某数据中心机房UPS供电系统改造设计及其可用性分析

2011-08-08陈金銮福建省建筑工程施工图审查中心福州350001

智能建筑电气技术 2011年5期

陈金銮（福建省建筑工程施工图审查中心，福州 350001）

1 概述

某数据中心机房设在大楼二层，数据中心总配电间设在一层。根据《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008（以下简称《规范》）机房分级规定及性能要求，本机房为B级电子信息系统机房。机房场地设施按冗余系统配置，系统运行期间，场地设施在冗余能力范围内，不应因设备故障而导致系统运行中断。由于数据业务发展的需要，机房增加了服务器、路由器、交换机、磁盘阵列等数据设备，机房数据设备的计算负荷达到90 kVA，原有单总线UPS供电系统冗余供电容量不足。设计一套UPS供电系统，系统冗余供电容量大于90 kVA，系统可用性高于0.99999，合理利用原UPS设备，达到系统运行安全可靠、技术先进、经济合理是改造设计的主要目标。

2 原有UPS供电系统

现有UPS供电系统由交流供电系统、“1+1”UPS系统及各级配电单元子系统组成单总线UPS供电系统，系统框图见图1。UPS供电系统的机房配电单元（PDU）布置在二层机房内，其余设备均布置在一层总配电间内。

图1 “1+1”单总线UPS供电系统框图

由大楼10/0.4kV变电所I段母线和应急母线提供两路125A的电源回路并在总配电间自动切换，把交流供电系统输出的电源经输入配电单元给UPS系统供电，UPS系统输出电源经输出配电单元给机房配电单元（PDU）供电。现有UPS系统由两台40 kVA的UPS单机设备配置成“1+1”并机冗余系统，UPS供电系统最大冗余供电容量为40kVA，不能满足机房增加数据设备后总负荷的供电要求，必须进行全面的扩容改造。

3 UPS系统设计

UPS系统设计是机房UPS供电系统设计的核心内容，根据《规范》第8.1.1条规定，B级机房UPS系统配置应选用“N+X”并联或串联冗余系统，首选“N+1”并机冗余系统。

3.1 “N+1”并机系统

“N+1”并机系统是把（N+1）台型号规格相同且具有并机功能的UPS设备，由并机逻辑控制总线调控，在单机的输出处于电压幅度相同、输出频率和相位相同的条件下并机，系统有1台UPS设备冗余。系统正常工作时由（N+1）台UPS设备向负载供电，（N+1）台UPS设备平均分配负载电流。当1台UPS设备出现故障时，在并机控制信号的调控下，该故障UPS设备自动退出，由N台UPS设备继续向负载供电。

根据“N+1”系统可用性模型，当N=1，“N+1”系统即为“1+1”系统，系统可用性A1+1=[1-(1-AU)2]，其中AU为单机UPS的可用性。当N＞1，“N+1”系统可用性是N×(N+1)/2个“1+1”系统可用性的乘积。根据UPS设备整机可靠性统计数据资料，带静态旁路UPS 设备（主机）可用性AU=0.99994883941，“N+1”系统并机台数、设备利用率及系统可用性计算结果见表1。

由上述分析，“N+1”并机系统配置应考虑以下要点：

1）并机台数增加，系统可用性下降，设备利用率提高，系统配置必须满足系统可用性的基本要求。UPS系统可用性指标由UPS供电系统总体分配确定。

2）在满足系统可用性要求的前提下，选用设备利用率高的系统，即先确定“N+1”系统并机台数，再根据UPS系统基本容量要求确定单机容量。对于利用原有UPS设备的改造工程设计，UPS设备单机容量已定，按UPS系统基本容量要求确定并机台数，应校验UPS系统可用性能否满足要求。

3）“N+1”系统是在并机逻辑控制总线调控下正常运行的，并机台数增多、系统失调风险加大。在高可用性系统中，并机台数不宜多于4台。

4）“N+1”系统有分散式旁路和集中式旁路两种旁路方式。集中式旁路不存在旁路均流问题，系统并机环流比较容易控制，但存在单点瓶颈故障。

3.2 配置设计

原有UPS系统选用两台容量40 kVA隔离双变换在线式UPS单机设备配置成“1+1”并机冗余系统。UPS单机设备选型及系统配置方式，具有运行安全可靠、技术先进、经济合理且扩容方便的优点。扩容设计的UPS系统配置采用“N+1”并机冗余方式，原有两台UPS设备经测试，具备与型号规格相同的UPS设备并机条件，应加以利用。“N+1”系统并机台数确定如下：

根据《规范》第8.1.7条规定，UPS系统基本容量E与数据设备计算负荷P应满足下式要求：

取N=3，即应配置4台UPS设备组成“3+1”并机冗余系统，其基本容量才能满足负荷供电要求。利用原有两台UPS设备，需另配置两台型号规格相同的UPS设备。表1计算结果显示，“3+1”UPS系统可用性0.99999998428，设备利用率0.75。

原有“1+1”冗余系统为两台UPS设备分散式旁路，改造后新旧UPS设备并机的“3+1”冗余系统，采用集中式旁路的方案，能够有效解决旁路均流问题，系统的并机环流也容易得到控制。由于2V蓄电池组寿命长、单体容量大且机房安装条件容许，选用2V蓄电池，按行业内部规定电池组后备时间30min。

“3+1”UPS系统线缆数量较多且密集，通过优化UPS主机柜及蓄电池柜的布置方案，各台设备输出的L、N、PE线缆沿独立的敷设路径独立连接至公共母排装置上。这种线缆连接方案中，当一台UPS设备检修、维护时，不影响其他UPS设备的运行，也不影响设备接地的完整性。“3+1”UPS系统设置手动维护旁路仍是不可缺少的重要功能，UPS系统接线原理图见图2。

图2 “3+1”UPS 系统接线原理图

4 交流供电系统

数据中心的数据设备负荷及空调负荷均为一级负荷中特别重要负荷，改造后特别重要负荷容量明显增加，另设1台200kW的柴油发电机组作为数据中心UPS供电系统及新增空调系统的应急电源。大楼变电所提供两路250A的电源回路并在总配电间自动切换，自动切换输出的电源回路与发电机组应急电源回路再次自动切换输出一个可靠的电源。

表1 “N+1”系统并机台数、设备利用率及系统可用性

选择自动切换开关电器（ATSE）首先要考虑其安全可靠性。应选用一体化结构PC级、带有延时型的ATSE产品，并按《规范》第8.1.16条规定，选用具有旁路功能的旁路隔离型或旁路抽出型ATSE产品，实现检修时不长时间停电。在交流供电系统输出母线应安装符合Ⅰ级分类试验的浪涌保护器。

根据有关可用性统计数据及并联冗余系统可用性计算公式，变电所提供的两路低压电源可用性A1=0.99879779101，柴油发电机电源可用性A2=0.9999283619，自动切换开关可用性A3=0.99994378043。变电所提供两路低压电源自动切换后的电源可用性A4=[1-(1-A1)2]×A3，该电源与柴油发电机电源再次自动切换后的电源可用性Ai=[1-(1-A4)×(1-A2)]×A3，计算得交流供电系统可用性Ai=0.99994377630。

5 输入和输出配电单元

输入配电单元把交流供电系统输出的电源分配给UPS系统的各台UPS主机以及公共旁路，各台UPS主机输入回路电流按UPS额定输出电流的1.2～1.25倍考虑，并选择配电回路断路器，输入配电单元应适当预留备用配电回路。输出配电单元把UPS系统的输出电源分配给机房配电单元（PDU），输出配电单元应适当预留备用配电回路。输入和输出配电单元应安装符合Ⅱ级分类试验的浪涌保护器。

6 机房配电单元（PDU）

机房配电单元（PDU）是数据中心机房UPS供电系统的最末一级配电单元，其主要功能是隔离、分配、控制和监视由UPS输出配电单元输出的交流电源，并为机房数据设备提供高品质、高可靠、高抗干扰的电源。机房PDU应选用符合工业标准的产品，确保机房数据设备供电的可靠性、安全性。机房PDU应安装符合Ⅲ级分类试验的浪涌保护器。

PDU包括一个静电屏蔽隔离变压器，为干式、双屏蔽、三相、对流气冷式，其产品应符合UL1561标准。静电屏蔽隔离变压器不仅解决了屏蔽隔离抗干扰问题，其次级Y型绕组中性点的重复接地，也有效地解决了负载端零地电压问题，为数据设备的电源安全稳定性提供有力的保障。《规范》规定电子信息设备供电电源的零地电压应小于2V,有的服务器设备服务商要求机房电源的零地电压小于1V, 零地电压是机房电源安全重要的测试指标之一。

7 系统可用性分析与总结

改造后机房UPS供电系统是由交流供电系统、“3+1”UPS系统及各级配电单元子系统组成的单总线UPS供电系统，系统可用性分析模型见图3。交流供电系统输出的一路电源与UPS蓄电池电源组成并联冗余系统给UPS主机供电，假定各配电单元的可用性相同，UPS供电系统可用性是各个串联子系统的乘积，其计算式表示为：

A=［1-(1-Ai×Ap)×(1-Ae)］×Aus×Ap×Ap

其中Ai=0.99994377630（交流供电系统可用性）

Ap=0.99999725042（配电单元可用性）

Ae=0.99998303088（UPS电池可用性）

Aus——UPS系统可用性

不同配置的UPS系统及其单总线供电系统可用性计算结果见表2。