UPS电源系统在数据中心的应用

1、第3-1 节UPS电源系统 在数据中心的应用,数据中心UPS电源系统的技术规范： ANSI-TIA 942标准的规范 GB 50174标准的规范 数据中心UPS电源系统的应用案例 数据中心供电系统的规划和方案设计： 供电等级、负载性质、子系统. 供电系统规划和方案设计的有关问题,目录,【ANSI/TIA 942-2005(数据中心通信基础设施标准)】： 由美国通信工业协会（TIA）TR- 42.2 委员分会制定、由美国国家标准学会（ANSI）和美国通信工业协会（TIA）于2005 年4 月颁布。 数据中心的分类： 小型数据中心； 企业数据中心； 国际互联网数据中心(IDC)。 数据中心的分级：

2、 I 级数据中心基本型； II级数据中心部分冗余型； III级数据中心可同时维护型； IV级数据中心故障容错型。,一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】,定义1：N 基本需求 系统仅满足最基本的使用需要并且没有冗余。 定义2：N+1冗余 N+1冗余系统提供在满足最低需求的基础上增加一个额外的设备、模块、路径或系统，以便在任意一个设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。 定义3：N+2冗余 N+2冗余系统提供在满足最低需求的基础上增加两个额外的设备、模块、路径或系统，以便在任意两个设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。,冗余的定义

3、(1/2),一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】,定义4：2N冗余 2N冗余系统提供两套完整的设备、模块、路径或系统，每一套设备、模块、路径或系统都能够满足系统的基本需求。其中的一套设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，都不会影响正常运行。 定义5：2(N+1)冗余 2 (N+1)冗余提供两套完整的(N+1) 设备、模块、路径或系统，即使一套设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，都不会影响正常运行。,冗余的定义(2/2),一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】,第I等级：基本型（可用性99.671%） 任意部件的故障都将影响系统

4、运行； 预防性的维护需要系统停机。 第II等级：部件冗余型（可用性99.741%） 部分设备具有冗余的能力； 供电路径上的故障可能引起系统停机。,分级的定义(1/2),一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】,分级的定义(2/2),第III等级：可同时维护型（可用性99.982%） 组成结构是冗余的； 具有多条供电的路径； 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中断系统的运行。 第IV等级: 故障容错型（可用性99.995%） 系统具有冗余能力； 具有多条供电路径同时满足系统所有设备的运行。,一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA -

5、942】,基本属性,主要特征,设计指南：总则,设计指南：UPS,设计指南：电池,设计指南：UPS和电池室,设计指南：精密空调HVAC的供电,设计指南：精密空调HVAC,温度与温升时间的关系（分钟）,37.7C,500Kcal/m2.h,250Kcal/m2.h,125Kcal/m2.h,55 = 停机,参考指南：服务,规范简介： 规范共分十三章和一个附录，主要技术内容有： 总则、术语和符号、机房分级标准； 机房位置及设备布置、环境要求、建筑与结构、空气调节、电气技术、电磁屏蔽、网络布线、机房监控与安全防范、给水排水、消防(共十个专业)； 附录A：关键技术要求和参数。,电子信息系统机房设计规范：

6、GB50174-2008,一、UPS电源系统的技术规范：【GB50174-2008】,电气技术规范（第8章）： 8.1 供配电 8.2 照明 8.3 静电防护 8.4 防雷与接地,一、UPS电源系统的技术规范：【GB50174-2008】,附录A 各级电子信息系统机房技术要求（电气部分）,一、UPS电源系统的技术规范：【GB50174-2008】,附录A 各级电子信息系统机房技术要求（电气部分）,一、UPS电源系统的技术规范：【GB50174-2008】,二、数据中心UPS电源系统的应用案例按照负载重要性配置,二、数据中心UPS电源系统的逻辑框图,二、数据中心UPS电源系统的逻辑框图,A级机房

7、供电系统框图,二、数据中心UPS电源系统图,A级机房供电系统图,柴油发电机组,变压器,变压器,inROW空调,服务器机柜,UPS,UPS,空调UPS,G,UPS 1,UPS 2,SSC,STS 1,UPS 1,UPS 2,SSC,STS 2,非核心负载 (单电源) (200 kVA),核心负载 (双电源) (200 kVA),关键核心负载 (双电源) (100 kVA),关键核心负载,电源质量监测： U, I, Hz, kW, 谐波,.,HV,2 x 400 kVA N+1,(1250 kVA),(1600 kVA),LV,电源质量监测： U, I, Hz, kW, 谐波,.,【TIA-942

8、】的第IV等级,核心负载 (双电源) (200 kVA),2(N+1)+STS 结构,中型数据中心举例：按照负载重要性等级设计2【2x400K】,中型数据中心举例：双总线分布冗余系统3x200K+2x400K,3x200KVA UPS800KVA公共静态旁路柜组成（21）系统作为双电源的一路；2台400KVA 组成（11）双电源的第二路。 4台250A STS送数据机房的双电源负载；2台250A STS送主机房的双电源负载。,主机房 关键核心负载,数据机房 核心负载,6台250A STS 组成双电源供电,系统总负载量：400KVA 最大可扩展到800KVA负载,【TIA-942】第IV等级 2

9、N + STS系统,大型数据中心：双总线2(2+1)+STS分布式冗余系统,【TIA-942】第IV等级 2 (N+1) + STS系统,数据中心典型配置方案举例,数据中心典型配置方案举例,ASI 1990 4 x 400kVA + N/S 1200kVA,Tr:1600 Kva (3+2),ASI 1994 4 x 400kVA + N/S 1200kVA,DBT 4.2 2500A,DBT 4.1 2500A,QTGNO 2500A,QONDUL 90/1 2500A,DBT 2.1 2500A,DBT 5.3 2500A,M20N1 2000A,M32H1 2 x 3200A,Q1 80

10、0A,Q2 800A,Q2 800A,Q2 800A,2D4 800A,2D8 800A,3D4 800A,3D8 800A,4D6 2500A,5A6 3150A,Salle1,Salle2,Salle3,Autocom,Q22 250A,Salle1,Salle2,Salle3,Salle FP-CNF-2,Centre de surveillance,JAC -2,DCC niveau -3,Tremie niveau -1,SIA -1,Q17 160A,Q20 250A,Salle FP-CNF-2,Centre de surveillance,JAC -2,DCC niveau -

11、3,Q14 160A,Tremie niveau -1,SIA -1,1000A,Salle2,Salle1,Salle3,Autocom,250A,Salle FP-CNF-2,Centre de surveillance,JAC -2,DCC niveau -3,Tremie niveau -1,SIA -1,Salle2,Salle1,3150A,M32H1 3200A,3200A,Autocom,BUSBAR 1,BUSBAR 2,STS 600A,STS 600A,DBT 3.3 2500A,QONDUL 90/2 2500A,QG1,QG2,QG2,QG1,第等级的UPS系统：-隔

12、离冗余；-2(N+1)；-STS,第等级：-镜像对称冗余；-2(3+1)；-STS,数据中心典型配置方案举例,数据中心典型配置方案举例,1、确定场地： 电子信息系统机房(GB 50174)，主要为电子信息设备提供运行环境的场所，可以是一幢建筑物或者建筑物的一部分，包括： 主机房 主要用于电子信息处理、存储、交换和传输设备的安装和运行的建筑空间，包括服务器机房、网络机房、存储机房等功能区域。 主机房面积 = 5 7 x设备底面积。 辅助区 用于电子信息设备和软件的安装、调试、维护、运行监控和管理的场所，包括进线间、测试机房、监控中心、备件库、打印室、维修室等区域。 辅助区面积 = 0.2 1 x

13、主机房面积。 支持区 支持并保障完成信息处理过程和必要的技术作业的场所，包括：变配电室、柴油发电机房、UPS室、电池室、空调机房、动力站房、消防设施用房、消防和安防控制室等。 支持区面积：参考辅助区（ 0.2 1 x主机房面积）。 行政管理区 用于日常行政管理及客户对托管设备进行管理的场所，包括：工作人员办公室、门厅、值班室、盥洗室、更衣间和用户工作室等。,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,1、确定场地，注意布局特点： 按照用户场地的需求规划： 负载功率密度（引自中国电信数据中心机房电源、空调环境设计规范）：,每机柜 5KVA（4.5KW） 每机柜 10KVA（5.4KW） 部分区域每机柜

14、 20KVA（18KW） 当设备增加时，功率密度是否也增加？,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,2、确定机房的主要工艺性质： 数据处理？科学计算？通讯传输？ 生产性？科研开发性？ 连续工作，24小时x365天？ 全年是否有停电检修时间？ 每小时供电中断造成的损失？ 停机成本或影响：如果发生故障中断，系统需要多长时间才能恢复？损失是1千万元 /分钟还是1百万元 /小时？ 风险承受能力：遭遇过重大故障的公司，其风险承受能力往往比那些从未体验过此种风险的公司要强。聪明的公司将会从同业公司身上获取经验数据。公司的风险承受能力越弱，就越倾向于采用可靠性更高、故障恢复能力更强的方案。,三、数据中心供电

15、系统的规划和方案设计,2、确定机房的主要工艺性质（续）： 可用性要求：公司在一年之内能忍受多长时间的停机？ 如果回答是决不能停机，那么应在规划时选用高可用性的设计（例如第IV等级：故障容错型）。 如果公司可以在每天晚上 10 点之后以及大多数周末停机，那么其 UPS 配置选择并联冗余设计就可以了（例如第II等级：部分冗余型）。 每台UPS都需要进行维护，而且UPS系统确实会间歇性地发生一些出人意料的故障。每年需要在维护方面所花的时间越少，系统的冗余组件就会越多（例如第III等级：可同时维护型）。 预算：实现 2(N+1)的成本远高于其它方案。例如某一大型数据中心： 若采用 2(N+1) 设计，

16、则可能需要 30 个 800 kVA 的电源模块（每条并联总线 5 个模块，共 6 条并联总线）。 对于同样的负载，如果采用分布式冗余设计，那么只需要 18 个 800 kVA 的电源模块，显然投资成本要低得多。,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,预算举例：某一大型数据中心的负载量为9,600KVA，采用单机容量800KVA UPS组成： 若采用 2(N+1) 设计，则可能需要 30 个 800 kVA 的UPS：,如果采用分布式冗余(DR)设计，那么只需要 18 个 800 kVA 的UPS：,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,3、确定投资规模和进程： 数据中心的基本投资规模： 整个

17、供电系统通常占基础设施投资的33%. 数据中心建设的阶段性： 一步到位； 分部到位：边成长、边建设。 整体评估 系统如何得到最高的性价比？ TCO评估 防止过度规划,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,供电系统 (33%) 主用空调系统 (37%) 土建工程 (30%),主机房供电环境及安装 (10%) 配电及电源管理 BMS (30%) 发电机组及ATS (30%) UPS电源系统(30%),供电系统 投资费用分类,数据中心基础设施 投资费用分类,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,3、确定投资规模和进程（续）：,4、确定数据中心的供电等级： 按照TIA-942和GB50174标准的分类

18、等级，确定数据中心的等级； 按照TIA-942和GB50174标准选择各个子系统的等级： 供电系统选择哪个等级？ 供电系统的可用性和可扩展性，兼容性如何保证？ UPS仅仅是整个供电系统中的一部分设备或一个环节，供电效果在很大程度上取决于整个供电系统的规划和设计： 可靠性、可用性、可信度原则； 可扩展能力、适应性原则； 系统的效率、安全性； 生命周期和TCO成本等。,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,分布式供电： 容易满足最终增长的需要； 可按照计划进行维护； UPS故障只影响局部。,集中式供电： 易于系统升级； 维护工作量小； UPS故障影响面较大。,区域式供电： 可随负载成长增容； 维护

19、工作量较集中式大； UPS故障只影响本区域。,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,5、确定UPS电源系统的结构形式,6、分析负载性质： 服务器为主？超级小型机为主？ 存储器？ 通信设备？网络设备？ 双电源为主？单电源为主？ 尽管双系统（2N, 2N+1）的设计概念在双电源设备出现之前便已产生了，但双电源负载的出现，才提供了这种冗余供电方案的可行性。,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,机架式服务器结构,特点： 单电源、双电源两种规格 双电源供电可以是不同频率、不同相位的两路电源 交流供电220V/50HZ。,服务器内部电源结构,并联直流母线,附：双电源负载,A路 交流供电,B路 交流供电,

20、5V, 3.5V,SUN Blade 8000 Modular System 839x445x722mm 7.5kW 5-35, 10-90% r.H. 23.3kW/m(net*),HP Superdome 1960 x1524x1220mm 18kW 2600cfm / 4420m/h 20-30 , 15-80%r.H 9.7kW/m(net*),IBM p5 595 2025x1575x1681mm 22.7kW 10-28 8.6kW/m(net*),Fujitsu Primequest 580 1800 x740 x1100mm 10.7kW (old 480type) 5-35,

21、 20-80% r.H 8.7kW/m (net*),* net: referred to server footprint only,6、分析负载性质（续）： 不同品牌，不同机型存在的差异性：,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,7、确定供电系统中各个子系统的设计： 市电供电系统： 主变压器、主低压配电 备用发电机系统： 发电机、ATS、燃油/储备、进风、排烟、降噪 低压配电系统： 配电柜、电缆、母线排、供电路径、电缆井 UPS电源系统： 单电源/双电源/多电源、冗余度、高频机/工频机/模块化、电池后备时间、STS UPS输入输出配电系统： 输入柜、输出柜、供电路径,三、数据中心供电系统的

22、规划和方案设计,8、确定机房内的供电模式： 双路供电？单路供电？ 列头柜形式 电源管理模块PMM、监控、支路管理 是否考虑中性线问题？ 中性线加粗、隔离变压器、零地电压 是否考虑谐波问题？ 有源谐波抑制、 3次谐波滤波器 末端的电源管理： 安全管理：监测、阈值设定、故障报警 运营管理：电量管理、谐波管理,三、数据中心供电系统的规划和方案设计,1、过度规划的问题 计划内的过度规划： 按照传统惯例或xx规范增加20%的裕量，以提高设备的可靠性。 人为的过度规划： 设计人员不能犯设计容量不足的错误； 在使用周期的中途再增加系统容量的成本高、有故障停机的风险； 负载增加的程度是无法准确预测的，应留有裕量。 造成过度规划设计的根本原因： 在设计流程中进行预测