大型数据中心采用交叉冗余式UPS双总线输出供电系统的原理（下）.doc

大型数据中心采用交叉冗余式UPS双总线输出供电系统的原理（下）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型的交叉冗余式的UPS双总线输出的供电系统.鉴于在机房中所配置的是400KVA的STS开关,我们分别选用了输出功率为IOOKVA和120KVA的末级单电源输入列头柜,输出功率为200KVA和240KVA的末级双电源输入列头柜来作为IT机柜或入网络机柜的末级配电柜.为了获得最佳的性价比,根据各IT设备和网络设备本身的重要性的不同,我们采用了两种不同的末级配电柜的设计方案:(1)对于关键性的双电源输入的IT设备和网络机柜而言,用UPS输出配电柜+400A的STS开关+带内置输出隔离变压器的SPM柜的交叉式的冗余输出供电设计.(2)对于一般性的双电源输入的IT设备和网络机柜,采用UPS输出配电柜十带内置输出隔离变压器的SPM柜的交叉式的冗余输出供电设计.下面的论述中,我们以案例中的机房初期配置:600KVA1+1并机系统和IT机柜的基本安装分区的电源需求量分别为200KVA/250KVA作为基础,进行设计和分析.1,由600KVA1+1UPS并机系统供电的输出配电柜,STS开关组及末级SPM柜的设计方案:(1)600KVA1+1UPS的输出开关柜(注:为将来便于在线扩容,该输出配电柜是按终期容量来进行设计的),在该配电柜内配置有如下的开关和TVSS(防雷击,抗浪涌抑制器).输入开关:3000A负荷开关;输出开关:5个,630A断路器开关;10个:300A断路器开关,1个:160KA的TVSS.2,对负责向关键的双电源输入的IT机柜供电的400A的STS及125KVASPM柜的设计方案:当采用由STS开关来对双电源输入的IT机柜和网络机柜供电时,在运行中,如果遇到负责向双电源输入设备供电的某一套600KVA1+l型UPS双总线输出供电系统发生输出停电或闪断故障时,STS开关将会从原来轻载工作状态进入重载工作状态.这是因为,此时流过STS开关的工作电流将增大一倍.有鉴于此,在正常工作时,STS开关的工作电流应该被限制在小于50%的额定输出电流的范围之内.此外,根据多年的运行经验可知:当STS开关的后接负载为带隔离变压器的SPM柜时,为确保STS的安全运行,STS开关的最大工作电流的设计值应小于其额定输出电流的8090%.鉴于2ol1年01月?31?机房技术与管理L厉供Vd,OWERSUPPLYFoRCOMPUTENRoOM400A的STS开关的额定输出约为263KVA左右,建议将它的实际负载量设计为:263KVA*0.5*0.76=100KVA.为了便于向机房中的IT机柜和网络机柜供电,我们用在每个400A的STS开关的后面配置两台带输出隔离变压的125KVASPM柜(标称工作电流190A,实际选200A的主输入开关)的设计方案.为了使得4组600KVA1十1(初期配置)和2+1(终期配置)UPS冗余并机系统都能对后接的个IT设备安装区内的负载便于实现均衡供电.我们采用了将上述4组UPS冗余并机系统分别组成两套UPS双总线输出供电统UPSA和UPS-B供电系统的方案.在这里,我们利用了供电路由途径来实现对负载的均衡供电的控制.这样,不仅能确保4组600KVA1+1冗余并机系统,都能分别经用户所预先指定的各个处于优先供电状态STS开关,向关键的IT机柜和网络机柜提供高品质的UPS逆变电源,而且还能确保每组600KVA1+1冗余并机系统的负载百分比都基本相同.为了使得关键性的双电源输入的IT设备,能获得尽可能接近100%的高可利用率的电源供应,对它们的供电体系的设计方案而言,应分别由两组600KVA1+1UPS并机系统(初期配置)和2+1UPS并机系统(终期配置)+负载同步控制器LBS+400A的STS开关+125KVA的带隔离变压器的SPM柜所组成的由两套UPS双母线供电系统A和B来执行交叉冗余式的供电的设计方案.用这种方案的优点是:可靠性极高.对于这样的供电系统而言,在它的运行中,即使遇到其中的某组600KVAN+1UPS并机系统因故发生输出停电或闪断的严重故障时,它不仅能确保所有的双电源输入IT设备都能继续正常工作,而且此时在所有的双电源输入IT设备的两条输入电源端上,都能仍然获得来自两路输入电源所提供的均衡的电流供应,并不会让双电源输入的IT设备的某一路输入线路进入不均衡的重载运行状态.显然,这对提高数据中心的运行安全和可靠是非常有利的.3,对负责向一般性的双电源输人的IT设备供电的125KVASPM的负载量的设计方案为了降低数据中心的投资成本,对于一般的双电源输入IT设备和网络设备而言,是采用由两套600KVAl+1UPS并机(初期配置)/两套600KVA2+1UPS并机(终期配置)+负载同步控制器LBS+125KVA的带内地隔离变压器的SPM所组成的,由两套UPS双母线供电系统A和B来执行交叉冗余式的供电的设计方案而言,即使遇到其中的某一组600KVAl+1UPS并机系统因故发生输出停电或闪断的严重故障时,仍能确保所有的双电源输入IT设备继续正常工作.此时,唯一发生的变化是:一旦发生上述故障时,所有受到影响的双电源输入IT设备和网络设备都会进入由单路供电线路来提供电能的重载运行状态.推荐的UPS双总线输出供电系统在满载,半载和25%负载百分比的工况下运行时的主要技术参数,UPS设备的电力电缆及接地要求:(1)所配置的UPS在满载,半载和25%负载百分比的工况下运行时的输入电流谐波参数.为了降低UPS电源的输入电流谐波含量和提高它的输入功率因数,案例中数据中心机房用的UPS供电系统中,对于600KVAUPS采用12脉冲整流+有源滤波器的谐波治理方案.为降低投资成本,对于400KVAups.0采用6脉冲整流+5次谐波滤波器+有源滤波器的谐波治理方案.在此条件下,都可将它们的输入电流谐波分量(THDI)降低到<4%及将它们的输入输入功率因数(PF)提高N>o.95,从而达到绿色电源型UPS的技术标准.配置的UPS在满载,半载和25/0负载百分比条件下运行时的主要技术参数(输入电流谐波分量THDI和输入功率因数PF被示于表1中.此外,400KVA(6脉冲整流十5次谐波滤波器)的满载和半载的效率分别为93.8%和93.4%,600KVA(12脉冲整流)的满载和半载的效率分别为93.2%和93.2%.项目满载50%负载25%负载THDIPFTHDIPFTHDIPF400KVAUPS3.2%0.9844.5%0.976.9%0.9600KVAUPS2.7%0.9833.2%0.975_3%O.92表1:UPS在满载,半载和25%负载运行时的主要技术参数机房技术与管理?32?201l-01Yl(2)UPS的系统效率与负载百分比之间的关系.400KVAUPS的系统效率与负载百分比之间的变化关系典型曲线被示下图7中.项目400KVUPS600KVAUPS电流电缆电流电缆电池1028A2240mm21500A2*300mm2主输入电路780A2185mm21260A2*300mm2交流旁路620A2185mm22000KV3070A5*300mm2或铜集中并机旁路柜质母排输出620A2l85mm2940A2*240rnnl2中线2l85mm22*240mm2保护地线2150mm2l85mm2表2:UPS的输入和输出电缆的推荐值(3)UPS的输入和输出电缆的推荐值被示于表2中(标称工作电压=380Vac).(4)UPS供电系统的接地要求.UPS供电系统的接地系统分为:防雷接地,安全接地,交流工作接地,防雷接地,安全接地和交流工作接地.在这里,采用的是联合接地极的设计方案,接地电阻小于0.5Q.选用接地线是低烟,无卤,防鼠咬的0.6/1KV的单芯电缆,其截面积的设计均符合国家相关规范的要求.UPS输出端的中性线(N极):UPS的N线与接地装置引来接地干线或总接地装置相连接,并在条件允许时都尽可地做重复接地.选用接地线也是低烟,无卤,防鼠咬0.6/1Kv单芯电缆.对于400KVA和6O0KvAUPS接地线要求,请参见表2.在这里,采用N线和相线电力电缆截面积相等的设计方案,其原是:在当今数据中心中所采用的IT设备基本上都是采用输入功率因数校正功能(PFC)的电气设备的缘故.大量的统计数据显示:在效率一一一一一一,ll傩2氍霸5负藏霸分比图7400KVAUPS的效能Vs.负载百分比此条件下,UPS供电系统的零线电流仅为其相线电流的40%一70%左右.在UPS供电系统中,直接用于直接驱动计算机型负载的输出柜,均设置有直流工作地(G极),这样的G线必须与总接地装置直接相连接.接地线要求使用低烟,无卤,防鼠咬0.6/1KV的单芯电缆,其截面积宜至少大于25ram.在这里,为了避免在地线上,发生电磁干扰谐振现象,建议:在IT机柜和网络机柜至机房的等电位接地环之间,敷设两条长度不等的直流工作地线(G极电缆).此外,在UPS房内为防止IT机柜和网络机柜上产生静电积叠现象,应配置有良好的防静电接地保护系统.为此,建议:所有的用电设备的外壳均应被良好地接地.从上分析可知:对于采用以两套600KVA2N+1型UPS双总线输出供电系统和四组的STS开关组为核心所构成的交叉冗余式UPS双总线输出供电系统而言,它的确可以提供具有极高的可利用率的电源.据估:它的可利用率可达99.999999%的数量级.即:在每l0年的运行中,可能发生的输出停电/闪断的时间长短仅为3.15秒左右.然而,如下表所示,由于处于2N+1型UPS双总线输出供电系统中的UPS单机的负载百分比普遍都较低,由此可能导致UPS处于低率运行状态.例如:对于600KVA14-1型UPS双总线输出供电系统而言(图2),它是按照这样的最恶劣供电条件来进行容量设计的.即:在它的运行中,如果位于同一套600KVA14-1型UPS双总线输出供电系统中的1组600KVAl4-1型UPS冗余并机系统因故发生输出停电或闪断的期间内,ZOlle#Ol#l?33?机房技术I孑管理蛾萼l耋;啪菪i麟瞬l耄机厉侠电OWERSUPPLYFoRCoMPUTilRROoM设计方案UPS单机工作状态当并机系统中的UPS当并机系统中的UPS单机的数量=2台时单机的数量.3台时的负载百分比的负载百分比2N+l型UPS双总单机的最大负载百分比21.25%28.3%线供电系统单机的典型负载百分比7.5%一12.5%10%.2O%2N+0型UPS双总单机的最大负载百分比42.5%42.5%线供电系统单机的典型负载百分比15%.30%15%一3O%表5:2N+1型和2N型UPSI.总线输出供电系统中的UPS单机的负载百分比在剩下的另l组600KVA1+1型UPS冗余并机系统中,又遇到其中的1台UPS因故发生输出停电或闪断事故的极为罕见的故障条件下,还能确保后接的用电设备继续处于UPS逆变电源供电状态.显然,此时仅剩下1台UPS还在正常工作.对于这样的UPS双总线输出供电系统而言,为了确保它能长期安全,可靠地运行.按照目前所采用的设计方案,期望此时UPS单机的带载量不超过UPS额定输出功率的85%.这就意味着:对2N+1型的交叉冗余式UPS双总线输出供电系统而言,它们的UPS单机总是处于轻载的运行状态之中的.相关的统计资料显示:在机房的实际运行中,对于600KVA1+1UPS双总线输出供电系统而言,其UPS单机的最大负载百分比为21.25%左右,UPS单机的典型负载百分比仅为7.5%12.5%左右.对于6o0KVA2+1UPS双总线输出供电系统而言,其UPS单机的最大负载百分比为28.3%左右,UPS单机的典型负载百分比仅为l0%20%左右.由此所带来的负面影响有:(1)UPS供电系统的效率很低,电损耗大,用户的电费开支增大.例如:对于由600KVAl+lUPS并机系统所组成的2N+1型交叉冗余走式UPS供电系统而言,当它的UPS单机分别处于最大负载百分比或典型负载百分比的条件下运行时,每台UPS单机的效率分别仅为:88%或80.4%.此时,由4台600KVAUPS本身的损耗所产生的电损耗分别为:55.1KW或50.8KW.如果按0.8元/KW的电价来计算,为此每年需支付的电费将分别是:38.6万元或35.6万元.在此条件下,用户为驱动每千瓦的有效负载所需支付的电费为:850元/Kw和1370元/KW.从上述的分析,可得到这样的用电规律:UPS单机的带载率越低,用户为KW的有效负载所缴付的电费则越高.在数据中心机房中,能否将用户的电费进一步降低呢?机房技术与管理?34?201101J实践证明,其中最简便的技术措施之一是:将交叉冗余式的UPS双总线输出供电系统的设计方案从N+1型改为N+0型.对于由600KVA1+1UPS并机系统所组成的2N+0型交叉冗余走式UPS供电系统而言,当它的UPS单机分别处于最大负载百分比或典型负载百分比的条件下运行时,每台UPS单机的效率分别为:92.1%或90%.此时,由4台600KVAUPS本身的损耗所产生的电耗分别为:72.4KW或54KW.如果按0.8元/KW的电价来计算,为此每年需支付的电费将分别是:5O.7万元或37.8万元.在此条件下,用户为驱动每千瓦的有效负载所缴付的电费为:554元/KW和700元/KW.从上述的分析,同样可以得到这样的用电规律:UPS单机的带载率越低,用户为KW的有效负载所缴付的电费则越高.为了较形象显示节电概念,现将有上述的分析数据归纳列表如下:从上表清晰可见:对于同样由两台600KVA单机所组成的UPS并机系统而言,?由于所采用的设计方案不同,我们可以分别组成2N+1型和2N+0型的UPS总线输出供电系统.同2N+1型UPS总线输出供电系统相比,对于2N+0型UPS总线输出供电系统而言,它可以大幅度地降低为每千瓦的IT设备或网络设备所缴付的电费,其节能效果相当明显.此外,从衡量UPS节能效果的PUE值(注:PUE=UPS后接IT设备的实际带载量/(IT设备的实际带载量+UPS本身的损耗)来看,2N+1型UPS双总线供电系统的PUE值I:2N+0型UPS双总线供电系统的PUE值高4%-8%左右.众所周知,同2N+0型UPS双总线输出供电系统相比,如果采用每套2N+1型UPS双总线输出供电系统设计方案的话,就意味着:在后接带载量相同的条件下,我(卜转P26)现划丌PLANNlNG&OESIGN通过电池配置,优化UPS系统可靠性.在外部电源失电的情况下,节能环保型的发电机采用自动或手动的并网功能,通过母线段继续给负载提供源源不断,稳定的供电,以提高数据中心供电系统的高可用性.3.空调系统数据中心空调系统的能耗占到数据中心总能耗的45%左右,对整个空调系统进行优化,可极大增加设备的使用寿命,提高空调系统的可用性.首先,大型数据中心空调系统目前使用本身带有微电脑控制的冷水机组,可实现全自动操作运转.并采用自动控制水平较高制冷机组,根据需要自动进行冷量调节;设备可靠性的提高,增强了空调系统的高可用性.再次,通过合理的规划提供N+X冗余,从而避免单一故障点对空调系统高可用性造成的影响.最后,在运行维护中通过有效的养护和设备备品备件的管理,提高其高可用性.4.综合布线从布局上来讲,在机房有三点值得注意:第一是空间节约;第二是线缆有效管理,改善空气对流的通道;第三是提高设备运行的可靠性.基础网的建设要有超前性,前瞻性,需满足现在5年,8g的需求,甚至10年,15年以后的规划.线缆管理配线的密度与线缆在机房的散热效力相关,如果线缆比较混乱,有源设备散热很难完成;如果线缆比较顺畅,那么会节省一些制冷设备消耗的能量.机房布线还有很多的东西在里面,包括理性理线,理性理线可防止混乱线缆造成散热通道堵塞,可以提高制冷效率.绿色机房与基础设施高可用性谈数据中心高可用性必须包括绿色机房的概念.绿色机房的概念应该包括节能和环保两部分,其中节能不仅仅是节省电能,还应该包括节约.这种节约是多方面的,包括节电,节省制冷设备消耗以及设备备份和冗余,其中还应包括机房空间的节约和所有资源的节约.因此数据中心基础设施架构需力求满足节能和环保的要求,通过资源的整合利用,增加设备的使用率,提升设备使用的可靠性,以提高基础设施的高可用性.下列通过业内专家,各类服务商和大量实践经验的总结,就基础设施的绿色发展方向做了一些整理,具体如下:机房技术与管理?26?20l1年01月1.紧靠热源的制冷