探討大型數(shù)據(jù)中心電源與UPS配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要本文主要結(jié)合數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)的一些實(shí)例，詳細(xì)介紹了UPS配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的體會(huì)。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(duì)配電系統(tǒng)的監(jiān)控問(wèn)題，同時(shí)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成。

關(guān)鍵詞 大型數(shù)據(jù)中心機(jī)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(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文通過(guò)介紹大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的UPS配電系統(tǒng)，來(lái)介紹數(shù)據(jù)中心的電源和配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文提到的項(xiàng)目建有近一萬(wàn)平米的機(jī)房，其中，機(jī)柜的安裝容量大約在7000千瓦，絕對(duì)稱得上是符合要求的并且可靠性極高的機(jī)房，該項(xiàng)目承擔(dān)著非常重要的信息，并且負(fù)責(zé)對(duì)這些信息的存儲(chǔ)、運(yùn)算等處理作用，是一個(gè)企業(yè)的運(yùn)作基礎(chǔ)，也是控制中心。對(duì)這樣一個(gè)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(shí)要保證連續(xù)性，就是能夠?yàn)橹行奶峁┻B續(xù)的并且穩(wěn)定的供電，不能因?yàn)橐恍┩獠恳蛩卦斐上到y(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(xiàng)目的所有的機(jī)柜和機(jī)房中那些精密的空調(diào)以及空調(diào)的前端設(shè)備等對(duì)供電要求較高，在加上機(jī)房的照明還有監(jiān)控的監(jiān)控設(shè)備都要求供電系統(tǒng)具有極高穩(wěn)定性。所以對(duì)于機(jī)房的選址非常的重要，應(yīng)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(yīng)要求具有超強(qiáng)的穩(wěn)定的，供電歷史要求沒(méi)有發(fā)生過(guò)大的事故，確保能夠?yàn)橹行奶峁┮粋�(gè)穩(wěn)定的電源，可以將這個(gè)市電作為中心機(jī)房主供電電源，同時(shí)能夠提供兩路來(lái)自不同電源供電的線路。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下面主要結(jié)合機(jī)柜的配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論述約束的系統(tǒng)設(shè)置和提高系統(tǒng)供電的可靠性。作為比較重要的一個(gè)大型設(shè)備的機(jī)房，擁有自身獨(dú)立的發(fā)電機(jī)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(dòng)力的發(fā)電機(jī)房，為數(shù)據(jù)中心提供可靠的備用電源。建設(shè)這樣一個(gè)柴油的發(fā)電機(jī)組主要考慮到設(shè)置冗余，當(dāng)其中的某臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的時(shí)候，這臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷可以從另組發(fā)電機(jī)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(fù)雜性的。我們?cè)僭O(shè)計(jì)供電時(shí)首先要進(jìn)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(wèn)題[1]。一個(gè)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(jiǎn)單的，而且系統(tǒng)的部件要絕對(duì)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(fù)載能夠提供無(wú)干擾，而且幅值以及頻率都嚴(yán)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(yàn)和一些供貨商主要產(chǎn)品的規(guī)格，一個(gè)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(yīng)，我們認(rèn)為比較的合適。因?yàn)檫@樣首先只需要兩臺(tái)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?yàn)檫@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(jiǎn)化。對(duì)上級(jí)的電源要求也能夠滿足，當(dāng)今的變壓器和發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品是完全能夠信得過(guò)的。因?yàn)?00千伏安的UPS對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)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(jià)比相對(duì)于其他比較的高。

通過(guò)各種UPS的供電系統(tǒng)的比較，建設(shè)比如銀行的災(zāi)備中心的機(jī)房，最終確定的方案是使用2N的容量UPS，組成的機(jī)房則是分布式的冗余系統(tǒng)來(lái)為機(jī)房進(jìn)行配電。這屬于比較靈活的一種系統(tǒng)的設(shè)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(diǎn)的故障問(wèn)題。我們可以先從最終端的負(fù)荷開(kāi)始計(jì)算，在確保冗余為前提的角度出發(fā)，一級(jí)級(jí)介紹系統(tǒng)。

系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備，都有兩路電源同時(shí)為設(shè)備提供電力，而且每路電源都能夠單獨(dú)的滿足設(shè)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(shè)備的需求時(shí)，設(shè)備立即選擇備用電源來(lái)獲得足夠的供電，從而確保了設(shè)備的運(yùn)行連續(xù)。這兩路電源都由機(jī)房設(shè)置有的配電柜來(lái)提供的，機(jī)房的每組機(jī)柜配置兩臺(tái)的配電柜，每臺(tái)提供全組電能需求都沒(méi)有問(wèn)題，就是通過(guò)他們來(lái)給機(jī)柜提供電源。一般的情況下，配電柜只為一半負(fù)荷供電，為另一半充當(dāng)備用的電源。兩臺(tái)配電柜其中的任何一臺(tái)都同時(shí)由一對(duì)UPS的配出母線提供電源，經(jīng)STS的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電源即時(shí)的切換，最終就保證了配電柜的電源和輸出連續(xù)。每一對(duì)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(shí)工作，每套都能滿足需求，在正常的情況下，各自承擔(dān)一半需求。

在往上，變壓器以及發(fā)電機(jī)輸送的電源最終經(jīng)過(guò)自動(dòng)切換裝置進(jìn)行切換，供給UPS和公共的靜態(tài)以及手動(dòng)的旁路柜[2]。兩臺(tái)UPS在一般的情況下，并聯(lián)提供電能，當(dāng)電源發(fā)生故障時(shí)，UPS的自蓄電獲取直流電源并啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，并分析電源故障，爭(zhēng)取恢復(fù)外接電源的供應(yīng)。如果外接電源一直無(wú)法恢復(fù)，或等待的時(shí)間超期，就會(huì)切換接入自身發(fā)電機(jī)組的電源為系統(tǒng)供電。任意UPS逆變器產(chǎn)生一些故障時(shí)，或者是負(fù)載過(guò)大時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)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(guò)綜合的考慮，系統(tǒng)的可操作性以及可靠性，同時(shí)按照蓄電池的機(jī)房面積以及蓄電池的造價(jià)等原因，該項(xiàng)目的蓄電池的供電時(shí)間設(shè)計(jì)能力為15分鐘。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兩座的UPS的機(jī)房，彼此之間是分開(kāi)的，每一座的UPS布置了4套的1600千伏安UPS的電源。自機(jī)房里配出的電源借助母線向機(jī)房進(jìn)行配電。項(xiàng)目的單臺(tái)機(jī)柜具有很大的容量，主要是7千瓦的容量，有的部分機(jī)柜的容量設(shè)計(jì)為10千瓦，由于機(jī)房機(jī)柜的數(shù)量很多，所以1600千伏安的容量只能供給一兩個(gè)機(jī)房。

另外，為同組設(shè)備供應(yīng)的電源配電柜分別在機(jī)房的兩端，而且每臺(tái)同時(shí)被兩條母線提供電源，配電柜又一起向他的負(fù)載進(jìn)行配電。配電柜一般通過(guò)機(jī)柜下面的線槽向機(jī)柜提供電力。還要滿足電路的零線對(duì)地的電壓不能超過(guò)1伏這一規(guī)定，需要在機(jī)房的配電柜內(nèi)采用隔離變壓器的形式[3]。通過(guò)UPS所提供的電源就是三相三線，經(jīng)過(guò)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(jià)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(duì)UPS整個(gè)的配電系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控的系統(tǒng)。將上級(jí)的電源監(jiān)控和UPS的監(jiān)控系統(tǒng)以及機(jī)房的配電柜的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以及對(duì)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(duì)系統(tǒng)異常和故障狀態(tài)能夠及時(shí)掌握。這樣的設(shè)計(jì)，確保了容量有冗余，線路有冗余，避免了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。可用性、可操作性、安全性非常高，各種設(shè)備故障情況下均能夠保證供電連續(xù)性，設(shè)備檢修維護(hù)也可以做到完全的電氣隔離，即使不小心產(chǎn)生人為的錯(cuò)誤操作，都不會(huì)造成系統(tǒng)供電的中斷。也能夠及時(shí)知曉系統(tǒng)的異常情況。在配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們遇到了各種各樣的問(wèn)題，有些問(wèn)題直接制約了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式[4]。比如設(shè)備通道的寬度、機(jī)房及走廊的層高、設(shè)備重量等，系統(tǒng)的造價(jià)也直接影響到系統(tǒng)的構(gòu)成。

三、結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，過(guò)程中借鑒大量的其他人的經(jīng)驗(yàn)做法，在一些系統(tǒng)的形式上的取舍又結(jié)合了項(xiàng)目的本身的特點(diǎn)，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不足之處請(qǐng)不吝指教。

參考文獻(xiàn)

[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(yīng)用研究[D]. 浙江大學(xué), 2010 .

[4] B. Levy. The common capability approach to new service development[J]. BT Technology Journal, 2005,23(1) .

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