大型数据中心机房采用交叉冗余式的UPS双总线输出供电系统（上）.doc

大型数据中心机房采用交叉冗余式的UPS双总线输出供电系统（上）编者按:本文结合某大型数据中心实际案例,将分三期详尽分析可利用率达99.999999%的2N+1型的交叉冗余式UPS双总线输出供电系统的设计方案及其风险评估,系统配置和性价比.为尽可地提高性价比,在大型数据中心机房的设计中,推荐选用2N+0型的交叉冗佘式的UPS双总线输出的供电系统.某数据中心大楼的设计规划为:用于安装IT机柜和网络机柜的数据中心机房被设置在13层,每层机房的建筑面积约3000m.用于安装UPS设备和备用电池的机房被设置在大楼的底层,其总面积为1200m2左右.对于UPS机房而言,所设计的地面荷载能力为1700kg/m左右.数据中心大楼的数据中心机房面积大约10000m,大楼的抗震强度等级为8级.一,数据中心用UPS双总线供电系统的设计要求及风险评估根据该数据中心所提供的机房UPS供电系统的技术需求,我们在推荐UPS双总线输出供电系统的设计方案时,应遵循如下设计原则:1,大型数据中心机房用UPS供电系统设计原则首先,UPS供电系统要确保机房中各IT设备始终都处于设备安全,数据安全和业务连续性的高可利用率的运行状态下.该数据中心是按照美国TIA一942标准中的Tier4标准和我国国家标准电子电子信息系统机房设计规范(GB501742008)中的A级机房标准进行设计的.我们希望它的UPS供电系统的可利用率达到99.999999%的水平(每l0年中可能发生的停电几率仅为3.15秒左右).这种UPS供电系统应满足:在任何情况下(包括:供配电设备出故障,有计划的停机维护,供机房技术与管理?30?eOlOOgB电系统的在线扩容,改造等)均可实现724小时的不间断地由UPS逆变器电源来供电的技术需求.为此,就要求供电系统具有极高的可利用率;供电系统具有优异的可维护性;供电系统具有简便,易行的现场可扩容性;要求供电系统具有功能大的远程集中监控系统和智能化管理功能,其中最重要的功能为故障定位及设备运行参数的老化趋势分析功能.2,UPS供电系统应用双总线输入和双总线输出式供电系统采用的双总线输入和双总线输出UPS供电系统的设计方案主要技术特点和优势有:(1)UPS双总线输入供电系统如图一所示,该数据中心机房共配置有三路10KV的市电输入电源,其中10KV一1和10KV一2作为主供市电电源,10KV一3作为总的备用市电电源.在这里,用了高容错特性的供电设计方案.首先由两路变压器型的输入电源(2500KVA的1#变压器和2500KVA的3#变压器)+母联互投开关来组成它的第1级冗余式的输入电源A.然后,再由变压器型输入电源A+4000A的ATS开关+2200KVA并机型发电机A(由两台发电机并机所构成)所组成的第2级冗余式的供电系统来为UPS11和UPS12并机系统来提供输入电源.与此同时,由两路变压器型的L历侠PoWERSUPPlYFoRCoMPUTERRoo输入电源(2500KVA的2#变压器和2500KVA的4#变压器)+母联互投开关来组成它的第1级冗余式的输入电源B.然后,再由变压器型输入电源B+4000A的ATS开关+2200KVA并机型发电机B(由两台发电机并机所构成)所组成的第2级冗余式的供电系统来为UPS21和UPS22并机系统提供输入电源.(2)UPS双总线输出供电系统a),UPS双总线输出供电系统:由4组600KVA2+1UPS并机系统+两台LBS(负载同步控制器)为核心所组成的两套UPS双总线输出型的UPS供电系统A和B.按照该数据中心的规划,机房将用分期建设的设计方案.在它的建设初期,UPS供电系统的配置被规划为:由4组600KVA1+1UPS并机系统来组成的两套UPS双总线输出的供电系统A和B.然后,再根据将来的业务增长需求,将这些UPS冗余并机系统在线扩容为600KVA2+l型并机系统的功能,上述供电系统被用于向机房中最关键的IT设备和网络设备供电,它们的可利用率可达g199.999999%.此外,还配置有1套由400KVAUPS单机+LBS(负载同步控制器)为核心所组成的第3套UPS单机双总线输出供电系统,以便为该数据中心机房中用于内部管理的一般性IT设备和网络设备供电,它的可利用率约为99.999995%.b),UPS单机的电池后备时间:l5分钟(ups单机满负荷).C),为了确保机房中的IT设备都能获得尽可能高的UPS逆变器电源的供应.我们用了如下的交叉冗式的UPS供电系统设计方案,以便为机房提供可利用率高的的双路UPS电源供应.为此,应将IT设备和网络设备划分为两类:一,关健设备(例如:关健的小型机,服务器,磁盘阵列机和核心的网络设备等).对于这些关键性的用电设备而言,采用由两套2十l型UPS双总线输出供电系统A和B+STS开关组十智能化的DPU柜所组成具有互为交叉冗余供电特性的UPS供电系统来负责向它们供电(见图1),以便能彻底消除可能出现瞬间供电的中断时间>Sms的闪断故障隐患(注:IT设备所允许的瞬间中断时间为:10-20ms左右),从而确保关键性的用电设备能长期,安全和可靠地运行.二,普通设备(例如:非核心小型机,服务器/网络设备,高端的非生产用的设备等).对于这些设备而言,采用由两套2+1型UPS双总线输出供电系统A和B+智能化的20l0年09月?31?机房技术与管理L厉侠电oWERSUPPLYF0RCoMPU11IERR00MDPU柜所组成具有互为交叉冗余供电特性的UPS供电系统来负责向这些设备供电(见图1).d)为确保STS开关具有优良的在线可维护/可检修性,对于所配置的STS开关而言,都要求它们内置有带机电互锁保护装置的维修旁路装置.3,数据中心机房所用第一期UPS双母线输出供电系统的系统配置数据中心第一期双总线输人,输出UPS供电系统的配置图被示于图2中.在这种双总线输入,输出UPS供电系统中,共包含4套600KVA1+1UPS冗余并系统,它们分别是UPS-11,UPS一12,UPS一21和UPS-22等并机系统.其中由UPS一11和UPS一12并机系统+LSB1(负载同步控制器)共同组成UPS双总线输出供电系统A,由UPS-21和UPS一22并机系统+ISB-2(负载同步控制器)共同组成UPS双总线输出供电系统B.在UPS双总线输出供电系统A的输出端配置有:1组由5台400A的STS开关所组成自动切换开关组STS15和1组由4台400A的STS开关所组成自动切换开关组STS69.其中,由600KVA1+1并机系统UPS一11为由STS1,STS2,STS3,STS4和STS5开关所组成的负载自动切换开关组STS15组提供优先供电电源.由600KVA1+1并机系统UPS一12为由STS6,STS7,STS8和STS9所组成的另一组负载自动切换开关组STS69组提供优先供电电源.类似的,在UPS双总线输出供电系统B的输出端配置有:1组由5台400A的STS开关所组成自动切换开关组STS1O-14和1组由4台400A的STS开关所组成自动切换开关组STS1518.由600KVA1+1并机系统UPS-21为由STS10,STS11,STS12,STS13和STS14开关所组成的负载自动切换开关组STS10一l4组提供优先供电电源.由600KVA1十1并机系统UPS一22为由STS15,STS16,STS17和STS18所组成的另一组负载自动切换开关组STS1518组提供优先供电电源.这样一来,就能在交叉冗余供电电路中,形成UPS输出供电系统的第1级冗余供电系统.(1)对于关键性的用电设备而言,为了确保能获得具有最高级别可利用率的高品质双路输入电源的供电特性.对于从每组5台400ASTS负载自动切换开关组/每组4台400ASTS负载自动切换开关组所馈送出来的UPS逆变器电源而言,它是用如下的由两套l十lUPS双机房技术与管理?32?2OlOO9,q总线输出供电系统来实现交叉冗佘供电设计方案,并由这样的配供电系统来为关健设备供电.这样一来,就能为用户建立起一套具有极高可利用率供电特性的第2级UPS冗余供电系统(见图2):由UPS双总线输出供电系统A中的600KVAl+1并机系统UPS一12作为其优先供电电源的sTs6一STS9(负载自动切换开关)组所馈送的4路Nups电源同由UPS双总线输出供电系统B中的600KVA1+1并机系统UPS一22作为其优先供电电源的STS15sTS18(负载自动切换开关)组所供馈送的4路三相的UPS电源来同时向关键性的双电源负载群A供电.由UPS双总线输出供电系统A中的600KVA1+1并机系统UPS-11作为其优先供电电源的STS1-STS5开关组的所供馈送的5路三lups电源同由UPS双总线输出供电系统B中的600KVA1+l并机系统UPS-21作为其优先供电电源的STSlOSTS14开关组的所供馈送的5路三相UPS电源来同时向关键性的双电源负载群B供电.显然,在此条件下,对于关健的用电设备而言,它可以同时获得由两套UPS双总线输出供电系统A和B以及两套STS开关所损提供的四重交叉冗余式的保护.因而,可以获得最高级别的容错保护特性.(2)对于一般IT设备而言,为确保能获得尽可能高级别的可利用率的高品质双路输入电源的供电特性.从每套600KVAl+1UPS冗余并机系统所输出的电源用如下的交叉冗余式的供电方式向它们供电,从而形成具有高可利用率供电特性的UPS输出供电系统的第2级冗余供电系统(见图2):从UPS双总线输出供电系统A中的600KVA1+1并机系统UPS一12所馈送出的一路电源同从UPS双总线输出供电系统B中的600KVA1十1并机系统UPS一21所馈送出的另一路电源被用来同时向一般性的双电源输入的负载群A供电.从UPS双总线输出供电系统A中的600KVA1+1并机系统UPS一11所馈送出的一路电源同从UPS双总线输出供电系统B中的600KVA1+1并机系统UPS一22所馈送出来的另一路电源被用来同时向一般的双电源输入的负载群B供电.显然,在此条件下,对于一般性的用电设备而言,它可以同时获得由两套UPS双总线输出供电系统A和B所提供的交叉式冗余的保护.因而,它仍然可以获得很高级别的容错保护特性.在此需说明,为确保数据中心机房获得最安全,最可靠的供电运行环境.我们期望这样的两套UPS双总线供电系统A和B不仅在供电线路设计上能实现相互独立,而且,在物理保护上和防火保护也要实现相互独立.最简便的办法是将这两套UPS双总线供电系统A和B分别安装在两间相距较近的防火分区不同的机房内.4,数据中心机房的UPS双总线输出供电系统的带载能力(1)对于建设初期的数据中t2,用UPS双总线输出供电系统而言(见图2),各种工况下的最大输出功率分别为:a)当它处于正常的冗余工作状态时,从每组600KVA1+1UPS冗余并机系统所输出的额定功率为:600KVA,与此对应的额定输出电流为:9l3A左右.当它处于无冗余的工作状态时,最大输出功率为:1200KVA,与此对应的额定输出电流为:1825A左右.b)当它处于正常的工作状态时,从两套UPS双总线输出供电系统所输出的总标称功率均为:1200KVA.在此条件下,为确保整套UPS双总线输出供电系统始终处于冗余工作状态,要求位于IDC机房中的UPS供电系统的所有的后接用电设备的总负载量必须小于1200KVA.这是因为:当后接用电设备的总负载量超过1200KVA时,将会迫使这种UPS双总线输出供电系统进入无冗余的工作状态.在此条件下,UPS供电系统将会从2N+1型UPS双总线输出供电系统演变成2N+0型UPS双总线输出供电系统.此时,两套2N型UPS双总线输出供电系统的最大输出功率为:2400KVA.由10台400A的STS开关所分别构成的,由STS1一STS5开关组和STS15一STS18开关组所分别组成的2套负载自动切换开关组所能馈送的最大工作电流为2000A.由8台400A的STS开关所分别构成的,由STS6一STS9开关组和STS10一STS14开关组所分别组成的另外2套负载自动切换开关组所能馈送的最大工作电流为I600A.为确保这些STS开关组在任何工况下,都能向IT设备提供安全,可靠的电源供应,要求在正常工作时,流过每个STS开关的工作电流应当小于它的50%的标称工作电流,以便防止当某台STS开关因故进入输入停电工作状态时,导致与之配对的另一台STS开关进入输出过载工作状态.对于STS开关来说,一旦超过它所能承受的过载能力时,为了确保自身不会损坏,它会自动关断,从而造成对用电设备的停电.由此必然会导致用户的IT设备和网络设备进入瘫痪状态.多年的工作经验表明,为确保STS开关的安全运行.推荐将STS开关的设计工作电流取为其称称工作电流的90%左右.因此,