探討大型數(shù)據(jù)中心電源與UPS配電系統(tǒng)的設計

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

關鍵詞 大型數(shù)據(jù)中心機房；UPS配電系統(tǒng)；可靠性；容量規(guī)模；冗余制約

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一、項目簡介

本文通過介紹大型數(shù)據(jù)中心項目的UPS配電系統(tǒng)，來介紹數(shù)據(jù)中心的電源和配電系統(tǒng)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(shù)據(jù)管理中心，為他提供用電的系統(tǒng)必然要求極高，不僅是供電系統(tǒng)的構(gòu)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(tǒng)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(diào)以及空調(diào)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(tǒng)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(tǒng)設計

下面主要結(jié)合機柜的配電系統(tǒng)的設計，論述約束的系統(tǒng)設置和提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換式的UPS配電系統(tǒng)為大型的數(shù)據(jù)中心提供電源是不需要質(zhì)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(gòu)成系統(tǒng)的規(guī)模又要有多大，還要確定系統(tǒng)的形式等問題[1]。一個系

統(tǒng)稱得上合理與可靠，一定規(guī)模是適中的，構(gòu)成是簡單的，而且系統(tǒng)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(nèi)的交流電。

所以首先需要確定的就是系統(tǒng)的規(guī)模和形式以及基本UPS的單元容量。根據(jù)以往的經(jīng)驗和一些供貨商主要產(chǎn)品的規(guī)格，一個合適的方案是使用800千伏安UPS并聯(lián)最終架構(gòu)構(gòu)成1600千伏安的UPS供電系統(tǒng)，這樣的規(guī)模與數(shù)據(jù)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(lián)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(shù)量，而且系統(tǒng)的構(gòu)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(chǎn)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(jīng)成為一種主流的產(chǎn)品而且產(chǎn)品也已經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)來為機房進行配電。這屬于比較靈活的一種系統(tǒng)的設置，不僅結(jié)構(gòu)清晰而且線路的冗余度非常高，避免配電系統(tǒng)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(tǒng)。

系統(tǒng)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(xiàn)斷電現(xiàn)象或者是電源的質(zhì)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(jīng)STS的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)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(tǒng)提供，兩套系統(tǒng)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(jīng)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(lián)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(tǒng)供電。任意UPS逆變器產(chǎn)生一些故障時，或者是負載過大時，系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)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(nèi)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(jīng)過隔離變壓器的轉(zhuǎn)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(tǒng)的造價，對于整個系統(tǒng)來說意義重大。

為了能夠真正的提高大型的數(shù)據(jù)系統(tǒng)配電的可靠性，對UPS整個的配電系統(tǒng)設置監(jiān)控的系統(tǒng)。將上級的電源監(jiān)控和UPS的監(jiān)控系統(tǒng)以及機房的配電柜的監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，以及對配電系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)的監(jiān)控，能夠了解UPS配電系統(tǒng)的各種參數(shù)和狀態(tài)，對系統(tǒng)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(tǒng)的單點故障�？捎眯浴⒖刹僮餍�、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(chǎn)生人為的錯誤操作，都不會造成系統(tǒng)供電的中斷。也能夠及時知曉系統(tǒng)的異常情況。在配電系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的造價也直接影響到系統(tǒng)的構(gòu)成。

三、結(jié)束語

該項目的設計，過程中借鑒大量的其他人的經(jīng)驗做法，在一些系統(tǒng)的形式上的取舍又結(jié)合了項目的本身的特點，進行了適當?shù)恼{(diào)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(lián)通）全網(wǎng)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(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。