探討大型數據中心電源與UPS配電系統的設計

摘要本文主要結合數據中心工程設計的一些實例，詳細介紹了UPS配電系統設計過程的體會。主要就配電系統的規(guī)模和UPS配電系統的容量以及系統的冗余和對配電系統的監(jiān)控問題，同時，詳細介紹了系統的構成。

關鍵詞 大型數據中心機房；UPS配電系統；可靠性；容量規(guī)模；冗余制約

http:///
一、項目簡介

本文通過介紹大型數據中心項目的UPS配電系統，來介紹數據中心的電源和配電系統的設計問題。本文提到的項目建有近一萬平米的機房，其中，機柜的安裝容量大約在7000千瓦，絕對稱得上是符合要求的并且可靠性極高的機房，該項目承擔著非常重要的信息，并且負責對這些信息的存儲、運算等處理作用，是一個企業(yè)的運作基礎，也是控制中心。對這樣一個大型的數據管理中心，為他提供用電的系統必然要求極高，不僅是供電系統的構成要安全而且可靠，同時要保證連續(xù)性，就是能夠為中心提供連續(xù)的并且穩(wěn)定的供電，不能因為一些外部因素造成系統的供電被中斷，不僅如此，即使是由于人為的偶然失誤操作的情況下，也要保證提供穩(wěn)定的、連續(xù)的供電。

由于該項目的所有的機柜和機房中那些精密的空調以及空調的前端設備等對供電要求較高，在加上機房的照明還有監(jiān)控的監(jiān)控設備都要求供電系統具有極高穩(wěn)定性。所以對于機房的選址非常的重要，應該建在大城市的周邊，要求具有非常良好的地理位置和環(huán)境，而且要有充足的市政條件，電力的供應要求具有超強的穩(wěn)定的，供電歷史要求沒有發(fā)生過大的事故，確保能夠為中心提供一個穩(wěn)定的電源，可以將這個市電作為中心機房主供電電源，同時能夠提供兩路來自不同電源供電的線路。

二、系統設計

下面主要結合機柜的配電系統的設計，論述約束的系統設置和提高系統供電的可靠性。作為比較重要的一個大型設備的機房，擁有自身獨立的發(fā)電機組提供電源是必須的。本文提到的工程就建有自己的一座由柴油提供動力的發(fā)電機房，為數據中心提供可靠的備用電源。建設這樣一個柴油的發(fā)電機組主要考慮到設置冗余，當其中的某臺柴油發(fā)電機發(fā)生故障的時候，這臺發(fā)電機組的負荷可以從另組發(fā)電機獲得全部的需要的電力。

這種雙轉換式的UPS配電系統為大型的數據中心提供電源是不需要質疑他的復雜性的。我們再設計供電時首先要進行確定的是考慮UPS需要采用什么樣的容量，構成系統的規(guī)模又要有多大，還要確定系統的形式等問題[1]。一個系

統稱得上合理與可靠，一定規(guī)模是適中的，構成是簡單的，而且系統的部件要絕對的可靠，不論是可用性還是可操作性以及安全性都非常好，向負載能夠提供無干擾，而且幅值以及頻率都嚴格的處在允許的范圍之內的交流電。

所以首先需要確定的就是系統的規(guī)模和形式以及基本UPS的單元容量。根據以往的經驗和一些供貨商主要產品的規(guī)格，一個合適的方案是使用800千伏安UPS并聯最終架構構成1600千伏安的UPS供電系統，這樣的規(guī)模與數據中心的規(guī)模想適應，我們認為比較的合適。因為這樣首先只需要兩臺UPS并聯即可，所需UPS的單元少。配和3200安的配電母線為輸出，因為這樣可以保證較好的電磁兼容，也能夠提供比較大的容量配電，可以降低配電母線的使用數量，而且系統的構成被大大的簡化。對上級的電源要求也能夠滿足，當今的變壓器和發(fā)電機的產品是完全能夠信得過的。因為800千伏安的UPS對供應商來說這種UPS已經成為一種主流的產品而且產品也已經非常的成熟和穩(wěn)定，性價比相對于其他比較的高。

通過各種UPS的供電系統的比較，建設比如銀行的災備中心的機房，最終確定的方案是使用2N的容量UPS，組成的機房則是分布式的冗余系統來為機房進行配電。這屬于比較靈活的一種系統的設置，不僅結構清晰而且線路的冗余度非常高，避免配電系統單點的故障問題。我們可以先從最終端的負荷開始計算，在確保冗余為前提的角度出發(fā)，一級級介紹系統。

系統中的每一個設備，都有兩路電源同時為設備提供電力，而且每路電源都能夠單獨的滿足設備的需求。雖然兩路電源同步，但是還是有區(qū)分和差別的，一路屬于常用電源，另一路則是作為備用。一旦，發(fā)生常用電源出現斷電現象或者是電源的質量滿足不了設備的需求時，設備立即選擇備用電源來獲得足夠的供電，從而確保了設備的運行連續(xù)。這兩路電源都由機房設置有的配電柜來提供的，機房的每組機柜配置兩臺的配電柜，每臺提供全組電能需求都沒有問題，就是通過他們來給機柜提供電源。一般的情況下，配電柜只為一半負荷供電，為另一半充當備用的電源。兩臺配電柜其中的任何一臺都同時由一對UPS的配出母線提供電源，經STS的轉換，實現電源即時的切換，最終就保證了配電柜的電源和輸出連續(xù)。每一對配出母線的電源都是由兩套UPS配電系統提供，兩套系統同時工作，每套都能滿足需求，在正常的情況下，各自承擔一半需求。

在往上，變壓器以及發(fā)電機輸送的電源最終經過自動切換裝置進行切換，供給UPS和公共的靜態(tài)以及手動的旁路柜[2]。兩臺UPS在一般的情況下，并聯提供電能，當電源發(fā)生故障時，UPS的自蓄電獲取直流電源并啟動發(fā)電機，并分析電源故障，爭取恢復外接電源的供應。如果外接電源一直無法恢復，或等待的時間超期，就會切換接入自身發(fā)電機組的電源為系統供電。任意UPS逆變器產生一些故障時，或者是負載過大時，系統還會自動的切換至旁路的交流電源輸入。這里面提到了蓄電池，蓄電池的電源只是為了確保UPS的電源不被間斷，保證在電源的轉換期間能夠維持連續(xù)的供電。以此為原則，通過綜合的考慮，系統的可操作性以及可靠性，同時按照蓄電池的機房面積以及蓄電池的造價等原因，該項目的蓄電池的供電時間設計能力為15分鐘。

該項目設計了兩座的UPS的機房，彼此之間是分開的，每一座的UPS布置了4套的1600千伏安UPS的電源。自機房里配出的電源借助母線向機房進行配電。項目的單臺機柜具有很大的容量，主要是7千瓦的容量，有的部分機柜的容量設計為10千瓦，由于機房機柜的數量很多，所以1600千伏安的容量只能供給一兩個機房。

另外，為同組設備供應的電源配電柜分別在機房的兩端，而且每臺同時被兩條母線提供電源，配電柜又一起向他的負載進行配電。配電柜一般通過機柜下面的線槽向機柜提供電力。還要滿足電路的零線對地的電壓不能超過1伏這一規(guī)定，需要在機房的配電柜內采用隔離變壓器的形式[3]。通過UPS所提供的電源就是三相三線，經過隔離變壓器的轉換之后就變成了三相四線，而且是帶零線的電源。這樣就減小了三次諧波造成的危害，降低了系統的造價，對于整個系統來說意義重大。

為了能夠真正的提高大型的數據系統配電的可靠性，對UPS整個的配電系統設置監(jiān)控的系統。將上級的電源監(jiān)控和UPS的監(jiān)控系統以及機房的配電柜的監(jiān)控系統進行聯網，以及對配電系統其他環(huán)節(jié)的監(jiān)控，能夠了解UPS配電系統的各種參數和狀態(tài)，對系統異常和故障狀態(tài)能夠及時掌握。這樣的設計，確保了容量有冗余，線路有冗余，避免了系統的單點故障�？捎眯�、可操作性、安全性非常高，各種設備故障情況下均能夠保證供電連續(xù)性，設備檢修維護也可以做到完全的電氣隔離，即使不小心產生人為的錯誤操作，都不會造成系統供電的中斷。也能夠及時知曉系統的異常情況。在配電系統的設計過程中，我們遇到了各種各樣的問題，有些問題直接制約了系統的結構形式[4]。比如設備通道的寬度、機房及走廊的層高、設備重量等，系統的造價也直接影響到系統的構成。

三、結束語

該項目的設計，過程中借鑒大量的其他人的經驗做法，在一些系統的形式上的取舍又結合了項目的本身的特點，進行了適當的調整，不足之處請不吝指教。

參考文獻

[1] Neil Rasmussen. Guidelines for Specification of Data Center Power Density .(APC White Paper120). http:///salestools/NRAN-69ANM9_R1_EN.Pdf: 2005, .

[2] Telecommunications Industry Association. 《Telecommunications Infrastructure Standard for DataCenters》 .ANSI/TIA-942-2005. U.S.A:

TELECOMMUNICATIONS INDUSTRY ASSOCIATIONStandards and Technology Department, .

[3] 姚向巍. 基于NGN的（浙江聯通）全網智能化應用研究[D]. 浙江大學, 2010 .

[4] B. Levy. The common capability approach to new service development[J]. BT Technology Journal, 2005,23(1) .

注：文章內所有公式及圖表請用PDF形式查看。