大型数据中心U PS配电架构浅析

李燕

（优刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

数据中心供配电系统的连续性、稳定性，直接影响数据中心IT设备的稳定运行。连续供电是数据中心所有设备用电最为显著的特点之一，同时也决定着数据中心的安全和服务能力。UPS电源系统是数据中心的核心动力系统，对保证数据中心的安全可靠运行起着至关重要的作用。

2 静态双变换式U PS系统

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，A级数据中心UPS系统配置宜为2N。2N配置的供电方案可有双母线、三母线及四母线。

2.1 双母线供电方案

目前，IDC数据中心基本均采用双母线供电方案，由2套独立的UPS系统、同步控制器、输入输出配电屏组成。每套UPS系统的基本容量可按式（1）计算：

式中，E为不间断电源系统的基本容量，不包含备份不间断电源系统设备，kV·A；P为电子信息设备的计算负荷，kV·A。

系统正常时，2套母线系统各自带40%的负载，当2N系统中任一台UPS故障时，负载可依然由双母线供电，当其中一条母线系统出现断电故障或检修维护时，负载将由剩余的一条母线供电。本文分析几种典型的2N双母线供电系统架构，并对系统中断路器的配置给出建议。

图1为某大型IDC机房的配电架构图。在该配电架构中，低压侧设置母联，与2个进线开关做互锁，保证任何时刻仅有2个开关闭合；UPS输入侧通过框架开关ACB1引至UPS输入屏，设置手动外部维修旁路，UPS输出侧通过ACB2接至输出屏母排。该种配电架构有几个缺陷，分析如下。

2.1.1 存在单点故障

输入侧通过框架开关ACB1引至UPS输入屏，可节省低压配电柜的数量，此种形式比较适用于低压配电室和UPS配电室分开设置的情况。当输入侧开关ACB1出现故障时，会导致单路断电。在低压配电室和UPS配电室合用的情况下，可尽量采用低压柜直接输入给UPS，UPS输出侧直接接至输出屏母排上。

图1 某数据中心配电架构一

2.1.2安全防护问题

母联开关采用3P，在电源转换时N线不断开。大型IDC数据中心低压接地形式基本采用TN-S或TN-C-S系统，依据GB 16895.10—2010《低压电气装置第4-44部分：安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》，在TN系统中，当需要用开关电器将一个电源转换到另一个替换电源时，此开关电器应转换线导体和中性导体。A级数据中心容错配置的变配电设备应分别布置在不同的物理隔间内。若容错配置的配电室相隔一定距离，正常运行时，2个不同步电源的中性点存在瞬时电位差，当一台变压器失电时，母联开关不断开N线，正常变压器通过N线使失电变压器带电，可能会引起不期望的环流。若容错配置的配电室相邻，且做等电位连接，则2台变压器中性点的接地点为同一个，中性线上没有电压差，即使电源转换时不断开中性线，不会存在环流问题。

2.1.3 运维的方便性

该配电架构中，低压母联在一侧设置开关，比较适用于互为备用的配电设备设置在同一个配电室内。按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》的要求，A级数据中心容错配置的变配电设备应分别布置在不同的物理隔间内，从运维方便性和安全防护性考虑，宜分别在2段母线上均设置开关，可将一侧设置为断路器，另一侧设置为负荷开关，与低压侧的2个主进开关做电气连锁。经上述分析，调整后的配电架构如图2所示。

图2 某数据机房双母线2N配电架构二

2.2 三母线、四母线供电方案

双母线供电方案通过冗余1整套系统来提高供电可靠性和在线维护的方便性。在整个数据中心的生命周期，双母线系统初始投资最高，设备运行能耗最大。三母线供电系统是双母线供电系统的一种变异形式，采用3套独立的UPS系统，两两配合负担全部的IT负载，单套UPS的负载率最高可到66%。但该系统的供电系统比双母线复杂，负载需等分为3份才可以满足3套UPS系统的均衡性，且在线运维也比较复杂，虽然可节省一部分初始投资，在实际项目中应用较少。

文献[1]提出了一种四母线供电方案，包含4套独立的UPS系统和4条母线，负载均分成6组。每套UPS系统同时向3组负载供电，每组负载同时从2套UPS系统接入。正常情况下，每套UPS系统带载3组负载的一半负荷，为总负荷的1/4，考虑到UPS需考虑一定的冗余系数，每套UPS系统的容量至少为总负荷的1/3，即最大负载率可到75%。当一套UPS系统出现故障时，由其他3套UPS系统带载全部IT负荷，此时有3组负载为单电源。四母线的供电方案比三母线更为复杂，虽然节省了初始投资，配电拓扑的复杂性和负载需要严格分配，会降低配电系统的可用度，同时也会导致后期运维成本的增加，在实际大型IDC数据机房中可应用性较低。

3 动态U PS系统

3.1 飞轮储能U PS系统

双母线供电方案是当前国内数据中心普遍采用的一种系统，应用静态双变换式UPS和储能蓄电池作为数据中心的备用电源，初期投资较大，系统损耗比较高。近些年，国外数据中心广泛采用的飞轮UPS和动态UPS供电技术引起国内关注和初步试点应用研究。

飞轮UPS技术是一种采用磁悬浮飞轮储能技术的在线互动式UPS电源系统。其工作原理为：市电正常时，由市电直接向负载供电，同时，利用飞轮装置储存机械能；在市电异常情况下，UPS将存储在飞轮内的机械能转换为电能，向负载供电，同时在规定的时间内启动备用发电机，转为发电机向负载供电。一旦市电恢复正常，则立即切换到由市电向负载供电。飞轮UPS技术降低了蓄电池故障导致的供电可靠性隐患，节省了蓄电池的占地空间，比传统静态UPS系统节能环保，但初期投资约为传统静态UPS系统的1.5倍，后备保障时间较短，需要后备发电机有快速响应能力，通常在15s以内，目前在国内处于试用研究阶段。

3.2 柴油耦合动态U PS系统

柴油耦合动态UPS系统是将飞轮UPS和柴油发电机组合在一起的动态UPS系统，主要由柴油发电机、飞轮储能装置、电磁离合器、电动机-发电机组、扼流线圈等组成。其工作原理为：市电正常工作模式下，市电提供负载的有功功率，M/G电动机-发电机组提供负载的无功功率，同时负责稳压稳频，扼流线圈负责隔离输入输出侧谐波，飞轮以3300r/min旋转储存机械能，离合器处于分开状态；市电停电模式下，M/G电动机-发电机组以1500r/min的转速一直旋转，提供负载的无功功率，飞轮由3300r/min的转速逐步降低释放机械能转换为电能，负担负载的有功功率。当飞轮的转速降低至一定门限值后，引擎启动，当引擎达到1500r/min后，离合器自动将M/G电动机-发电机和引擎相连，之后由引擎驱动M/G电动机-发电机工作，给负载供电，同时引擎通过M/G电动机-发电机给飞轮充电。

德国Piller研发了一种配置隔离并联母线IP-BUS系统的电耦合柴油UPS方案，简称DeRUPS技术，并在Telehouse法兰克福数据中心得到很好的应用。该方案采用N+1冗余的UPS系统，并得到T4认证，其工作原理为：

1）正常模式下，每组负载通过其相连的UPS供电。当负载均衡的时候，IP扼流线圈上没有电流流过；当负载不均衡的时，若某台UPS的负载率超过系统的平均负载率时，其所带载的负荷将通过IP总线向其他UPS分流部分负载，如图3所示，UPS2向其他15组UPS各分流1%，其负载率降低至95%，其他15组UPS的负载率由80%增长至81%；若某台UPS的负载率小于系统的平均负载率时，其他UPS系统可通过IP总线向该UPS分流部分负载，从而使各UPS的负载率基本平衡，如图4所示，由其他15个UPS系统分别分流2%的负载，UPS2的负载率由40%增长到70%，实现各UPS系统之间负载率的均衡性。

2）当其中一套UPS装置出现故障时，其所带载的IT负荷将经过IP总线由其余的UPS装置带载，故障UPS装置可从整个系统中隔离出来，末端负载不会受到影响。

图3 单台U PS装置负载过载情况

图4 单台U PS装置负载 过低情况

4 结语

本文分析了实际项目案例的双母线UPS配电系统的缺陷，并给出了设计建议，分析了由双母线系统演变的三母线和四母线配电架构的优劣和适应性。对动态UPS系统做了简要的分析，柴油耦合动态UPS系统已在国外数据中心中得到很好的应用，国内数据中心尚且处于试验研究阶段，随着绿色数据中心的倡导，及动态UPS产业和服务的完善，希望在国内数据中心中得到一定程度的应用。