探讨大型数据中心电源与UPS配电系统的设计
探讨大型数据中心电源与UPS配电系统的设计
摘要本文主要结合数据中心工程设计的一些实例，详细介绍了UPS配电系统设计过程的体会。主要就配电系统的规模和UPS配电系统的容量以及系统的冗余和对配电系统的监控问题，同时，详细介绍了系统的构成。
关键词 大型数据中心机房；UPS配电系统；可靠性；容量规模；冗余制约
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一、项目简介
本文通过介绍大型数据中心项目的UPS配电系统，来介绍数据中心的电源和配电系统的设计问题。本文提到的项目建有近一万平米的机房，其中，机柜的安装容量大约在7000千瓦，绝对称得上是符合要求的并且可靠性极高的机房，该项目承担着非常重要的信息，并且负责对这些信息的存储、运算等处理作用，是一个企业的运作基础，也是控制中心。对这样一个大型的数据管理中心，为他提供用电的系统必然要求极高，不仅是供电系统的构成要安全而且可靠，同时要保证连续性，就是能够为中心提供连续的并且稳定的供电，不能因为一些外部因素造成系统的供电被中断，不仅如此，即使是由于人为的偶然失误操作的情况下，也要保证提供稳定的、连续的供电。
由于该项目的所有的机柜和机房中那些精密的空调以及空调的前端设备等对供电要求较高，在加上机房的照明还有监控的监控设备都要求供电系统具有极高稳定性。所以对于机房的选址非常的重要，应该建在大城市的周边，要求具有非常良好的地理位置和环境，而且要有充足的市政条件，电力的供应要求具有超强的稳定的，供电历史要求没有发生过大的事故，确保能够为中心提供一个稳定的电源，可以将这个市电作为中心机房主供电电源，同时能够提供两路来自不同电源供电的线路。
二、系统设计
下面主要结合机柜的配电系统的设计，论述约束的系统设置和提高系统供电的可靠性。作为比较重要的一个大型设备的机房，拥有自身独立的发电机组提供电源是必须的。本文提到的工程就建有自己的一座由柴油提供动力的发电机房，为数据中心提供可靠的备用电源。建设这样一个柴油的发电机组主要考虑到设置冗余，当其中的某台柴油发电机发生故障的时候，这台发电机组的负荷可以从另组发电机获得全部的需要的电力。
这种双转换式的UPS配电系统为大型的数据中心提供电源是不需要质疑他的复杂性的。我们再设计供电时首先要进行确定的是考虑UPS需要采用什么样的容量，构成系统的规模又要有多大，还要确定系统的形式等问题[1]。一个系
统称得上合理与可靠，一定规模是适中的，构成是简单的，而且系统的部件要绝对的可靠，不论是可用性还是可操作性以及安全性都非常好，向负载能够提供无干扰，而且幅值以及频率都严格的处在允许的范围之内的交流电。
所以首先需要确定的就是系统的规模和形式以及基本UPS的单元容量。根据以往的经验和一些供货商主要产品的规格，一个合适的方案是使用800千伏安UPS并联最终架构构成1600千伏安的UPS供电系统，这样的规模与数据中心的规模想适应，我们认为比较的合适。因为这样首先只需要两台UPS并联即可，所需UPS的单元少。配和3200安的配电母线为输出，因为这样可以保证较好的电磁兼容，也能够提供比较大的容量配电，可以降低配电母线的使用数量，而且系统的构成被大大的简化。对上级的电源要求也能够满足，当今的变压器和发电机的产品是完全能够信得过的。因为800千伏安的UPS对供应商来说这种UPS已经成为一种主流的产品而且产品也已经非常的成熟和稳定，性价比相对于其他比较的高。
通过各种UPS的供电系统的比较，建设比如银行的灾备中心的机房，最终确定的方案是使用2N的容量UPS，组成的机房则是分布式的冗余系统来为机房进行配电。这属于比较灵活的一种系统的设置，不仅结构清晰而且线路的冗余度非常高，避免配电系统单点的故障问题。我们可以先从最终端的负荷开始计算，在确保冗余为前提的角度出发，一级级介绍系统。
系统中的每一个设备，都有两路电源同时为设备提供电力，而且每路电源都能够单独的满足设备的需求。虽然两路电源同步，但是还是有区分和差别的，一路属于常用电源，另一路则是作为备用。一旦，发生常用电源出现断电现象或者是电源的质量满足不了设备的需求时，设备立即选择备用电源来获得足够的供电，从而确保了设备的运行连续。这两路电源都由机房设置有的配电柜来提供的，机房的每组机柜配置两台的配电柜，每台提供全组电能需求都没有问题，就是通过他们来给机柜提供电源。一般的情况下，配电柜只为一半负荷供电，为另一半充当备用的电源。两台配电柜其中的任何一台都同时由一对UPS的配出母线提供电源，经STS的转换，实现电源即时的切换，最终就保证了配电柜的电源和输出连续。每一对配出母线的电源都是由两套UPS配电系统提供，两套系统同时工作，每套都能满足需求，在正常的情况下，各自承担一半需求。
在往上，变压器以及发电机输送的电源最终经过自动切换装置进行切换，供给UPS和公共的静态以及手动的旁路柜[2]。两台UPS在一般的情况下，并联提供电能，当电源发生故障时，UPS的自蓄电获取直流电源并启动发电机，并分析电源故障，争取恢复外接电源的供应。如果外接电源一直无法恢复，或等待的时间超期，就会切换接入自身发电机组的电源为系统供电。任意UPS逆变器产生一些故障时，或者是负载过大时，系统还会自动的切换至旁路的交流电源输入。这里面提到了蓄电池，蓄电池的电源只是为了确保UPS的电源不被间断，保证在电源的转换期间能够维持连续的供电。以此为原则，通过综合的考虑，系统的可操作性以及可靠性，同时按照蓄电池的机房面积以及蓄电池的造价等原因，该项目的蓄电池的供电时间设计能力为15分钟。
该项目设计了两座的UPS的机房，彼此之间是分开的，每一座的UPS布置了4套的1600千伏安UPS的电源。自机房里配出的电源借助母线向机房进行配电。项目的单台机柜具有很大的容量，主要是7千瓦的容量，有的部分机柜的容量设计为10千瓦，由于机房机柜的数量很多，所以1600千伏安的容量只能供给一两个机房。
另外，为同组设备供应的电源配电柜分别在机房的两端，而且每台同时被两条母线提供电源，配电柜又一起向他的负载进行配电。配电柜一般通过机柜下面的线槽向机柜提供电力。还要满足电路的零线对地的电压不能超过1伏这一规定，需要在机房的配电柜内采用隔离变压器的形式[3]。通过UPS所提供的电源就是三相三线，经过隔离变压器的转换之后就变成了三相四线，而且是带零线的电源。这样就减小了三次谐波造成的危害，降低了系统的造价，对于整个系统来说意义重大。
为了能够真正的提高大型的数据系统配电的可靠性，对UPS整个的配电系统设置监控的系统。将上级的电源监控和UPS的监控系统以及机房的配电柜的监控系统进行联网，以及对配电系统其他环节的监控，能够了解UPS配电系统的各种参数和状态，对系统异常和故障状态能够及时掌握。这样的设计，确保了容量有冗余，线路有冗余，避免了系统的单点故障。可用性、可操作性、安全性非常高，各种设备故障情况下均能够保证供电连续性，设备检修维护也可以做到完全的电气隔离，即使不小心产生人为的错误操作，都不会造成系统供电的中断。也能够及时知晓系统的异常情况。在配电系统的设计过程中，我们遇到了各种各样的问题，有些问题直接制约了系统的结构形式[4]。比如设备通道的宽度、机房及走廊的层高、设备重量等，系统的造价也直接影响到系统的构成。
三、结束语
该项目的设计，过程中借鉴大量的其他人的经验做法，在一些系统的形式上的取舍又结合了项目的本身的特点，进行了适当的调整，不足之处请不吝指教。
参考文献
[1] Neil Rasmussen. Guidelines for Specification of Data Center Power Density .(APC White Paper120). http:///salestools/NRAN-69ANM9_R1_EN.Pdf: 2005, .
[2] Telecommunications Industry Association. 《Telecommunications Infrastructure Standard for DataCenters》 .ANSI/TIA-942-2005. U.S.A:
TELECOMMUNICATIONS INDUSTRY ASSOCIATIONStandards and Technology Department, .
[3] 姚向巍. 基于NGN的（浙江联通）全网智能化应用研究[D]. 浙江大学, 2010 .
[4] B. Levy. The common capability approach to new service development[J]. BT Technology Journal, 2005,23(1) .
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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