数据中心基础实施培训-UPS

1、华信邮电咨询设计研究院有限公司2008年版权所有。 任何部分未经华信邮电咨询设计研究院有限公司书 面同意或授权，均不得以任何形式复制或传递给第 三方。 2008 Huaxin Consulting Co., Ltd 数据中心基础实数据中心基础实施施 设计工作交流设计工作交流 不间断电源系统 1UPS系统 2高压直流系统 3其他总结 提 纲 3 数据中心配电系统总体构架 不间断电源系统 数据中心配电系统总体构架 不间断电源系统 在市电供电过程中，有各种供电的状况，如断电、停电、电压和频率的变化等，由于原有服 务器的电源模块对市电波动的接受宽容度较差，需要在前一级配置UPS设备满足用电使用需求。

2、市电质量 不间断电源系统 市电质量 不间断电源系统 市电质量 不间断电源系统 UPS系统分类 静态型 后备式 在线互动式 双变换在线式 动态型（旋转型） 立式UPS 卧式UPS 不间断电源系统 UPS系统分类 静态静态UPS分类分类 1、UPS产品介绍 从结构上分类 1）后备式UPS 2）在线互动式UPS 3）双变换在线式UPS 从输入输出类型分类 1）单进单出 2）三进单出 3）三进三出 从内部器件分类 1）工频机-可控硅 （SCR） 2）高频机-场效应管 （IGBT） 目前模块化的产品 不间断电源系统 立结构飞轮储能式UPS 卧式结构飞轮储能式UPS 序号序号飞轮飞轮UPS（动态）（动态）

3、传统传统UPS 系统容量 数据中心基本以250kVA为模数， 模块化方式，最大可并机 6000kVA 单机在250600kVA,最大并机数 可达10台以上 系统形式立式（UPS侧）UPS 占地面积0.41 转换效率97%90%95% 后备形式+时 间 采用高速飞轮作为后备电源， 机械能转化为电能，一般提供 515s的后备时间 采用传统蓄电池作为后备电源， 化学能转化为电能，一般提供 15min的后备时间 系统要求需要柴发机组提供快起和快切传统方式 过载能力 过载较强： 过载达 1000%-10 毫秒 过载达 200%-30 秒 过载达 125%-10 分钟 过载达 500%-1 秒 过载一般：

4、 过载达 150%-60 秒 过载达 125%-10 分钟 过载达 110%-60 分钟 可靠性高高 维护成本维护成本低 维护成本高，主要为蓄电池需进 行维护和更换 供货和维保 主要为国外Active Power，cat等， 维保相对较难保证 各个厂家，维保体系成熟 动态UPS: 飞轮UPS（D-UPS）在国外市场已经使用多年其在占地面积、适应负载的能力等方面有较大优势，但其 短板也非常明显，其后备时间一般在15s以内，因此需要油机系统快速启动且形成带载能力，目前在国内用电安全 和使用高压油机的前提下，较难实现。且IDC客户接受度也非常低，建议还是使用UPS系统。 UPS系统分类 不间断电源系

5、统 UPS主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。 1)整流器：整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转 化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC） 变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电 池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用； 2)蓄电池：蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池 串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能 是：1当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。2当市电故 障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载； 3)逆变器：通俗的讲，逆变器是一种将直流电

6、（DC）转化为交流电 （AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成； 4)静态开关：静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用 两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻 辑控制器控制。与旁路电源同步，保证了UPS在过载和故障的情况下能 不间断地将负载切换到旁路输入电源，提高系统的可靠性 传统UPS系统内部组成 不间断电源系统 13 UPS系统内部结构-谐波 不间断电源系统 14 UPS系统结构与等级 第I等级：基本型 配有电力分配和冷却系统，有或不一定有活动地板、UPS 、 发电机。 在这些系统上的关键负荷能达到N的100%。 设备是单模块的系统，有很多的“单

7、点故障”点。 预防性检修和修理时需要停机。器件故障、操作错误，以 及自然灾害等都会造成系统中断。 电力和冷却都是单通路，没有冗余，可用性99.671% 市电市电 市电浪涌保护市电浪涌保护 和和/或交流稳压或交流稳压 PDU LOAD 第1级硬件保护 不间断电源系统 15 第 II等级：部件冗余型 场地内有活动地板； 一台UPS 和发电机，供电的能力设计是N+1，全部 有单一的分配路径。 关键负荷能达到N的100%。 关键线路的维修需要一次处理性的中断停机。供电路 径上的故障可能引起系统停机 电力和冷却分配都是单通路，有部分冗余，可用性 99.741% 第2级硬件保护 市电市电 市电浪涌保护市电

8、浪涌保护 和和/或交流稳压或交流稳压 PDU LOAD UPS UPS系统结构与等级 不间断电源系统 第III等级：可同时维护型 u 系统结构是冗余的； u 有计划的维护活动不会影响系统的运行。 无计划的活动，可能会引起数据中心的运行中断。 在一个系统上的关键负荷不超过N的90%。 具备“同时可维护性”功能， 由多条电力和冷却通路组成冗余功能，可用性99.982% 市电市电+油机油机+ATS UPS1UPS2 PDU LOAD 市电市电+油机油机+ATS UPS1 UPS(N+1) PDULOAD BYPASS N+1冗余 1+1冗余 等级3： 增加系统可用性 UPS系统结构与等级 不间断电源

9、系统 第IV等级: 故障容错型 u故障容错功能，通常是针对双电源输入系 统配置。 u无计划的故障或者事件不影响关键的负荷。 u电力系统供应为每个有N+1冗余的两个单 独的UPS 系统。 u严格的故障容错监测， u无计划故障停机或者运行错误时不会发生 计算机程序中断的能力。 u由多条电力和冷却分配路径组成，具有各 个部分的冗余，并且是故障容错的，可用性 99.995%。 等级四等级四: :负载从不停电负载从不停电 UPS系统结构与等级 不间断电源系统 电源配套系统规划 UPS设备系统结构选择 不间断电源系统直接为服务器设备供电，与机房等级和客户需求直接相关，目前机房不间断电源有多种 方式，经过技

10、术经济比较，使用大容量的高频机较适合新一代数据机房使用。从比较情况来看，大型高频机 UPS使用已经越来越成熟，其可靠性满足电信级使用需求，且在系统效率、谐波抑制、输入功率因素等方面 比传统工频机更具有优势。在选用UPS供电方式上，主选1）并机冗余方式和2）双母线方式，具体方式如下： 并机冗余 N+1 双母线系统 2N 不间断电源系统 在线式UPS系统4种工作状态 1）online：正常工作时通过整流/逆变 2）电池模式：当整流器损坏 ，转电池供电 3）旁路模式：当逆变器损坏 ，转静态旁路 4）维修模式：系统性故障 ， 转手动维修旁 路 UPS系统工作方式 不间断电源系统 1、设备规格及选用要求

11、 UPS电源系统主要由UPS主机、交流输入配电屏、交流输出配电屏、电池开关柜（箱）和 蓄电池组组成。 UPS电源系统供电结构主要有：单机UPS电源系统、“N+1”并联均分冗余UPS电源系统、 2N双总线UPS电源系统和3N双总线UPS电源系统等。 UPS电源系统的供电结构选择原则根据通信设备负荷等级，UPS电源系统供电结构的选择如 下表： 序号 通信用电负荷 等级 数据中心用电负 荷等级 UPS供电结构选择 1一级A级2N双总线UPS或3N双总线UPS 2二级B级“N+1”并联均分冗余UPS，或3N双总线UPS 3三级C级单机UPS UPS系统配置和计算 不间断电源系统 UPS系统设计主要包括

12、UPS容量配置、后备时间配置和供电模式等内容。 UPS容量配置：UPS容量配置根据保证负载容量和功率因数确定。保证负载容量需计算 视在功率和有功功率，根据总视在功率和总有功功率可以估算出负载功率因数。 工频整流的UPS输出功率因数基本上为0.8，目前在用的设备功率因数基本在0.90.95 左右，因此UPS的配置容量(KVA)1.25（安全使用系统）负载有功功率/0.8（UPS输出功 率因数）。 高频整流的UPS输出功率因数一般为0.9，目前在用的设备功率因数基本在0.90.95左 右，因此UPS的配置容量(KVA)1.25（安全使用系统）负载有功功率/0.9（UPS输出功率 因数）。 如果出现

13、UPS输出功率因数大于负载功率因数的情况， UPS的配置容量(KVA)1.25 （安全使用系统）负载视在功率。 UPS系统配置和计算 不间断电源系统 1 UPS设备类型选择 1） 通信用UPS应采用在线式双变换UPS设备。 2） UPS设备应选用12脉冲工频UPS、高频UPS（一体机或模块化），UPS设备满足中国移动 企业标准通信用不间断电源-UPS（QB-W-018）和中国移动企业标 准UPS设备节能分级标准V1.0相关要求。 2 UPS系统运行模式选择 1） 单机UPS系统和“N+1”并联均分冗余UPS系统应选择在线双变换运行模式。 2） 2N双总线UPS系统可选择两套UPS系统都采用在线

14、双变换运行模式；或一套UPS系统 采用在线双变换运行模式，另外1套UPS系统采用ECO运行模式；或两套UPS系统都采 用ECO运行模式。 3 UPS系统容量配置原则 1） UPS系统容量需结合负载类型、近远期负荷、机房使用规划等因素综合考虑。 2） UPS系统容量宜按近期负荷配置，远期负荷增加不大时可按远期负荷配置。 4 UPS设备并机台数及单机容量要求 1） UPS电源系统中的单机额定容量最大不宜超过400kVA。 2） UPS并机台数不得超过3台。 3） 2N双总线UPS电源系统、3N双总线UPS电源系统中每套系统不应冗余配置。 4） 单机UPS电源系统采用模块化UPS时，功率模块应按块数

15、不宜超过10个。 UPS系统配置和计算 不间断电源系统 序号供电结构正常运行时最大负载率要求故障时最大负载率要求 1单机 UPS 电源系统不应超过 UPS 额定容量的 90% 2 “1+1”并联冗余 UPS电 源系统 2 台 UPS 正常运行时，每台 UPS 的 负载率不应超过额定容量的 45% 当其中 1 台 UPS 退出时，另外 1台 UPS 的负 载率不应超过额定容量的 90% 3 “2+1”并联冗余 UPS电 源系统 3 台 UPS 正常运行时，每台 UPS 的 负载率不应超过额定容量的 60% 当其中 1 台 UPS 退出时，另外 2台 UPS 的负 载率不应超过额定容量的 90%

16、42N 双总线 UPS 电源系统 每套 UPS 系统的负载率不应超过额定 容量的 45% 当其中 1 套 UPS 系统退出时，另外 1 套 UPS 系统的最大负载率不应超过额定容量的 90% 53N 双总线 UPS 电源系统 每套 UPS 系统的负载率不应超过额定 容量的 60% 当其中 1 套 UPS 系统退出时，另外 2 套 UPS 系统的最大负载率不应超过额定容量的 90% 1、各个系统最大负载率和故障时最大负载率要求 UPS系统配置和计算 不间断电源系统 1）UPS输入配电屏内的输入总开关容量应满足UPS系统远期最大容量需求；每路输出开关容量应满足UPS 系统中单机额定容量和电池充电负

17、荷的需求，其计算方法见公式 7.4-1、7.4-2： I主路=K（Q + q充电）/（1.732U）1000 （公式7.4-1） I旁路=KQ/（1.732U）1000 （公式7.4-2） 式中：K安全系数，取1.25 QUPS额定容量（kVA） q充电蓄电池的充电功率，一般取UPS额定容量的10% UUPS标称线电压（V UPS标称效率 2） UPS输出屏内的每路输入开关容量应满足UPS系统中单机额定输出容量要求，其计算方法见公式7.4-3； 输出开关容量根据后端所带负载容量需求配置。 I=KQ/（1.732U）1000 （公式7.4-3） 式中：K安全系数，取1.25 QUPS额定容量（k

18、VA） UUPS标称线电压（V） 3）UPS电池开关配置原则 UPS电源系统中每组蓄电池均需配置1路电池开关，宜安装在蓄电池组侧。 UPS电池开关应选用直流断路器或熔断器，当UPS电池开关选用熔断器时，每组蓄电池的正负极线路各 配置1个熔断器，每个熔断器要求带辅助触点和操作手柄。 3） 电池开关容量应根据公式7.4-4计算确定： I=（KQCOS）/（U）1000 （公式7.4-4） 式中：K安全系数，取1.25 QUPS额定容量（kVA） COSUPS功率因数 UUPS蓄电池组终止电压（V） UPS逆变器效率 UPS系统配置和计算 不间断电源系统 P式中： P电池2V电池单体的功率，kW；

19、K安全系数，取1.25； SUPSUPS电源的标称输出功率，kVA； cos负载的功率因数； 逆变器的效率； N2V电池单体串联数量。 蓄电池后备时间的计算方法： 恒功率算法是指通过查找蓄电池厂家提供的“蓄电池恒功率放电数据表”中的相关数据，计算电池所提供 的总功率值。具体计算公式如下： （1）直流电源系统计算公式 P电池2V电池单体的功率，kW； K安全系数，取1.25； Pe通信设备额定输出功率，kW； N2V电池单体串联数量。 t实际电池所在地最低环境温度数值。所在地有采暖设备时，按15考虑，无采暖 设备时，按5考虑。 电池温度系数（1/）当放电小时率10时，取=0.006；当10放电小

20、时率 1时，取=0.008；当放电小时率l时，取=0.01。 UPS电源系统计算公式： UPS系统配置和计算 不间断电源系统 理论公式计算： 式中： Q蓄电池容量（Ah）； K安全系数，取1.25； I负荷电流（A）； T放电小时数（h）； 放电容量系数，见表-1； t实际电池所在地最低环境温度数值。所在地有采暖设备时，按15考虑，无采暖设备时，按5考虑。 电池温度系数（1/）当放电小时率10时，取=0.006；当10放电小时率1时，取=0.008；当放电小 时率l时，取=0.01。 UPS系统配置和计算 不间断电源系统 1UPS系统 2高压直流系统 3其他总结 提 纲 27 一、高压直流供电

21、设备简述 以240V高压举例进行介绍 背景概述说明编制情况说明 随着通信网络和业务 需求的不断发展，通 信设备对电源安全供 电性要求也越来越高。 特别是传统UPS在供 电结构、系统安全性 和节能效率等3个方 面也存在自身的弱点。 而高压直流系统在这 几个方面都比传统 UPS具有优势，因此。 高压直流替代传统的 UPS系统也是大势所 趋。 随着高压直流设备的成熟和设 备试用经验的积累，从设备本 身结构出发，提出在设计工作 和使用过程中的关键点和注意 点。 设备发展情况 中国电信江苏分公司于2007 年率先在盐城进行高压直流的 试点，涉及设备从开始的办公 普通设备到服务器、网络设 备，设备运行稳定

22、。目前国内 主流电源设备厂家如艾默生、 中达、中恒等也加入高压直流 设备阵营，产品日益成熟。 产品图片 3、高压直流系统 不间断电源系统 1、高压直流供电系统结构 AC DC SERVER SERVER SERVER AC Distribution Rectify Cabinet Batt. Box DC Distribution DC Distribution 列头柜 服务器 机架 19直流配电 单元 直流PDU 一体式电源 分体式电源 列头柜 精密配电柜 - 电池保护盒 - 绝缘检测仪 精密配电柜列头柜 240V 电源 电池保护箱 2）高压直流系统结构图架构类似48开关电源系统，可维护性显

23、著高 艾 默 生 为 例 末端配电 3、高压直流系统 不间断电源系统 DC/ACAC/DC UPS AC/DCDC/DCVRM VRM VRM VRM VRM VRM 12 V Loads using Legacy Voltages Loads using Silicon Voltages 12 V 5 V 3.3 V 1.2 V 1.8 V 0.8 V Server PSU AC/DC DC POWER DC/DCVRM VRM VRM VRM VRM VRM 12 V Loads using Legacy Voltages Loads using Silicon Voltages 12 V

24、 5 V 3.3 V 1.2 V 1.8 V 0.8 V Server PSU高压直流 交流供电 240V Or 380V 220V Or 380V 二、高压直流供电系统结构（2） 1）高压直流系统和UPS系统对比图-供电效率显著提升，遵循节能减排趋势 1、减少2级变换 2、效率提高7%左右 3、高压直流系统 定 制 模 块 不间断电源系统 三、高压直流设计中关注点-总体关注点 1、配电开关 2、系统容量 3、系统接地 5、接口接线 4、绝缘监测 重点关注点 差异化对比 特 性 分 析 与现有传 统UPS系 统对比 结构 分析 高压直流系统关注点 类型类型 高压直流供电系统高压直流供电系统 （

25、240v240v） 传统传统UPSUPS系统系统 （220v/380v220v/380v） 输出波形输出波形直线直线正弦波或方波正弦波或方波 输出电压输出电压240v240v220v/380v220v/380v 系统结构系统结构模块化程度高模块化程度高模块化程度低模块化程度低 控制控制可自主控制输出可自主控制输出对控制模块依赖性高对控制模块依赖性高 蓄电池供电蓄电池供电直接直接经逆变器经逆变器 并机条件并机条件极性、相同极性、相同 极性、电压、相位极性、电压、相位、 频率频率相同相同 并机复杂性并机复杂性可在可在直流侧简单并接直流侧简单并接不可简单并接不可简单并接 单点故障点单点故障点少少多多

26、 在线更换在线更换可行性大可行性大可行性小可行性小 可维护性可维护性较高较高较低较低 6、防护等级 3、高压直流系统 不间断电源系统 三、高压直流设计中关键点（1） 1）配电开关的选用根据所处的位置，灵活选用保护开关类型 熔断器 负荷开关+熔断器 直流断路器 考虑因素 优点 建议选择 优点 .设备成熟可靠，价格较低 缺点 .不能重复使用，无法带负载关断 选择性短路保护较难实现 优点 .上、下级选择性保护，可重复使用 可带负载进行关断 缺点 价格较高、耐压指标偏低，某些场 合需多级串、并使用 优点 .可靠性高 缺点 .体积较大 源端到终端配电开关选择 1、负荷开关+熔断器 2、直流断路器 备注：

27、在终端选择断路器 宜用双极开关。 3、高压直流系统 不间断电源系统 三、高压直流设计中关键点（1） 供电端设备 总配电端末端配电 负荷开关式熔断器 1、输入端： 负荷开关式熔断器 2、输出端： 双极直流断路器 双极直流断路器交流断路器 3、高压直流系统 不间断电源系统 三、设计系统图 不间断电源系统 三、高压直流设计中关键点（2） 2）系统容量的设计 对于大型数据中心，选用容量建议为单整流架 800A，系统1600A的设计容量 厂家设备 考虑因素 建议选择 系统整体容量与所带设备 配合合理关系 参考48v系统的系统容量 大容量设备发热量对设备 影响 整体供电可靠性的影响面 可维护性和可操作性

28、上级交流断路器合理容量 容量选择建议: 1、单架max:800A 2、系统max:1600A 单位模块容量： 1050A； 优选模块容量： 40A、50A 艾默生： 中恒： 中达： 3、高压直流系统 不间断电源系统 三、高压直流设计中关键点（3） 3）系统接地方式的使用使用悬浮接地方式 系统电压较高 设备抗干扰性强 操作维护安全性 考虑因素原因分析 建议选择 可避免维护人员在接触到未接地 的一极，触电电流通过大地形成回 路，将发生电击事故，尤其在电池 维护时，维护人员是很容易接触到 电池端子，就可能存在高压，击穿 人体电阻，通过大地回路形成电流 发生触电事故 . 综合必选： 使用悬浮接地方式

29、3、高压直流系统 不间断电源系统 三、高压直流设计中关键点（4） 4）绝缘监测装置的使用 采用悬浮接地系统，某点出现接地 故障时，其电流很小，因此，保护 开关不会发生动作。如长期在此状 态下工作，会有严重的安全隐患， 如此时发生另一级对地绝缘故障， 那么，就会发生直流断路，如人接 触系统的裸露点就有可能发生电击 事故 综合必选 绝缘监测装置 1、智能型分3层结构 2、监控模块绝缘监测仪智能漏电流传感器4*120 3、电压测量精度： 1（1VDC300VDC） 4、可监测支路数： 最大640路(智能型480路) 5、支路电阻测量精度：10（电阻性支路） 6、支路巡检时间：35S 7、通讯接口： RS485 8、工作环境温度：545 数据显示 声音告警