數(shù)據(jù)中心UPS 交流電源接入方案的探討

王東方

（華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引 言

隨著信息化時代的到來，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)和組織運營不可或缺的重要資源，為了保證數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定和可靠，數(shù)據(jù)中心應(yīng)運而生。數(shù)據(jù)中心作為支撐互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施之一，扮演著越來越重要的角色。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運營需要巨大的能源支持，特別是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電系統(tǒng)的作用尤為重要。它可以在電網(wǎng)異常的情況下為數(shù)據(jù)中心提供電力支持，防止數(shù)據(jù)中心因電力波動、斷電等因素導(dǎo)致的損失和影響。因此，如何接入UPS 交流電源，以確保其符合數(shù)據(jù)中心的用電需求，具有高可靠性和安全性，成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運營中的一個關(guān)鍵問題。

1 UPS 交流電源概述

UPS 交流電源是一種用于保護設(shè)備不受電源故障和電力質(zhì)量問題影響的電源設(shè)備。它通常由電池和自動穩(wěn)壓器組成，能夠在電網(wǎng)停電或電壓波動時提供持續(xù)穩(wěn)定的電力，以確保設(shè)備正常運行，保護設(shè)備免受電源變化、電壓浪涌、瞬間停電以及短暫停電等不利影響[1]。

UPS 交流電源通常由整流器、電池組、逆變器3個部分組成。整流器將市電轉(zhuǎn)化為直流電能，同時用于電池充電。電池組一般為市電正常供電時可充電、市電停電時可供電的鉛酸蓄電池。逆變器將直流轉(zhuǎn)換為供設(shè)備和系統(tǒng)用的交流電。

UPS 交流電分為離線UPS、在線式UPS、在線交互式UPS 類型。市電正常供電時，離線UPS 會直接向設(shè)備供應(yīng)市電，而當(dāng)市電斷電時，UPS 則會自動切換為備用電池供電。在市電供電時，在線式UPS 會將市電轉(zhuǎn)換為直流電，并立即轉(zhuǎn)換為交流電供應(yīng)裝置，也會將電能儲存至電池組內(nèi)，在市電故障時，它仍然能保持穩(wěn)定輸出電力，直到電池用完。在線交互式UPS 通常是在線式UPS 和離線式UPS 的混合型，它可以在市電電壓波動或停電時自動切換到電池供電狀態(tài)，并可以將市電的電壓調(diào)整到適合設(shè)備的水平。UPS 交流電源被廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵性電子設(shè)備，如計算機、通信系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)以及醫(yī)療設(shè)備等，從而在市電停電或電壓波動的情況下能夠正常運行[2]。

2 UPS 交流電源的特性

UPS 交流電源是一種電源設(shè)備，其主要作用是在電網(wǎng)電力故障或停電時，為設(shè)備提供電力，以保證設(shè)備正常運行。UPS 交流電源工作方式如圖1 所示。

圖1 UPS 交流電源工作方式

UPS 交流電源主要具有以下特性：一是可靠性高，UPS 交流電源通常采用雙重或三重電源系統(tǒng)，以確保電源的可靠性和穩(wěn)定性，即使主電源中斷，也能及時切換到備用電源；二是穩(wěn)定性強，UPS 交流電源具有電壓穩(wěn)定、電流穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定等特點，能夠為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，從而保證設(shè)備的正常運行；三是自我診斷能力強，UPS 交流電源通常具有自我診斷功能，可以監(jiān)測和診斷電源的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時修復(fù)，從而保證電源的可靠性和穩(wěn)定性；四是安全保護功能，UPS 交流電源具有過電流、過電壓、欠電壓以及短路等多重保護功能，能夠有效地保護設(shè)備和電源，避免因電力故障而造成的損壞；五是高效節(jié)能，UPS 交流電源通常采用高效節(jié)能的設(shè)計，能夠提高電源利用效率，降低能源消耗，從而節(jié)省電費和運行成本[3]。

3 數(shù)據(jù)中心對UPS 交流電源的要求

數(shù)據(jù)中心對UPS 交流電源有以下要求：一是高可靠性，數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)24 h 不間斷運行，因此UPS 交流電源必須具備高可靠性，確保在任何時刻都能提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，不受外界因素的干擾；二是快速響應(yīng)，UPS 交流電源能夠在短時間內(nèi)（通常為毫秒級別）將備用電源切換到主電源，以確保在出現(xiàn)電源故障時，數(shù)據(jù)中心能夠持續(xù)供電，從而避免資料遺失和業(yè)務(wù)中斷的情況發(fā)生；三是穩(wěn)定輸出，UPS 交流電源輸出的電壓、頻率等參數(shù)必須穩(wěn)定，以確保服務(wù)器、存儲設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備的正常運行；四是高效節(jié)能，數(shù)據(jù)中心的用電量很大，UPS 交流電源的效率和節(jié)能性非常重要，可以減少用電成本并降低能源消耗；五是可擴展性，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和業(yè)務(wù)需求不斷變化，UPS 交流電源需具備可擴展性，可以隨著業(yè)務(wù)需求的變化進行升級和擴展；六是智能化管理，UPS 交流電源需具備智能化管理功能，可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控和管理，及時掌握UPS 的運行狀態(tài)，提高運維效率[4]。

4 數(shù)據(jù)中心UPS 交流電源接入考慮因素

數(shù)據(jù)中心的UPS 系統(tǒng)在保障數(shù)據(jù)中心電力穩(wěn)定供應(yīng)方面扮演著重要角色。在UPS 系統(tǒng)的設(shè)計中，交流電源的接入方案是至關(guān)重要的一環(huán)。以下是數(shù)據(jù)中心UPS 交流電源接入的一些常見設(shè)計考慮因素：一是系統(tǒng)容量和負載特點，UPS 交流電源接入方案需要考慮數(shù)據(jù)中心的總?cè)萘亢透鱾€負載設(shè)備的特點，如功率因數(shù)、波動和諧度、負載特性等；二是電源選擇和接入方式，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的負載特點和電源容量，選擇合適的UPS 交流電源類型和接入方式，一般有直接接入方式和分布式接入方式2 種；三是穩(wěn)定性和可靠性，UPS 交流電源接入方案需要保證電源的穩(wěn)定性和可靠性，確保UPS 交流電源的輸出電壓、頻率等參數(shù)穩(wěn)定，并且保證在發(fā)生異常情況時能夠自動切換至備用電源；四是安全性和可維護性，UPS 交流電源接入方案需要考慮安全性和可維護性，需要滿足國家安全規(guī)定，如防雷擊、防電擊等，電源設(shè)備的維護和檢修也需要方便和可靠；五是成本和效益，UPS 交流電源接入方案的成本和效益也是需要考慮的因素，需要評估不同方案的成本、投資回報率、維護費用等，從而選擇最經(jīng)濟、最有效的方案。

綜上所述，對于數(shù)據(jù)中心UPS 交流電源接入考慮因素，需要綜合考慮系統(tǒng)容量和負載特點、電源選擇和接入方式、穩(wěn)定性和可靠性、安全性和可維護性以及成本和效益等多個方面，從而制定出最優(yōu)的接入方案。

5 數(shù)據(jù)中心UPS 交流電源接入方案設(shè)計

5.1 數(shù)據(jù)中心運行環(huán)境要求

（1）UPS 電源對于數(shù)據(jù)中心核心機房互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）設(shè)備的供電質(zhì)量具有非常重要的作用，不僅需要提供高品質(zhì)的電源，還要求在市電停電后15 min 內(nèi)為設(shè)備提供不間斷電源，從而保證數(shù)據(jù)中心機房的正常運轉(zhuǎn)。

（2）在大型數(shù)據(jù)中心中，單個機柜的功耗通常在4 ～10 kW（或更高）。而對于機柜數(shù)量達到150個左右的大型數(shù)據(jù)中心機房來說，假設(shè)每個機柜功耗為8 kW，其總功耗可達到1 200 kW。因此，UPS 電源要滿足數(shù)據(jù)中心機房內(nèi)所有設(shè)備的需求，需要有足夠的容量和輸出功率。

（3）UPS 電源的系統(tǒng)可靠性是非常重要的指標。數(shù)據(jù)中心對UPS 電源的平均無故障時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的要求通常都比較高，要求達到250 000 h 以上（不含電池）。

數(shù)據(jù)中心機房設(shè)計對溫度和濕度環(huán)境的要求非?？量?，必須嚴格控制溫度和濕度，使溫度和濕度范圍能夠持續(xù)運行。通常情況下，干球溫度計應(yīng)該維持在20～25 ℃，相對濕度應(yīng)該維持在40%～50%。同時，最大露點應(yīng)該控制在15 ℃以內(nèi)，最小露點應(yīng)該控制在5.5 ℃以內(nèi)。此外，最大變化速度不應(yīng)超過5 ℃/h。

5.2 方案設(shè)計

5.2.1 UPS 電源容量選擇計算

首先需要對其容量進行精確計算，以確保UPS為數(shù)據(jù)中心提供足夠的電力支持。在選型時，動力用UPS 要考慮到機房空調(diào)的感性負荷，其原因是通常情況下電動機的起動電流是額定電流的5 ～7 倍。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，動力用UPS 主要為空調(diào)水泵供電?？紤]到水泵通常采用變頻啟動方式，動力用UPS 的基本容量需要取最大計算負荷的1.3 倍，參照《民用建筑電氣設(shè)計標準》（GB 51348—2019）[5]。機柜用UPS在容量選取時也需要考慮一定的余量，基本容量需取機柜總計算負荷的1.2 倍，參照數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范（GB50174—2017）[6]。

機柜用UPS 容量的計算公式為

式中：Ptotal表示機房內(nèi)所有機柜的總功耗，W；Kneed是需要系數(shù)，用于考慮系統(tǒng)的可靠性和冗余度，一般取1.0；Kmargin是余量系數(shù)，用于考慮未來的擴展和增加負載的余地，一般取1.2；PFcabinet表示機柜的功率因數(shù)。

如果單機房機柜總功耗為1 200 kW，需要系數(shù)取0.96，機柜功率因數(shù)為0.95，則UPS 容量為1 455 kVA。最終，選擇6 臺500 kVA 的UPS 采用2N形式，每3 臺進行并機供電。

5.2.2 方案電氣原理

數(shù)據(jù)中心UPS 配電系統(tǒng)是保障數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運行的重要組成部分，它由多個關(guān)鍵設(shè)備組成，如圖2所示。UPS 內(nèi)部組成如圖3 所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心UPS 配電系統(tǒng)接入圖

圖3 UPS 內(nèi)部組成示意

交流配電系統(tǒng)可以將電源從電網(wǎng)輸送到UPS 主機，蓄電池組則是在停電等突發(fā)情況下為負載提供應(yīng)急電源。UPS 主機可以根據(jù)不同情況提供不同的電源支持，保障設(shè)備在市電中斷等突發(fā)情況下的連續(xù)穩(wěn)定運行。電動機用變頻器則是為了降低啟動電流而采用的設(shè)備，能使動力UPS 的容量選擇更為經(jīng)濟。而輸出配電則是將UPS 輸出的電能分配到每一個負載設(shè)備上，確保它們正常運行。當(dāng)UPS 發(fā)生故障時，維修旁路在線的功能能夠確保負載設(shè)備不會因為停電而受到影響，同時也提供了在線維修功能，便于及時處理故障。整個系統(tǒng)的設(shè)計考慮到了各種可能的情況，從而為數(shù)據(jù)中心提供了可靠的電源保障。

6 結(jié) 論

UPS 供電系統(tǒng)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要成果，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會的多個領(lǐng)域，為電力的穩(wěn)定提供了重要保障。在數(shù)據(jù)中心中，UPS 供電系統(tǒng)的重要性更為突出。因此，需要不斷進行理論研究和技術(shù)開發(fā)，以不斷提高UPS 供電系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，進一步保障數(shù)據(jù)中心的供電安全和穩(wěn)定。通過不斷推進UPS技術(shù)的進步，可以推動社會的發(fā)展，促進數(shù)字化轉(zhuǎn)型和信息化建設(shè)的加速發(fā)展。