某國外大型IDC機房的電源系統建設方案分析

2012-07-17 10:50:20張博文何云龍江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司江蘇南京210006

通信電源技術 2012年5期

張博文，何云龍（江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇南京210006）

0 引言

隨著數據業務在東南亞國家的迅速發展，IDC機房的需求量越來越大，同時對數據機房的要求也越來越高。為了更好地滿足客戶對于機房供電保障性的要求，同時降低IDC機房造價，本IDC機房的供電設計采用了大量先進的設計理念和技術，在確保機房供電可靠性的前提下，盡量減少系統投資，同時提高UPS電源的系統效率。

1 供電系統單線圖分析

在分析電源系統單線圖之前有必要先介紹一下大樓的配電系統，如圖1所示。目前大樓只有1路市電，機房大樓一共分為8層，每層樓都配有獨立的低壓配電室，低壓配電室內分別設置了2套低壓配電柜A和B，配電柜A和B分別從2個不同的變壓器引接。油機通過ATS自動切換投入到各個樓層的低壓配電系統。

UPS系統設置在大樓的第2層，UPS系統一共分為3套，UPS A＼UPS C＼UPS B。每套 UPS系統都由6臺450 kVA的UPS單機并聯組成，一共組成總容量為2700 kVA 的 UPS系統3套。其中 UPS A 和UPS B為主用，系統UPS C為備用系統。UPS最終組成2＋1備份。單獨系統都按照滿容量考慮即2700 kVA系統容量。

由于每臺UPS系統的容量巨大，同時并聯的數量之多。UPS的輸入和輸出配電需要特別的設計。以A套UPS系統的配電為例，UPS輸入屏分為2×2500 A開關，輸入屏內的母線也分為2段，每段分別負擔3臺UPS供電，輸入屏總開關分別從樓層1和2的低壓配電柜A套引接。引自同一個變壓器。UPS輸出屏的母排也用ACB開關將母聯分隔成2段。其主要目的是為了維護的方便。配電屏要求按照英標的FOAM4標準進行裝配。FOAM4裝配要求是母排與開關全部隔離，最大程度確保安全。3套UPS系統經過同步處理后輸出至樓層配電，樓層配電仍然分為A B C三個。配電列頭柜經過STS切換（A與C切換，或者B與C切換），最后輸入到服務器機架。

圖1 電源系統單線圖

2 系統先進性分析

系統具有如下先進性：

（1）UPS全部采用高頻UPS主機，從而實現比工頻UPS更高的效率。另外由于采用了EATON9395系列的UPS，UPS（包括旁路）的輸入和輸出可以不需要中性線。減少了大量的電纜使用，有效地降低了系統的投資。

（2）由于UPS輸入屏到配電列頭柜之前的電能傳輸全部實現了無中性線，因此所有配電屏內的中性排可以省去，進一步降低了配電屏的造價。

（3）在配電列頭柜內部安裝隔離變壓器，通過三角形－星形連接產生中性線，以滿足后端服務器單相電的需要。另外配合高頻UPS使用，可以提高高頻UPS的抗負載沖擊，降低零地電壓。與國內不同的是在配電列頭柜內還安裝了ELCB（漏電保護），同時整定到300 mA，在保護用戶人生安全的同時，最大程度保障服務器的正常工作，如圖2所示。

圖2 配電列頭柜單線圖

（4）大樓接地系統重新設計，在機房內部分別設置保護接地，設備中線點接地，以及隔離變壓器接地（圖3）。

各接地功能如下：

圖3 接地系統單線圖

①保護接地（Frame Earthing）：通過銅帶在機房內布放成網格，保護接地PE直接接到地上的銅帶。

②隔離變壓器接地（Isolation Transformer Neural Earthing）：連接精密配電柜內的隔離變壓器星型中性點，以防止零點偏移。

③設備中性點接地（Equipment Neutral Earthing）：例如空調配電屏內的中性線，可以直接從設備中性點接地排上引接，而不需要再從上級的配電屏內引接，可以減少電纜的使用量。

3 系統容錯能力分析

由于采用了6臺UPS并機組成系統，系統之間2＋1備份的工作模式，系統的安全性和可靠性是非常值得考慮的。按照系統滿負載情況（UPS系統A和系統B都處在滿載的情況），根據可能出現故障的幾個方面分別分析系統的容錯能力。

（1）配電屏故障

配電屏故障主要需要考慮總輸入開關故障，單機UPS輸入開關故障，單機UPS輸出開關故障這三種情況。

總輸入故障：UPS輸入屏內任何一個總輸入脫扣，對應的3臺UPS的電池將放電，當電池放電結束后，另外3臺UPS系統無法承擔滿載時的負載，系統內的6臺主機將全部切到旁路。

單機輸入開關故障：UPS系統會超載然后切換到旁路。

單機輸出開關故障：UPS系統會超載然后切換到旁路。

（2）UPS系統故障

UPS系統故障主要考慮整流器和逆變器故障，在這兩種情況下系統都將會超載而切換到旁路。

因此如果UPS系統工作在滿載的情況下，任何一個部件出現問題，那么系統便會切換到旁路。因此STS以及UPS系統C的存在顯得非常的重要，有必要分析STS系統的可靠性和切換條件。

在正常工作情況下UPS系統A、B和C都是同步的，因此STS在這種情況下切換沒有任何問題。主要問題是出現在系統A或者B處在旁路的工作條件下STS是否可以完成不掉電切換。STS判斷系統可否不掉電切換的最主要因素是電壓的相位角不能超過一定范圍（本案例是30°）。在正常工作情況下系統C作為主用，A和B都是追蹤C的相位和幅值來實現同步的，但是在A或者B分別工作在旁路的情況下，A和C或者B和C將無法實現追蹤。因此市電與變壓器成為決定STS是否可以不掉電切換的決定因素。本案例中變壓器全部是采用同一廠家，同一型號，同一批次的變壓器而且引自同一路市電，另外從低壓配電到UPS輸入之間全程采用的都是封閉密集母線，因此在設計階段和后來的實際測試階段發現，不同變壓器之間的電壓相位差很小，滿足30°角的要求。因此即便沒有UPS系統間的同步控制功能，STS也能實現不掉電切換。這個便是本設計中STS的關鍵部分。無論任何一個UPS系統處在旁路的工作條件，STS已經準備就緒，如果再發生任何故障，系統A或者B的負載將全部切換到備份系統上。

如果按照本方案的最高保障程度，對于單臺雙路輸入的服務器來說，電源是分別從UPS A和UPS B兩套系統分別引接，C系統提供備份。相對于國內常見的雙母線供電方式，本方案能提供更高的系統保障性。

4 應用和推廣建議

（1）如果希望增強系統的安全性，可以適當地控制單套UPS系統的容量，例如可以考慮5＋1或者4＋2的冗余方式，然后系統再進行2＋1備份。這樣任何一套UPS系統內如果出現故障，系統不至于切換到旁路。

（2）適當地降低PDU內部隔離變壓器的容量。因為在STS切換的瞬間，對于C系統的浪涌電流（Inrush Current）太大，可能會達到10倍或者50倍的變壓器額定電流，瞬間可能會燒壞UPS系統的內部元器件。