功率為121.82 kvar，歸算到 10 kV側(cè)，則功率因數(shù)為1.00，有功功率、無功功率和視在功率分別為 2 460.81 kW、137.97 kvar和 2 464.7 kVA。

表1 服務(wù)器機(jī)柜負(fù)荷計(jì)算

每個機(jī)房部署334臺服務(wù)器機(jī)柜，單機(jī)柜平均功率為7 kW。需要系數(shù)和同時系數(shù)均按1取值，功率因數(shù)取0.95，UPS負(fù)荷率按不高于90%設(shè)計(jì)，每個機(jī)房需配置單路UPS容量為3 000 kVA。

2.2 UPS主機(jī)選型

按照容量需求，UPS可采用5臺600 kVA或6臺500 kVA組成并機(jī)系統(tǒng)。綜合低壓配電柜投資、UPS投資、電池投資以及電纜投資對比分析，見表2。對于 3 000 kVA 系統(tǒng)，當(dāng)采用 600 kVA UPS 組合時，單系統(tǒng)造價約3849848 元； 當(dāng)采用 500 kVA UPS組合時，單系統(tǒng)造價約 3 656 990元，500 kVA 比600 kVA整體造價節(jié)約192 858元。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用 500 kVA UPS 并機(jī)系統(tǒng)。

表2 500 kVA系統(tǒng)和600 kVA系統(tǒng)投資對比表

為了保證UPS并機(jī)系統(tǒng)的可靠性，UPS并機(jī)一般不超過4臺。超過4臺時，采用分多組并機(jī)方式。本項(xiàng)目每個機(jī)房3 000 kVA容量需求，采用2組1 500 kVA UPS系統(tǒng)，每組系統(tǒng)由 A 路和 B 路各 1套1 500 kVA UPS分系統(tǒng)組成（每套分系統(tǒng)均由3臺500 kVA UPS主機(jī)按照3機(jī)并聯(lián)和功率均分的方式組成），為服務(wù)器機(jī)柜提供完全獨(dú)立的A路和B路交流不間斷電源。每組需要6臺500 kVA UPS，每個機(jī)房需要12臺UPS，電源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 蓄電池組設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用容量為 500 kVA 的 Galaxy 3L UPS 系統(tǒng)進(jìn)行并機(jī)，使用SPG系列蓄電池，單機(jī)后備時間為 15 min。

蓄電池配置計(jì)算條件：UPS逆變器效率為95%，單機(jī)UPS實(shí)際帶載390 kW，單體蓄電池放電截止電壓1.75 V/Cell。每組電池48只，共3組，選擇電池配置計(jì)算如下。

UPS所需的直流功率Pdc為

代入數(shù)值，計(jì)算可得Pdc約為410.5 kW。

每組電池的串連48只，配置3組蓄電池時，電池中每個Cell（每只12 V電池由6個Cell組成）的放電功率要求為

代入數(shù)值，計(jì)算可得電池每個Cell的放電功率為 475 W。

查詢SPG12-570W蓄電池放電功率表可知，在電池放電截止電壓取 1.75 V/Cell（10.5 V/Block）時，15 min可以放電 500 W/Cell，大于計(jì)算所需的475 W/Cell，即使用SPG12-570W蓄電池48只×3組，滿足 Galaxy 3L 500 kVA UPS 單機(jī)滿載時后備時間15 min 的要求[9]。

2.4 UPS輸入輸出配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2N系統(tǒng)兩路交流輸入電源分別取自不同的低壓配電系統(tǒng)，同1套系統(tǒng)的UPS的主路、靜態(tài)旁路以及外部維修旁路的輸入則由同1套低壓系統(tǒng)供電。查閱 UPS 手冊，500 kVA UPS 額定輸入電流為 759 A，主路和靜態(tài)旁路輸入斷路器均選用1 000 A框架斷路器。每組UPS設(shè)置1個外部旁路斷路器，采用2 500 A框架斷路器。故障檢修時切斷所有UPS輸出斷路器，由外部旁路直接對輸出配電柜供電，手動旁路必須掛鎖，嚴(yán)防誤操作[10]。UPS輸出為2套獨(dú)立的配電系統(tǒng)，分別為各自對應(yīng)的IT機(jī)房提供2路不間斷電源。

2.5 電池開關(guān)柜設(shè)計(jì)

電池放電總電流Id為952 A。本項(xiàng)目采用3組蓄電池并聯(lián)放電，每組電池放電電流為317 A。

電池開關(guān)柜采用1 250 A直流專用斷路器作為總斷路器，3組蓄電池采用500 A直流斷路器。3個直流電池?cái)嗦菲鲀?nèi)置3個施耐德欠壓脫扣線圈MN（24 V/5 W）和3個開關(guān)狀態(tài)輔助觸點(diǎn)。每個開關(guān)對應(yīng)布放1根RVVP 4×0.5 mm2信號線，3個直流電池開關(guān)對應(yīng)需布放3根RVVP 4×0.5 mm2信號線。

對于大功率UPS系統(tǒng)，電池線除了正極（+）和負(fù)極（-）之外，還有1條中性線（N），因此電池總電纜采用9條WDZA-RYJY 1×240 mm2電纜分 3組并接。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計(jì)的主要目的是在成本可控的情況下，為重要IT負(fù)載提供高可靠的電源保障。隨著技術(shù)的高速發(fā)展，新的電源技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在保證可靠性的前提下，勇于探索和使用新技術(shù)，針對不同的項(xiàng)目需求采用合理的電源架構(gòu)和合適的產(chǎn)品，做到節(jié)能與可靠性兼顧，以期為客戶提供一個綠色高效和安全可靠的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)。