某国外大型IDC机房的电源系统建设方案分析

2012-07-17张博文何云龙江苏省邮电规划设计院有限责任公司江苏南京210006

通信电源技术 2012年5期

张博文，何云龙（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏南京210006）

0 引言

随着数据业务在东南亚国家的迅速发展，IDC机房的需求量越来越大，同时对数据机房的要求也越来越高。为了更好地满足客户对于机房供电保障性的要求，同时降低IDC机房造价，本IDC机房的供电设计采用了大量先进的设计理念和技术，在确保机房供电可靠性的前提下，尽量减少系统投资，同时提高UPS电源的系统效率。

1 供电系统单线图分析

在分析电源系统单线图之前有必要先介绍一下大楼的配电系统，如图1所示。目前大楼只有1路市电，机房大楼一共分为8层，每层楼都配有独立的低压配电室，低压配电室内分别设置了2套低压配电柜A和B，配电柜A和B分别从2个不同的变压器引接。油机通过ATS自动切换投入到各个楼层的低压配电系统。

UPS系统设置在大楼的第2层，UPS系统一共分为3套，UPS A＼UPS C＼UPS B。每套 UPS系统都由6台450 kVA的UPS单机并联组成，一共组成总容量为2700 kVA 的 UPS系统3套。其中 UPS A 和UPS B为主用，系统UPS C为备用系统。UPS最终组成2＋1备份。单独系统都按照满容量考虑即2700 kVA系统容量。

由于每台UPS系统的容量巨大，同时并联的数量之多。UPS的输入和输出配电需要特别的设计。以A套UPS系统的配电为例，UPS输入屏分为2×2500 A开关，输入屏内的母线也分为2段，每段分别负担3台UPS供电，输入屏总开关分别从楼层1和2的低压配电柜A套引接。引自同一个变压器。UPS输出屏的母排也用ACB开关将母联分隔成2段。其主要目的是为了维护的方便。配电屏要求按照英标的FOAM4标准进行装配。FOAM4装配要求是母排与开关全部隔离，最大程度确保安全。3套UPS系统经过同步处理后输出至楼层配电，楼层配电仍然分为A B C三个。配电列头柜经过STS切换（A与C切换，或者B与C切换），最后输入到服务器机架。

图1 电源系统单线图

2 系统先进性分析

系统具有如下先进性：

（1）UPS全部采用高频UPS主机，从而实现比工频UPS更高的效率。另外由于采用了EATON9395系列的UPS，UPS（包括旁路）的输入和输出可以不需要中性线。减少了大量的电缆使用，有效地降低了系统的投资。

（2）由于UPS输入屏到配电列头柜之前的电能传输全部实现了无中性线，因此所有配电屏内的中性排可以省去，进一步降低了配电屏的造价。

（3）在配电列头柜内部安装隔离变压器，通过三角形－星形连接产生中性线，以满足后端服务器单相电的需要。另外配合高频UPS使用，可以提高高频UPS的抗负载冲击，降低零地电压。与国内不同的是在配电列头柜内还安装了ELCB（漏电保护），同时整定到300 mA，在保护用户人生安全的同时，最大程度保障服务器的正常工作，如图2所示。

图2 配电列头柜单线图

（4）大楼接地系统重新设计，在机房内部分别设置保护接地，设备中线点接地，以及隔离变压器接地（图3）。

各接地功能如下：

图3 接地系统单线图

①保护接地（Frame Earthing）：通过铜带在机房内布放成网格，保护接地PE直接接到地上的铜带。

②隔离变压器接地（Isolation Transformer Neural Earthing）：连接精密配电柜内的隔离变压器星型中性点，以防止零点偏移。

③设备中性点接地（Equipment Neutral Earthing）：例如空调配电屏内的中性线，可以直接从设备中性点接地排上引接，而不需要再从上级的配电屏内引接，可以减少电缆的使用量。

3 系统容错能力分析

由于采用了6台UPS并机组成系统，系统之间2＋1备份的工作模式，系统的安全性和可靠性是非常值得考虑的。按照系统满负载情况（UPS系统A和系统B都处在满载的情况），根据可能出现故障的几个方面分别分析系统的容错能力。

（1）配电屏故障

配电屏故障主要需要考虑总输入开关故障，单机UPS输入开关故障，单机UPS输出开关故障这三种情况。

总输入故障：UPS输入屏内任何一个总输入脱扣，对应的3台UPS的电池将放电，当电池放电结束后，另外3台UPS系统无法承担满载时的负载，系统内的6台主机将全部切到旁路。

单机输入开关故障：UPS系统会超载然后切换到旁路。

单机输出开关故障：UPS系统会超载然后切换到旁路。

（2）UPS系统故障

UPS系统故障主要考虑整流器和逆变器故障，在这两种情况下系统都将会超载而切换到旁路。

因此如果UPS系统工作在满载的情况下，任何一个部件出现问题，那么系统便会切换到旁路。因此STS以及UPS系统C的存在显得非常的重要，有必要分析STS系统的可靠性和切换条件。

在正常工作情况下UPS系统A、B和C都是同步的，因此STS在这种情况下切换没有任何问题。主要问题是出现在系统A或者B处在旁路的工作条件下STS是否可以完成不掉电切换。STS判断系统可否不掉电切换的最主要因素是电压的相位角不能超过一定范围（本案例是30°）。在正常工作情况下系统C作为主用，A和B都是追踪C的相位和幅值来实现同步的，但是在A或者B分别工作在旁路的情况下，A和C或者B和C将无法实现追踪。因此市电与变压器成为决定STS是否可以不掉电切换的决定因素。本案例中变压器全部是采用同一厂家，同一型号，同一批次的变压器而且引自同一路市电，另外从低压配电到UPS输入之间全程采用的都是封闭密集母线，因此在设计阶段和后来的实际测试阶段发现，不同变压器之间的电压相位差很小，满足30°角的要求。因此即便没有UPS系统间的同步控制功能，STS也能实现不掉电切换。这个便是本设计中STS的关键部分。无论任何一个UPS系统处在旁路的工作条件，STS已经准备就绪，如果再发生任何故障，系统A或者B的负载将全部切换到备份系统上。

如果按照本方案的最高保障程度，对于单台双路输入的服务器来说，电源是分别从UPS A和UPS B两套系统分别引接，C系统提供备份。相对于国内常见的双母线供电方式，本方案能提供更高的系统保障性。