數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)可靠性分析及應對策略

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：廣電數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的可靠性問題包含較多的元素，電氣專業(yè)技術人員在對供電系統(tǒng)進行設計、規(guī)劃、管控的過程中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實際用電負荷完成多種結構設計，本文對數(shù)據(jù)中心機房設備分類以及供電特征進行了簡要分析，對當前供電系統(tǒng)可靠性的分配問題進行了細致闡述，并提出當前提高供電系統(tǒng)UPS供電效率的關鍵舉措，以提高整個系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心；UPS；可靠性

       供電系統(tǒng)的可靠性直接影響到廣電數(shù)據(jù)中心機房設備的正常運轉，涉及信息存儲、節(jié)目錄制采編傳輸、影音數(shù)據(jù)等生產(chǎn)質量和播出質量，為確保數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的運作更加科學、安全、可靠，在現(xiàn)階段廣電數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的布局規(guī)劃管理工作中，電氣專業(yè)技術人員需要開展頂層設計，明確各項技術指標、技術要素，結合精益化、精細化的管控措施，明確各項管理標準，對保障供電系統(tǒng)正常運行尤為重要。

       廣電數(shù)據(jù)中心機房的電源設備分為單電源以及冗余電源設備，具體來說，單電源是指單一的電源模塊，當數(shù)據(jù)中心機房設備存在供電問題時，通常是由于電源本身出現(xiàn)的故障問題所導致的，此時的機房設施將處于待機狀態(tài)，而冗余電源設備主要是由多個電源模塊所構成，此類設備也稱為雙電源設備，由多個電源來承擔整個系統(tǒng)的供電負荷，如果電源模塊組出現(xiàn)問題或無法正常供電時，剩余模塊便能夠提供相應的電源負載，保證設備正常供電。

       通常情況下，在供電系統(tǒng)中包含多個設備設施，如防雷器、電纜、開關、UPS、電池組、PDU以及各種連接件，每一個環(huán)節(jié)以及每一項設備須具備較高的可靠性和穩(wěn)定性，才能發(fā)揮整個供電系統(tǒng)應有的作用。在對供電系統(tǒng)可靠性進行分配管理的過程中，電氣技術人員需要充分遵循短板控制原理，及整個系統(tǒng)的綜合運行可靠性的高低往往取決于可靠性較低的某一個部件或某一個環(huán)節(jié)，因此在供電系統(tǒng)可靠性的分配管理過程中，需要嚴格參照較低的那個環(huán)節(jié)完成資源分配、管理分配，以此才能夠采購發(fā)揮出整個系統(tǒng)應有的作用，比如在常見的10kVUPS輸出端配置65A的斷路器相對較為常見，同時在電子系統(tǒng)中，電氣技術人員也需要保證各系統(tǒng)各環(huán)節(jié)連接牢靠，具體來說，由于常見的單相10kV額定電流為45A，考慮到增強系統(tǒng)20%的過載能力，一般會選取65A的開關來實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護，如果在該環(huán)節(jié)存在特殊的要求則需要重新計算電流值大小，若盲目選用32A或100A的斷路器，將不滿足整個系統(tǒng)運行的需求，比如選擇32A的斷路器會面臨頻繁切斷負載，若選用100A的斷路器，會致使輸出端短路而無法保護電源的情況出現(xiàn)，簡而言之，如果對可靠性電流值大小的分配未滿足系統(tǒng)設備的具體運作需求，則會導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)拒動或誤動的現(xiàn)象。

       通過實地調研分析可以看出，在整個數(shù)據(jù)機房供電系統(tǒng)可靠性的分配管理過程中，電氣技術人員需要整合各項設備設施的綜合可靠性數(shù)值，完成綜合評價管控，比如在該環(huán)節(jié)需要分析系統(tǒng)防雷器的運作可靠性，電纜設施的運作可靠性，開關柜、發(fā)電機、UPS、電池組、PDU以及各項設備的運行可靠性，之后再將每個結構單元、結構部位的運行可靠性進行乘積運算，再通過特定的函數(shù)值的賦值分析，便能夠得到整個系統(tǒng)最終的可靠性。

3.1選取高效率的設備

       UPS作為供電系統(tǒng)中的關鍵要素，在選取相關設備時，電氣工程技術人員需要重點考量系統(tǒng)所具備的運行可靠性問題，同時考量相關設備的外部運行環(huán)境，盡可能控制設備高溫問題，據(jù)統(tǒng)計顯示，如果UPS設備溫度升高，那么設備內部的電子零部件的活躍度將會翻倍，從而使得設備內部的元器件的使用壽命進一步衰減，因此管控UPS供電系統(tǒng)內部的溫度數(shù)值將能夠提高設備運行的可靠性和穩(wěn)定性，但是要想管控設備內部的溫度，則需要對設備本身的功耗進行多方面的論證分析，簡而言之，設備運行的功率并不是越低越好，同時也不是越高，要想發(fā)揮出設備更加優(yōu)異的性能，技術人員需要考量整個系統(tǒng)的綜合運行需求，完成對設備負載功率的合理設置。

       具體來說，在常見的工頻機和高頻機兩種UPS電路結構中，不同設備在輸出端、輸入端均具備不同的線性輸入指標，同時兩者也具備不同的功率因素，據(jù)統(tǒng)計顯示，工頻機的UPS比高頻機UPS往往具備更大的功率消耗，同時兩者也具備不同的造價。此外，工頻機UPS輸入逆變器通常是采用的全橋電路，在實踐應用層面，此類電路要想發(fā)揮工頻UPS的實際性能，則需要適當?shù)脑黾痈綦x變壓器，而對于高頻機UPS逆變器而言，此類設備通常采用半橋電路，因此針對此類設施的空間布局以及結構布局不需要借用變壓器隔離便能夠發(fā)揮出應有的作用。

       因此可以看出工頻機系統(tǒng)由于具備更多的結構損耗，導致其變壓器的損耗數(shù)值也進一步提高，從故障學原理出發(fā)可以看出，如果整個系統(tǒng)中設備設施的數(shù)量越多，則表明整個系統(tǒng)運行的故障率會進一步加大，因此工頻機比高頻機出現(xiàn)故障的概率要更高。因此在選取系統(tǒng)中的過程中，工程師以及技術員需要秉承減少結構的復雜性，提高整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性的原則，完成對系統(tǒng)設備的布置，以此才能夠降低設備的電力損耗。

3.2選擇噪音低的設備

       一般情況下，要想確保電源系統(tǒng)更加科學、高效、穩(wěn)定地運作，電氣技術人員需要嚴格管控設備的噪音，同時噪音過高也會導致設備操作環(huán)境變得過于復雜，使得操作者的情緒受到嚴重影響，從而導致工作人員的工作效率降低，甚至出現(xiàn)操作失誤的情況。但是由于工頻機UPS輸入電路破壞了原有的電壓波形，會給其他設備造成相應的電磁干擾，同時電感和變壓器在運行過程中也會產(chǎn)生出大量可聞噪音，從而使得操作環(huán)境變得更加惡劣。一般情況下，工頻機往往結合10kHz左右的調制頻率的使用，此類頻率恰好在人耳可感知的頻率范圍內，從而使得人員的工作環(huán)境受到嚴重干擾。而高頻機的工作調制頻率通常設置在20kHz以上，而此類赫茲頻率往往在人耳感應范圍之外，從而可以保障工作人員的工作環(huán)境相對較為安靜。因此從供電可靠性的層面進行分析可以看出，選取適當調制頻率的設備至關重要，當前20kHz以上的高頻機UPS供電設備在數(shù)據(jù)中心機房中的使用相對較為常見。總體來說，在對供電系統(tǒng)UPS進行選取選用的過程中，工程師以及技術人員需要考慮整個系統(tǒng)的綜合功率消耗，同時還需要考慮整個系統(tǒng)的噪音等級，以此才能夠提高整個系統(tǒng)的綜合運行效率。

4.1控制UPS輸入輸出的形式

       在控制UPS輸入輸出形式的過程中，電氣技術人員需要進行多方面的論證探究，一般情況下在對UPS供電系統(tǒng)進行管理控制的過程中，需要對其中的三相負載電流不平衡問題進行重點管控，為了提高三相輸出的穩(wěn)定性，工程人員、技術人員可以采用三進單出的UPS單元來提高整個系統(tǒng)運行的效率。同時考慮到單進單出對整個輸入配電所產(chǎn)生的不平衡問題，在當前三相輸出UPS時通常被賦予了三相負載100%不平衡的能力，如果出現(xiàn)100%不平衡時，其電壓不平衡度也只是出現(xiàn)微小的波動；但是結合三進單出的UPS供電模式卻有著較好的運行穩(wěn)定性和可靠性，比如當輸出功率在90kvA時，借助正常三相輸入可確保每條線路均能夠輸入30kvA的電流數(shù)值，以此達到整個系統(tǒng)運行的平衡狀態(tài)，如果UPS輸出端存在過載或設備故障的問題時，則會導致供電短缺的情況，出現(xiàn)不間斷的波動負荷，在該環(huán)節(jié)整個系統(tǒng)設備中的線路控制開關便會選擇性閉合，但是若相關開關流入的電流等級過大，則會導致供電全面斷電。

       而為了保證不出現(xiàn)以上的問題，工程師以及技術人員需要適當增加輸入電路的數(shù)值大小，比如可將輸入端的輸入值增加三倍，使其額定輸入值變?yōu)?0kvA，而多出的電路數(shù)值遠遠超出機房的供電需求，但是卻會給上游的供電局造成較大的供電負荷，因此若單方面增加三進單出結構的UPS容量也無法解決系統(tǒng)運行可靠性低下的問題。當前三進單出結構的UPS選用30kvA以下的固定等級相對較為合適，在管控容量大小的過程中，可以結合n+x模塊化冗余結構，結合并聯(lián)UPS各結構模塊，依托并聯(lián)電路，將故障模塊及時切換，以此來減少故障模塊給整個系統(tǒng)所造成的綜合故障問題，提高整個系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2串聯(lián)單總線供電模式

       為了提高UPS供電效率，通常會結合多套UPS系統(tǒng)的配合使用,比如結合主機和備機共聯(lián)的形式來完成供電管控，一般情況下，備機往往是作為主機旁路電源的形式存在，無論是主機還是備機，均會輸入相應的市電，而備機作為旁路往往承擔主機非正常狀態(tài)的供電負荷，當主機中的設備存在運行故障時，UPS備機便會從旁路承擔故障模塊的供電負荷，如果主機處于正常供電狀態(tài)，則備機將處于空載運行狀態(tài)，針對此類供電方式，再無冗余UPS系統(tǒng)擴充改造的情況下，可提高整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，但是在該環(huán)節(jié)，工程師以及技術人員需要確保UPS主機具備相應的靜態(tài)旁路輸出端以及輸入端，以此才能夠保證主機以及備機正常供電，此類結構相對較為簡單，能夠使得設備處于正常工作運行的狀態(tài)，同時也能夠適當減少主機運行負荷，備機能夠更加科學合理地處理突發(fā)過載變化問題，同時也能夠維持主機長效穩(wěn)定的運行狀態(tài)。在此過程中，技術人員也可以適當將主機和備機的狀態(tài)進行更換，即將備機當作為主機使用，而將主機當作為備機使用，以此來減少系統(tǒng)運行負荷，提高設備運行的可靠性和穩(wěn)定性。除此之外，此類供電管理模式也具備較低的造價成本，可實現(xiàn)對系統(tǒng)更加高效地維護管控，在現(xiàn)場調試安裝管理過程中，技術人員需要科學合理實施維護管理，對主機以及備機進行常態(tài)化的運維管控，提高整個體系的運行效率。

4.3雙總線供電模式

       在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，結合雙總線供電模式的使用也相對較為常見，可滿足供電系統(tǒng)更加安全、可靠、高效的運行需求，提高整個體系運行的安全系數(shù)。雙總線供電模式對現(xiàn)場設施的空間環(huán)境以及資金投入也不具備較高的要求，在雙總線供電管理模式下，可在空間資源有限的情況下實現(xiàn)對設備的簡化管理。傳統(tǒng)雙總線供電模式結合兩套UPS供電系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個體系的多重供電荷載，比如結合兩臺UPS系統(tǒng)，在輸入端輸入相應的市電，并且完成雙電源負載，借助STS開關完成整個系統(tǒng)的綜合控制。

       一般情況下，當一臺UPS出現(xiàn)故障問題時，能夠保持整個系統(tǒng)的綜合運行負荷滿足相應的要求，但是單臺UPS系統(tǒng)設備要能夠支撐整個系統(tǒng)的總體負荷，在兩臺設備正常供電的情況下，將各自承擔一半的用電負荷，結合此類雙電源的負載管控模式能夠大幅度提高整個系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，同時也能夠適當減少UPS設備的運行壓力，延長UPS設備的使用壽命。雙總線供電方案結合并聯(lián)冗余設計，同時結合此類供電管理模式也能夠降低外界環(huán)境所帶來的不良因素影響，具體來說，在串聯(lián)電路中，每多一個環(huán)節(jié)便會增加一個故障點位，在同一條故障線路上往往包含大量的結構單元，如斷路器、開關、保險絲、PDU，在其中任何開關或節(jié)點出現(xiàn)故障問題均會導致電流無法正常高效地流通，而為了有效地解決以上問題，將雙總線和并聯(lián)冗余方案進行整合使用往往能夠取得良好的管控效果，在該環(huán)節(jié)可結合多條市電的輸入，借助多臺UPS設備，并且完成對輸出配電柜的合理布局設置，對其中的各項開關進行綜合管控，實現(xiàn)對負載多維度、多層次的控制，提高整個系統(tǒng)的運行水平和用電效率。但是在此過程中，工程人員、技術人員需要對單電源負載、雙電源負載問題進行綜合評估管控，使得整個方案的設計更加科學可靠。

5.1電力監(jiān)控解決方案

       電力監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心中低壓配電系統(tǒng)、UPS、蓄電池組、ATS/STS、精密配電柜、電源支路電流、PDU機柜電源以及其它重要設備進行監(jiān)視、測量、記錄、報警等功能，實時掌握供電系統(tǒng)運行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性。

5.2電力監(jiān)控系統(tǒng)設備選型

       總體來說，在對廣電數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的可靠性問題進行探究探討的過程中，電力工程技術人員需要根據(jù)10kv供電系統(tǒng)的實際運行情況、運行特征，完善各項基礎設施，并且革新現(xiàn)有的供電系統(tǒng)，提高整個體系的供電效率。

【1】數(shù)據(jù)中心動力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),黃河水利委員會信息中心趙凱.景云.賈楠[1] 曾顯達, 徐華鋒.數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)中并機臺數(shù)與可靠性的關系分析[J].數(shù)據(jù)中心建設+,2021(7):25-28. 

【2】高巖叢.數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)分析對比[J].長江信息通信,2021,34(10):163-165. 

【3】李季.廣電數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)可靠性分析.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

 

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事數(shù)據(jù)中心的設計與應用。