数据中心机房UPS供电系统可靠性分析及应对策略

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数据中心机房UPS供电系统可靠性分析及应对策略 [复制链接]

周博龙

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：广电数据中心机房UPS供电系统的可靠性问题包含较多的元素，电气专业技术人员在对供电系统进行设计、规划、管控的过程中，需要根据数据中心的实际用电负荷完成多种结构设计，本文对数据中心机房设备分类以及供电特征进行了简要分析，对当前供电系统可靠性的分配问题进行了细致阐述，并提出当前提高供电系统UPS供电效率的关键举措，以提高整个系统运行的可靠性和稳定性。

关键词：数据中心；UPS；可靠性

0引言

       供电系统的可靠性直接影响到广电数据中心机房设备的正常运转，涉及信息存储、节目录制采编传输、影音数据等生产质量和播出质量，为确保数据中心机房UPS供电系统的运作更加科学、安全、可靠，在现阶段广电数据中心机房UPS供电系统的布局规划管理工作中，电气专业技术人员需要开展顶层设计，明确各项技术指标、技术要素，结合精益化、精细化的管控措施，明确各项管理标准，对保障供电系统正常运行尤为重要。

1数据中心机房设备分类以及供电特征分析

       广电数据中心机房的电源设备分为单电源以及冗余电源设备，具体来说，单电源是指单一的电源模块，当数据中心机房设备存在供电问题时，通常是由于电源本身出现的故障问题所导致的，此时的机房设施将处于待机状态，而冗余电源设备主要是由多个电源模块所构成，此类设备也称为双电源设备，由多个电源来承担整个系统的供电负荷，如果电源模块组出现问题或无法正常供电时，剩余模块便能够提供相应的电源负载，保证设备正常供电。

2供电系统可靠性的分配

       通常情况下，在供电系统中包含多个设备设施，如防雷器、电缆、开关、UPS、电池组、PDU以及各种连接件，每一个环节以及每一项设备须具备较高的可靠性和稳定性，才能发挥整个供电系统应有的作用。在对供电系统可靠性进行分配管理的过程中，电气技术人员需要充分遵循短板控制原理，及整个系统的综合运行可靠性的高低往往取决于可靠性较低的某一个部件或某一个环节，因此在供电系统可靠性的分配管理过程中，需要严格参照较低的那个环节完成资源分配、管理分配，以此才能够采购发挥出整个系统应有的作用，比如在常见的10kVUPS输出端配置65A的断路器相对较为常见，同时在电子系统中，电气技术人员也需要保证各系统各环节连接牢靠，具体来说，由于常见的单相10kV额定电流为45A，考虑到增强系统20%的过载能力，一般会选取65A的开关来实现对系统的保护，如果在该环节存在特殊的要求则需要重新计算电流值大小，若盲目选用32A或100A的断路器，将不满足整个系统运行的需求，比如选择32A的断路器会面临频繁切断负载，若选用100A的断路器，会致使输出端短路而无法保护电源的情况出现，简而言之，如果对可靠性电流值大小的分配未满足系统设备的具体运作需求，则会导致整个系统出现拒动或误动的现象。

       通过实地调研分析可以看出，在整个数据机房供电系统可靠性的分配管理过程中，电气技术人员需要整合各项设备设施的综合可靠性数值，完成综合评价管控，比如在该环节需要分析系统防雷器的运作可靠性，电缆设施的运作可靠性，开关柜、发电机、UPS、电池组、PDU以及各项设备的运行可靠性，之后再将每个结构单元、结构部位的运行可靠性进行乘积运算，再通过特定的函数值的赋值分析，便能够得到整个系统最终的可靠性。

3供电系统中UPS选择的原则分析

3.1选取高效率的设备

       UPS作为供电系统中不可缺少的关键要素，在选取相关设备时，电气工程技术人员需要重点考量系统所具备的运行可靠性问题，同时考量相关设备的外部运行环境，尽可能控制设备高温问题，据统计显示，如果UPS设备温度升高，那么设备内部的电子零部件的活跃度将会翻倍，从而使得设备内部的元器件的使用寿命进一步衰减，因此管控UPS供电系统内部的温度数值将能够提高设备运行的可靠性和稳定性，但是要想管控设备内部的温度，则需要对设备本身的功耗进行多方面的论证分析，简而言之，设备运行的功率并不是越低越好，同时也不是越高，要想发挥出设备更加优异的性能，技术人员需要考量整个系统的综合运行需求，完成对设备负载功率的合理设置。

       具体来说，在常见的工频机和高频机两种UPS电路结构中，不同设备在输出端、输入端均具备不同的线性输入指标，同时两者也具备不同的功率因素，据统计显示，工频机的UPS比高频机UPS往往具备更大的功率消耗，同时两者也具备不同的造价。此外，工频机UPS输入逆变器通常是采用的全桥电路，在实践应用层面，此类电路要想发挥工频UPS的实际性能，则需要适当的增加隔离变压器，而对于高频机UPS逆变器而言，此类设备通常采用半桥电路，因此针对此类设施的空间布局以及结构布局不需要借用变压器隔离便能够发挥出应有的作用。

       因此可以看出工频机系统由于具备更多的结构损耗，导致其变压器的损耗数值也进一步提高，从故障学原理出发可以看出，如果整个系统中设备设施的数量越多，则表明整个系统运行的故障率会进一步加大，因此工频机比高频机出现故障的概率要更高。因此在选取系统中的过程中，工程师以及技术员需要秉承减少结构的复杂性，提高整个系统运行的稳定性的原则，完成对系统设备的布置，以此才能够降低设备的电力损耗。

3.2选择噪音低的设备

       一般情况下，要想确保电源系统更加科学、高效、稳定地运作，电气技术人员需要严格管控设备的噪音，同时噪音过高也会导致设备操作环境变得过于复杂，使得操作者的情绪受到严重影响，从而导致工作人员的工作效率降低，甚至出现操作失误的情况。但是由于工频机UPS输入电路破坏了原有的电压波形，会给其他设备造成相应的电磁干扰，同时电感和变压器在运行过程中也会产生出大量可闻噪音，从而使得操作环境变得更加恶劣。一般情况下，工频机往往结合10kHz左右的调制频率的使用，此类频率恰好在人耳可感知的频率范围内，从而使得人员的工作环境受到严重干扰。而高频机的工作调制频率通常设置在20kHz以上，而此类赫兹频率往往在人耳感应范围之外，从而可以保障工作人员的工作环境相对较为安静。因此从供电可靠性的层面进行分析可以看出，选取适当调制频率的设备至关重要，当前20kHz以上的高频机UPS供电设备在数据中心机房中的使用相对较为常见。总体来说，在对供电系统UPS进行选取选用的过程中，工程师以及技术人员需要考虑整个系统的综合功率消耗，同时还需要考虑整个系统的噪音等级，以此才能够提高整个系统的综合运行效率。

4 提高供电可靠性的途径分析

4.1控制UPS输入输出的形式

       在控制UPS输入输出形式的过程中，电气技术人员需要进行多方面的论证探究，一般情况下在对UPS供电系统进行管理控制的过程中，需要对其中的三相负载电流不平衡问题进行重点管控，为了提高三相输出的稳定性，工程人员、技术人员可以采用三进单出的UPS单元来提高整个系统运行的效率。同时考虑到单进单出对整个输入配电所产生的不平衡问题，在当前三相输出UPS时通常被赋予了三相负载100%不平衡的能力，如果出现100%不平衡时，其电压不平衡度也只是出现微小的波动；但是结合三进单出的UPS供电模式却有着较好的运行稳定性和可靠性，比如当输出功率在90kvA时，借助正常三相输入可确保每条线路均能够输入30kvA的电流数值，以此达到整个系统运行的平衡状态，如果UPS输出端存在过载或设备故障的问题时，则会导致供电短缺的情况，出现不间断的波动负荷，在该环节整个系统设备中的线路控制开关便会选择性闭合，但是若相关开关流入的电流等级过大，则会导致供电全面断电。

       而为了保证不出现以上的问题，工程师以及技术人员需要适当增加输入电路的数值大小，比如可将输入端的输入值增加三倍，使其额定输入值变为90kvA，而多出的电路数值远远超出机房的供电需求，但是却会给上游的供电局造成较大的供电负荷，因此若单方面增加三进单出结构的UPS容量也无法解决系统运行可靠性低下的问题。当前三进单出结构的UPS选用30kvA以下的固定等级相对较为合适，在管控容量大小的过程中，可以结合n+x模块化冗余结构，结合并联UPS各结构模块，依托并联电路，将故障模块及时切换，以此来减少故障模块给整个系统所造成的综合故障问题，提高整个系统运行的可靠性和稳定性。

4.2串联单总线供电模式

       为了提高UPS供电效率，通常会结合多套UPS系统的配合使用,比如结合主机和备机共联的形式来完成供电管控，一般情况下，备机往往是作为主机旁路电源的形式存在，无论是主机还是备机，均会输入相应的市电，而备机作为旁路往往承担主机非正常状态的供电负荷，当主机中的设备存在运行故障时，UPS备机便会从旁路承担故障模块的供电负荷，如果主机处于正常供电状态，则备机将处于空载运行状态，针对此类供电方式，再无冗余UPS系统扩充改造的情况下，可提高整个系统运行的稳定性和可靠性，但是在该环节，工程师以及技术人员需要确保UPS主机具备相应的静态旁路输出端以及输入端，以此才能够保证主机以及备机正常供电，此类结构相对较为简单，能够使得设备处于正常工作运行的状态，同时也能够适当减少主机运行负荷，备机能够更加科学合理地处理突发过载变化问题，同时也能够维持主机长效稳定的运行状态。在此过程中，技术人员也可以适当将主机和备机的状态进行更换，即将备机当作为主机使用，而将主机当作为备机使用，以此来减少系统运行负荷，提高设备运行的可靠性和稳定性。除此之外，此类供电管理模式也具备较低的造价成本，可实现对系统更加高效地维护管控，在现场调试安装管理过程中，技术人员需要科学合理实施维护管理，对主机以及备机进行常态化的运维管控，提高整个体系的运行效率。

4.3双总线供电模式

       在数据中心供配电系统中，结合双总线供电模式的使用也相对较为常见，可满足供电系统更加安全、可靠、高效的运行需求，提高整个体系运行的安全系数。双总线供电模式对现场设施的空间环境以及资金投入也不具备较高的要求，在双总线供电管理模式下，可在空间资源有限的情况下实现对设备的简化管理。传统双总线供电模式结合两套UPS供电系统，实现对整个体系的多重供电荷载，比如结合两台UPS系统，在输入端输入相应的市电，并且完成双电源负载，借助STS开关完成整个系统的综合控制。

       一般情况下，当一台UPS出现故障问题时，能够保持整个系统的综合运行负荷满足相应的要求，但是单台UPS系统设备要能够支撑整个系统的总体负荷，在两台设备正常供电的情况下，将各自承担一半的用电负荷，结合此类双电源的负载管控模式能够大幅度提高整个系统运行的安全性和稳定性，同时也能够适当减少UPS设备的运行压力，延长UPS设备的使用寿命。双总线供电方案结合并联冗余设计，同时结合此类供电管理模式也能够降低外界环境所带来的不良因素影响，具体来说，在串联电路中，每多一个环节便会增加一个故障点位，在同一条故障线路上往往包含大量的结构单元，如断路器、开关、保险丝、PDU，在其中任何开关或节点出现故障问题均会导致电流无法正常高效地流通，而为了有效地解决以上问题，将双总线和并联冗余方案进行整合使用往往能够取得良好的管控效果，在该环节可结合多条市电的输入，借助多台UPS设备，并且完成对输出配电柜的合理布局设置，对其中的各项开关进行综合管控，实现对负载多维度、多层次的控制，提高整个系统的运行水平和用电效率。但是在此过程中，工程人员、技术人员需要对单电源负载、双电源负载问题进行综合评估管控，使得整个方案的设计更加科学可靠。

5安科瑞动环监控系统介绍设备选型

5.1电力监控解决方案

       电力监控系统实现对数据中心中低压配电系统、UPS、蓄电池组、ATS/STS、精密配电柜、电源支路电流、PDU机柜电源以及其它重要设备进行监视、测量、记录、报警等功能，实时掌握供电系统运行状况和可能存在的隐患，快速排除故障，提高数据中心供电可靠性。

5.2电力监控系统设备选型

6总结

       总体来说，在对广电数据中心机房UPS供电系统的可靠性问题进行探究探讨的过程中，电力工程技术人员需要根据当前10kv供电系统的实际运行情况、运行特征，完善各项基础设施，并且革新现有的供电系统，提高整个体系的供电效率。