韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：廣電數據中心機房UPS供電系統的可靠性問(wèn)題包含較多的元素，電氣專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員在對供電系統進(jìn)行設計、規劃、管控的過(guò)程中，需要根據數據中心的實(shí)際用電負荷完成多種結構設計，本文對數據中心機房設備分類(lèi)以及供電特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，對當前供電系統可靠性的分配問(wèn)題進(jìn)行了細致闡述，并提出當前提高供電系統UPS供電效率的關(guān)鍵舉措，以提高整個(gè)系統運行的可靠性和穩定性。

關(guān)鍵詞：數據中心；UPS；可靠性

       供電系統的可靠性直接影響到廣電數據中心機房設備的正常運轉，涉及信息存儲、節目錄制采編傳輸、影音數據等生產(chǎn)質(zhì)量和播出質(zhì)量，為確保數據中心機房UPS供電系統的運作更加科學(xué)、安全、可靠，在現階段廣電數據中心機房UPS供電系統的布局規劃管理工作中，電氣專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員需要開(kāi)展頂層設計，明確各項技術(shù)指標、技術(shù)要素，結合精益化、精細化的管控措施，明確各項管理標準，對保障供電系統正常運行尤為重要。

       廣電數據中心機房的電源設備分為單電源以及冗余電源設備，具體來(lái)說(shuō)，單電源是指單一的電源模塊，當數據中心機房設備存在供電問(wèn)題時(shí)，通常是由于電源本身出現的故障問(wèn)題所導致的，此時(shí)的機房設施將處于待機狀態(tài)，而冗余電源設備主要是由多個(gè)電源模塊所構成，此類(lèi)設備也稱(chēng)為雙電源設備，由多個(gè)電源來(lái)承擔整個(gè)系統的供電負荷，如果電源模塊組出現問(wèn)題或無(wú)法正常供電時(shí)，剩余模塊便能夠提供相應的電源負載，保證設備正常供電。

       通常情況下，在供電系統中包含多個(gè)設備設施，如防雷器、電纜、開(kāi)關(guān)、UPS、電池組、PDU以及各種連接件，每一個(gè)環(huán)節以及每一項設備須具備較高的可靠性和穩定性，才能發(fā)揮整個(gè)供電系統應有的作用。在對供電系統可靠性進(jìn)行分配管理的過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要充分遵循短板控制原理，及整個(gè)系統的綜合運行可靠性的高低往往取決于可靠性較低的某一個(gè)部件或某一個(gè)環(huán)節，因此在供電系統可靠性的分配管理過(guò)程中，需要嚴格參照較低的那個(gè)環(huán)節完成資源分配、管理分配，以此才能夠采購發(fā)揮出整個(gè)系統應有的作用，比如在常見(jiàn)的10kVUPS輸出端配置65A的斷路器相對較為常見(jiàn)，同時(shí)在電子系統中，電氣技術(shù)人員也需要保證各系統各環(huán)節連接牢靠，具體來(lái)說(shuō)，由于常見(jiàn)的單相10kV額定電流為45A，考慮到增強系統20%的過(guò)載能力，一般會(huì )選取65A的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現對系統的保護，如果在該環(huán)節存在特殊的要求則需要重新計算電流值大小，若盲目選用32A或100A的斷路器，將不滿(mǎn)足整個(gè)系統運行的需求，比如選擇32A的斷路器會(huì )面臨頻繁切斷負載，若選用100A的斷路器，會(huì )致使輸出端短路而無(wú)法保護電源的情況出現，簡(jiǎn)而言之，如果對可靠性電流值大小的分配未滿(mǎn)足系統設備的具體運作需求，則會(huì )導致整個(gè)系統出現拒動(dòng)或誤動(dòng)的現象。

       通過(guò)實(shí)地調研分析可以看出，在整個(gè)數據機房供電系統可靠性的分配管理過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要整合各項設備設施的綜合可靠性數值，完成綜合評價(jià)管控，比如在該環(huán)節需要分析系統防雷器的運作可靠性，電纜設施的運作可靠性，開(kāi)關(guān)柜、發(fā)電機、UPS、電池組、PDU以及各項設備的運行可靠性，之后再將每個(gè)結構單元、結構部位的運行可靠性進(jìn)行乘積運算，再通過(guò)特定的函數值的賦值分析，便能夠得到整個(gè)系統最終的可靠性。

3.1選取高效率的設備

       UPS作為供電系統中的關(guān)鍵要素，在選取相關(guān)設備時(shí)，電氣工程技術(shù)人員需要重點(diǎn)考量系統所具備的運行可靠性問(wèn)題，同時(shí)考量相關(guān)設備的外部運行環(huán)境，盡可能控制設備高溫問(wèn)題，據統計顯示，如果UPS設備溫度升高，那么設備內部的電子零部件的活躍度將會(huì )翻倍，從而使得設備內部的元器件的使用壽命進(jìn)一步衰減，因此管控UPS供電系統內部的溫度數值將能夠提高設備運行的可靠性和穩定性，但是要想管控設備內部的溫度，則需要對設備本身的功耗進(jìn)行多方面的論證分析，簡(jiǎn)而言之，設備運行的功率并不是越低越好，同時(shí)也不是越高，要想發(fā)揮出設備更加優(yōu)異的性能，技術(shù)人員需要考量整個(gè)系統的綜合運行需求，完成對設備負載功率的合理設置。

       具體來(lái)說(shuō)，在常見(jiàn)的工頻機和高頻機兩種UPS電路結構中，不同設備在輸出端、輸入端均具備不同的線(xiàn)性輸入指標，同時(shí)兩者也具備不同的功率因素，據統計顯示，工頻機的UPS比高頻機UPS往往具備更大的功率消耗，同時(shí)兩者也具備不同的造價(jià)。此外，工頻機UPS輸入逆變器通常是采用的全橋電路，在實(shí)踐應用層面，此類(lèi)電路要想發(fā)揮工頻UPS的實(shí)際性能，則需要適當的增加隔離變壓器，而對于高頻機UPS逆變器而言，此類(lèi)設備通常采用半橋電路，因此針對此類(lèi)設施的空間布局以及結構布局不需要借用變壓器隔離便能夠發(fā)揮出應有的作用。

       因此可以看出工頻機系統由于具備更多的結構損耗，導致其變壓器的損耗數值也進(jìn)一步提高，從故障學(xué)原理出發(fā)可以看出，如果整個(gè)系統中設備設施的數量越多，則表明整個(gè)系統運行的故障率會(huì )進(jìn)一步加大，因此工頻機比高頻機出現故障的概率要更高。因此在選取系統中的過(guò)程中，工程師以及技術(shù)員需要秉承減少結構的復雜性，提高整個(gè)系統運行的穩定性的原則，完成對系統設備的布置，以此才能夠降低設備的電力損耗。

3.2選擇噪音低的設備

       一般情況下，要想確保電源系統更加科學(xué)、高效、穩定地運作，電氣技術(shù)人員需要嚴格管控設備的噪音，同時(shí)噪音過(guò)高也會(huì )導致設備操作環(huán)境變得過(guò)于復雜，使得操作者的情緒受到嚴重影響，從而導致工作人員的工作效率降低，甚至出現操作失誤的情況。但是由于工頻機UPS輸入電路破壞了原有的電壓波形，會(huì )給其他設備造成相應的電磁干擾，同時(shí)電感和變壓器在運行過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生出大量可聞噪音，從而使得操作環(huán)境變得更加惡劣。一般情況下，工頻機往往結合10kHz左右的調制頻率的使用，此類(lèi)頻率恰好在人耳可感知的頻率范圍內，從而使得人員的工作環(huán)境受到嚴重干擾。而高頻機的工作調制頻率通常設置在20kHz以上，而此類(lèi)赫茲頻率往往在人耳感應范圍之外，從而可以保障工作人員的工作環(huán)境相對較為安靜。因此從供電可靠性的層面進(jìn)行分析可以看出，選取適當調制頻率的設備至關(guān)重要，當20kHz以上的高頻機UPS供電設備在數據中心機房中的使用相對較為常見(jiàn)?？傮w來(lái)說(shuō)，在對供電系統UPS進(jìn)行選取選用的過(guò)程中，工程師以及技術(shù)人員需要考慮整個(gè)系統的綜合功率消耗，同時(shí)還需要考慮整個(gè)系統的噪音等級，以此才能夠提高整個(gè)系統的綜合運行效率。

4.1控制UPS輸入輸出的形式

       在控制UPS輸入輸出形式的過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要進(jìn)行多方面的論證探究，一般情況下在對UPS供電系統進(jìn)行管理控制的過(guò)程中，需要對其中的三相負載電流不平衡問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)管控，為了提高三相輸出的穩定性，工程人員、技術(shù)人員可以采用三進(jìn)單出的UPS單元來(lái)提高整個(gè)系統運行的效率。同時(shí)考慮到單進(jìn)單出對整個(gè)輸入配電所產(chǎn)生的不平衡問(wèn)題，在當前三相輸出UPS時(shí)通常被賦予了三相負載95%不平衡的能力，如果出現95%不平衡時(shí)，其電壓不平衡度也只是出現微小的波動(dòng)；但是結合三進(jìn)單出的UPS供電模式卻有著(zhù)較好的運行穩定性和可靠性，比如當輸出功率在90kvA時(shí)，借助正常三相輸入可確保每條線(xiàn)路均能夠輸入30kvA的電流數值，以此達到整個(gè)系統運行的平衡狀態(tài)，如果UPS輸出端存在過(guò)載或設備故障的問(wèn)題時(shí)，則會(huì )導致供電短缺的情況，出現不間斷的波動(dòng)負荷，在該環(huán)節整個(gè)系統設備中的線(xiàn)路控制開(kāi)關(guān)便會(huì )選擇性閉合，但是若相關(guān)開(kāi)關(guān)流入的電流等級過(guò)大，則會(huì )導致供電全面斷電。

       而為了保證不出現以上的問(wèn)題，工程師以及技術(shù)人員需要適當增加輸入電路的數值大小，比如可將輸入端的輸入值增加三倍，使其額定輸入值變?yōu)?0kvA，而多出的電路數值遠遠超出機房的供電需求，但是卻會(huì )給上游的供電局造成較大的供電負荷，因此若單方面增加三進(jìn)單出結構的UPS容量也無(wú)法解決系統運行可靠性低下的問(wèn)題。當前三進(jìn)單出結構的UPS選用30kvA以下的固定等級相對較為合適，在管控容量大小的過(guò)程中，可以結合n+x模塊化冗余結構，結合并聯(lián)UPS各結構模塊，依托并聯(lián)電路，將故障模塊及時(shí)切換，以此來(lái)減少故障模塊給整個(gè)系統所造成的綜合故障問(wèn)題，提高整個(gè)系統運行的可靠性和穩定性。

4.2串聯(lián)單總線(xiàn)供電模式

       為了提高UPS供電效率，通常會(huì )結合多套UPS系統的配合使用,比如結合主機和備機共聯(lián)的形式來(lái)完成供電管控，一般情況下，備機往往是作為主機旁路電源的形式存在，無(wú)論是主機還是備機，均會(huì )輸入相應的市電，而備機作為旁路往往承擔主機非正常狀態(tài)的供電負荷，當主機中的設備存在運行故障時(shí)，UPS備機便會(huì )從旁路承擔故障模塊的供電負荷，如果主機處于正常供電狀態(tài)，則備機將處于空載運行狀態(tài)，針對此類(lèi)供電方式，再無(wú)冗余UPS系統擴充改造的情況下，可提高整個(gè)系統運行的穩定性和可靠性，但是在該環(huán)節，工程師以及技術(shù)人員需要確保UPS主機具備相應的靜態(tài)旁路輸出端以及輸入端，以此才能夠保證主機以及備機正常供電，此類(lèi)結構相對較為簡(jiǎn)單，能夠使得設備處于正常工作運行的狀態(tài)，同時(shí)也能夠適當減少主機運行負荷，備機能夠更加科學(xué)合理地處理突發(fā)過(guò)載變化問(wèn)題，同時(shí)也能夠維持主機長(cháng)效穩定的運行狀態(tài)。在此過(guò)程中，技術(shù)人員也可以適當將主機和備機的狀態(tài)進(jìn)行更換，即將備機當作為主機使用，而將主機當作為備機使用，以此來(lái)減少系統運行負荷，提高設備運行的可靠性和穩定性。除此之外，此類(lèi)供電管理模式也具備較低的造價(jià)成本，可實(shí)現對系統更加高效地維護管控，在現場(chǎng)調試安裝管理過(guò)程中，技術(shù)人員需要科學(xué)合理實(shí)施維護管理，對主機以及備機進(jìn)行常態(tài)化的運維管控，提高整個(gè)體系的運行效率。

4.3雙總線(xiàn)供電模式

       在數據中心供配電系統中，結合雙總線(xiàn)供電模式的使用也相對較為常見(jiàn)，可滿(mǎn)足供電系統更加安全、可靠、高效的運行需求，提高整個(gè)體系運行的安全系數。雙總線(xiàn)供電模式對現場(chǎng)設施的空間環(huán)境以及資金投入也不具備較高的要求，在雙總線(xiàn)供電管理模式下，可在空間資源有限的情況下實(shí)現對設備的簡(jiǎn)化管理。傳統雙總線(xiàn)供電模式結合兩套UPS供電系統，實(shí)現對整個(gè)體系的多重供電荷載，比如結合兩臺UPS系統，在輸入端輸入相應的市電，并且完成雙電源負載，借助STS開(kāi)關(guān)完成整個(gè)系統的綜合控制。

       一般情況下，當一臺UPS出現故障問(wèn)題時(shí)，能夠保持整個(gè)系統的綜合運行負荷滿(mǎn)足相應的要求，但是單臺UPS系統設備要能夠支撐整個(gè)系統的總體負荷，在兩臺設備正常供電的情況下，將各自承擔一半的用電負荷，結合此類(lèi)雙電源的負載管控模式能夠大幅度提高整個(gè)系統運行的安全性和穩定性，同時(shí)也能夠適當減少UPS設備的運行壓力，延長(cháng)UPS設備的使用壽命。雙總線(xiàn)供電方案結合并聯(lián)冗余設計，同時(shí)結合此類(lèi)供電管理模式也能夠降低外界環(huán)境所帶來(lái)的不良因素影響，具體來(lái)說(shuō)，在串聯(lián)電路中，每多一個(gè)環(huán)節便會(huì )增加一個(gè)故障點(diǎn)位，在同一條故障線(xiàn)路上往往包含大量的結構單元，如斷路器、開(kāi)關(guān)、保險絲、PDU，在其中任何開(kāi)關(guān)或節點(diǎn)出現故障問(wèn)題均會(huì )導致電流無(wú)法正常高效地流通，而為了有效地解決以上問(wèn)題，將雙總線(xiàn)和并聯(lián)冗余方案進(jìn)行整合使用往往能夠取得良好的管控效果，在該環(huán)節可結合多條市電的輸入，借助多臺UPS設備，并且完成對輸出配電柜的合理布局設置，對其中的各項開(kāi)關(guān)進(jìn)行綜合管控，實(shí)現對負載多維度、多層次的控制，提高整個(gè)系統的運行水平和用電效率。但是在此過(guò)程中，工程人員、技術(shù)人員需要對單電源負載、雙電源負載問(wèn)題進(jìn)行綜合評估管控，使得整個(gè)方案的設計更加科學(xué)可靠。

5.1電力監控解決方案

       電力監控系統實(shí)現對數據中心中低壓配電系統、UPS、蓄電池組、ATS/STS、精密配電柜、電源支路電流、PDU機柜電源以及其它重要設備進(jìn)行監視、測量、記錄、報警等功能，實(shí)時(shí)掌握供電系統運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高數據中心供電可靠性。

5.2電力監控系統設備選型

       總體來(lái)說(shuō)，在對廣電數據中心機房UPS供電系統的可靠性問(wèn)題進(jìn)行探究探討的過(guò)程中，電力工程技術(shù)人員需要根據當kv供電系統的實(shí)際運行情況、運行特征，完善各項基礎設施，并且革新現有的供電系統，提高整個(gè)體系的供電效率。

【1】數據中心動(dòng)力和環(huán)境監控系統,黃河水利委員會(huì )信息中心趙凱.景云.賈楠[1] 曾顯達, 徐華鋒.數據中心UPS供電系統中并機臺數與可靠性的關(guān)系分析[J].數據中心建設+,2021(7):25-28. 

【2】高巖叢.數據中心不間斷電源系統分析對比[J].長(cháng)江信息通信,2021,34(10):163-165. 

【3】李季.廣電數據中心機房UPS供電系統可靠性分析.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

 

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數據中心的設計與應用。