从可用性角度分析精密空调的配电形式

2019-01-14齐东明孙人杰

现代建筑电气 2018年12期

关键词：塔式可用性模块化

齐东明, 陈强, 孙人杰

[1.中国海诚工程科技股份有限公司, 上海 200031;2.生特瑞(上海)工程顾问有限公司, 上海 200355]

0 引言

近年来,数据中心的规模越来越大,机柜密度也越来越高,一旦制冷设备中断,IT设备会在短时间内因环境变化而引起故障或宕机。因此,对于冷冻水循环泵(或二次泵)、蓄冷循环泵、精密空调这些连续制冷设备,配电至关重要。

1 精密空调的配电形式

当A级数据中心中采用水冷或风冷形式时,精密空调的配置通常有以下4种常见形式[1-3]:采用双路冷源时,后端的精密空调为2N(此时的2N也可以用双盘管空调N+1或N+2代替);采用单路冷源,环形管网方式时,后端的精密空调为N+1或N+2;采用单路冷源,双供回水方式时,后端的精密空调为N+1或N+2;采用风冷系统时,后端的精密空调采用N+1或N+2的形式。

对于精密空调的配电,要求为空调设施提供电力供应的配电设备,不降低空调系统的性能[1-2];同时考虑节能实用的情况,通常采用一路不间断电源(UPS)回路与一路市电电源回路(市电与柴油发电机结合),末端进行双路切换的形式[1-5]。配电示意图如图1所示,未表示所有空调配电形式,为分析方便,只表示一种常见形式,精密空调的电源最终由末端空调配电箱提供。

对于后端的配电箱,当电源为一路“市电回路”和一路“UPS回路”时,从参考文献[6]可知,UPS的主路和旁路是否来自同一电源(市电),对于整体的可用性基本无差异。另一方面,空调配电与IT设备的配电不同,对供电质量的要求不像IT设备那样高,UPS会设置在旁路优先模式(ECO)下运行。因此,后续均采用图1的形式(UPS主路旁路来自同一电源,市电回路来自另一路电源)进行分析计算。

2 可用性模型及计算

在数据中心的基础设施中,用户追求的是设备正常运行的连续性,可以通过可用性来体现。以图1的配电形式为基础,UPS采用塔式UPS和模块化UPS,相对应的可用性分析框图分别如图2、图3所示[7](根据UPS配置的不同,会对UPS的表示符号和计算进行调整)。

图1 配电示意图

为叙述方便,将末端空调配电箱之前的带UPS的配电回路称为“UPS回路”;将末端空调配电箱之前的不经过UPS的回路称为“市电回路”。“UPS回路”对应的可用性为Aa,“市电回路”对应的可用性为Ab。那么对于末端空调配电箱的整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9。

主要系统或设备的可用性数据如表1所示[7]。

对于塔式UPS,单个整机(带静态旁路)可用性为A7,冗余或多台塔式机的可用性为A7.1;对模块化UPS,冗余或多个功率模块的可用性为A8.1,模块UPS组合件的可用性为A7.2,单个模块整机的可用性为A7.3,冗余或多台模块机的可用性为A7.4。其中,A7.3=A7.2A8.1。A8.1根据内部功率模块A8冗余的不同而不同。

图2 可用性分析框图1(塔式UPS)

图3 可用性分析框图2(模块化UPS)

图2、图3中,A1.1为交流输入电源的可用性,A1.2为UPS输入电源的可用性,A1.1=[1-(1-A1)(1-A2)]A3A4A5,A1.2=1-(1-A1.1)(1-A6)。将表1数据代入,则A1.1=0.999 381 919 38,A1.2=0.999 999 989 51。Ab值与A1.1相等;Aa值是A1.2与UPS整体可用性A7、A7.1或A7.4结合后再与A5串联。

表1 主要系统或设备的可用性数据

3 塔式机和模块机的可用性比较

对于图2和图3中的UPS回路,在A级数据中心的精密空调配电中,根据连续制冷设备用电量情况的不同,有如下4种常见情况:

(1) 情况1,采用塔式UPS 1台或1+1形式;采用模块化UPS 1台,其中模块形式为N+X,X常取1或2。

(2) 情况2,采用塔式UPS 2台或2+1形式;采用模块化UPS 2台,其中单个UPS的模块形式为N+X,X常取1或2。

(3) 情况3,采用塔式UPS 3台或3+1形式;采用模块化UPS 3台,其中单个UPS的模块形式为N+X,X常取1或2。

(4) 情况4,采用塔式UPS 4台或4+1形式;采用模块化UPS 4台,其中单个UPS的模块形式为N+X,X常取1或2。

对于图2、图3中的市电回路Ab的值,上述4种情况时不变,即Ab=A1.1=0.999 381 919 38。

某项目二次泵和精密空调的设备电量合计为720 kW,则对应的UPS总容量可选为900 kVA。假设选择UPS单机的容量为300 kVA,则对于静态UPS,可以选择3台300 kVA的塔式机,另再设1台冗余,即3+1的形式;也可以选择3台300 kVA的模块化UPS。对于大功率的模块化UPS,其中常见功率模块有20 kVA、30 kVA、40 kVA、50 kVA、100 kVA。若不考虑模块化UPS内部功率模块的冗余,300 kVA可以由10个30 kVA功率模块组成,也可以由6个50 kVA功率模块组成。

3.1 情况1的比较

对于情况1,可分为以下6种形式:形式a,塔式机1台;形式b,塔式机1+1;形式c,模块化UPS单台,内部功率模块采用6+1;形式d,模块化UPS单台,内部功率模块采用10+1;形式e,模块化UPS单台,内部功率模块采用6+2;形式f,模块化UPS单台,内部功率模块采用10+2。

3.1.1 形式a的可用性

UPS为塔式机单台,A7取为0.999 942 844 72。因此UPS回路的可用性Aa=A1.2A7A5=0.999 940 084 81。市电回路Ab=A1.1=0.999 381 919 38。Ab的值不变,后续余同。UPS回路与市电回路并联后,再与空调配电箱A9串联,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 296 298。

3.1.2 形式b的可用性

UPS为塔式机1+1的形式,则对于UPS系统的整体可用性A7.1=[1-(1-A7)2]=0.999 999 996 733。UPS回路的可用性为Aa=A1.2A7.1A5=0.999 997 236 665。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 331 622。

3.1.3 形式c的可用性

模块化UPS(6+1时)的整体可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 199 785。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 725。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.4 形式d的可用性

模块化UPS(10+1时)的整体可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 199 438。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 377。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.5 形式e的可用性

模块化UPS(6+2时)的整体可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 2。UPS回路的可用性为Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 94。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.6 形式f的可用性

在今后的探索过程中需要我们就如何准确地识别由其他结构软件(PKPM/YJK)文件类型转成的BIM软件文件类型的三维结构施工图进行完善。此外，在不改变工作流程的情况下尝试从编程程序方向对其文件类型识别进行探索，并使其审核内容更加全面，打破目前仅包括框架梁和框架柱的审核局面，进一步优化和完善该智能化审图技术。将该技术应用到设计阶段，与审图阶段形成合理且实用的模块对接，使设计工程师在进行结构设计的同时就可以自主审核，从而提高结构设计质量，保障结构设计安全。

模块化UPS(10+2时)的单台整体可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 2。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 94。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

情况1时的可用性数据如表2所示。其中,对于UPS的整体可用性,塔式机时为A7或A7.1,模块化UPS时为A7.3。

表2 情况1时的可用性数据

3.2 情况2的比较

对于情况2,可分为以下6种形式:形式a,塔式机2台;形式b,塔式机2+1;形式c,模块化UPS 2台,单机内部功率模块采用6+1;形式d,模块化UPS 2台,单机内部功率模块采用10+1;形式e,模块化UPS 2台,单机内部功率模块采用6+2;形式f,模块化UPS 2台,单机内部功率模块采用10+2。

3.2.1 形式a的可用性

塔式机2台共同承担负荷,因此对于“UPS回路”中的UPS可用性A7.1=A7A7=0.999 885 692 707。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.1A5=0.999 882 932 954。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 260 973。

3.2.2 形式b的可用性

采用塔式机2+1,同时坏2个的组合有3种,所以UPS的可用性A7.1=[1-(1-A7)2]3=0.999 999 990 2。UPS回路的可用性为Aa=A1.2A7.1A5=0.999 997 230 132。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 331 618。

单个模块化UPS(6+1时)的可用性A7.3=0.999 997 199 785,由于使用2台模块机共同承担,因此串联为A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 399 578。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 526。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

3.2.4 形式d的可用性

单个模块化UPS(10+1时)的可用性A7.3=0.999 997 199 438,由于使用2台模块机共同承担,因此串联为A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 398 883。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 638 83。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 162。

3.2.5 形式e的可用性

单个模块化UPS(6+2时)的可用性A7.3=0.999 997 2,由于使用2台模块机共同承担,因此串联为A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 4。UPS回路的可用性为Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 955。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

3.2.6 形式f的可用性

单个模块化UPS(10+2时)的可用性A7.3=0.999 997 2,由于使用2台模块机共同承担,因此串联为A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 4。UPS回路的可用性为Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 955。因此,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

情况2时的可用性数据如表3所示。其中,对于UPS的整体可用性,塔式机时为A7.1,模块化UPS时为A7.4。

表3 情况2时的可用性数据

3.3 情况3的比较

对于情况3,可分为以下6种形式:形式a,塔式机3台;形式b,塔式机3+1;形式c,模块化UPS 3台,单机内部功率模块采用6+1;形式d,模块化UPS 3台,内部功率模块采用10+1;形式e,模块化UPS 3台,内部功率模块采用6+2;形式f,模块化UPS 3台,内部功率模块采用10+2。

情况3时的可用性数据如表4所示。其中,对于UPS的整体可用性,塔式机时为A7.1,模块化UPS时为A7.4。

表4 情况3时的可用性数据

3.4 情况4的比较

对于情况4,可分为以下6种形式:形式a,塔式机4台;形式b,塔式机4+1;形式c,模块化UPS 4台,单机内部功率模块采用6+1;形式d,模块化UPS 4台,内部功率模块采用10+1;形式e,模块化UPS 4台,内部功率模块采用6+2;形式f,模块化UPS 4台,内部功率模块采用10+2。

情况4时的可用性数据如表5所示。其中,对于UPS的整体可用性,塔式机时为A7.1,模块化UPS时为A7.4。

表5 情况4时的可用性数据

4 UPS配置的选择

4.1 UPS配置的对比分析

从表2～表5可知,对于UPS的整体可用性(A7、A7.1、A7.3或A7.4)和UPS回路的可用性(Aa),当采用塔式机N+1的形式时,可用性最高。但多一台整机作为冗余备用,造价、耗能、维护、占用空间等方面都会增加较多负担。

采用相同数量N个整机UPS时,对于UPS的整体可用性(A7、A7.1、A7.3或A7.4)和UPS回路的可用性(Aa),模块化UPS高于采用塔式机。

由于需与市电回路Ab并联,且最后与空调配电箱A9存在串联,所以对于整体可用性A,采用塔式机N+1或采用模块化UPS的形式,只是略高于塔式机N的形式。

对于模块化UPS功率模块的选取,从表2～表5可知,采用N+1(如上述6+1或10+1)与N+2(如上述6+2或10+2)相比,可用性A基本相等。因此,在空调配电中,对于模块化UPS的功率模块,可不需采用N+2的冗余架构。

4.2 空调配置2N时的情况

某些特别重要的数据中心的空调配置会采用2N形式,对于配电UPS,并不需采用2N形式。以每路3台UPS的情况为例,假设2N时,每路UPS采用3台塔式机或3台模块机(功率模块6+1)。参考表4的计算结果,3台塔式机时,Aa=0.999 825 784 365,配电采用2N时,整体可用性A=[1-(1-Aa)(1-Aa)]A9=0.999 999 302 979;3台模块化UPS(单机功率模块选用为6+1)时,Aa=0.999 986 039 396,整体可用性A=[1-(1-Aa)·(1-Aa)]A9=0.999 999 333 135。上述分别与表4中形式a(A=0.999 999 225 651)、形式c(A=0.999 999 326 432)相比,差距很小。

因此,在空调配电中,UPS若采用2N形式,可用性并没有得到明显提高,这是因为与双电源IT设备不同,末端空调配电箱为单点故障。虽然两路UPS的可用性很高,但与单点故障串联后可用性优势并不明显。两套UPS系统也增加投资,加大系统能耗。而此时仍可采用一路市电回路和一路UPS回路相结合,不仅可节省一套UPS,也满足规范和实用的要求。在实际应用中,UPS此时也不采用2N形式。

4.3 模块化UPS的选择

模块化UPS具有易维护、高效节能、占用空间小、可在线扩容等优势,因此近年来使用份额逐年提升,更重要的是出现问题时不停机可以更换模块,很大程度上减少维修UPS的人为因素影响。在精密空调配电的UPS选择中,宜优先选择模块化UPS,其中功率模块采用N+1形式。而对于模块机整机,不需再像塔式机那样设置整机冗余,既能满足可用性的要求,又可方便后期维护检修,同时也没有增加配置[8-9]。