由電源改造實(shí)例談機(jī)房供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯連軍

（新華通訊社，北京 100803）

0 引 言

供電系統(tǒng)作為機(jī)房的重要基礎(chǔ)保障設(shè)施，其結(jié)構(gòu)與供電的安全性、可靠性、實(shí)用性等密切相關(guān)。在電源改造項(xiàng)目中，因受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，需要因地制宜，選擇合理的供電結(jié)構(gòu)。本文總結(jié)了機(jī)房電源改造中應(yīng)遵循的幾項(xiàng)原則，以期提供借鑒。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

供配電系統(tǒng)本身的可靠性和安全性，是機(jī)房設(shè)備得以正常運(yùn)行的重要前提。中心機(jī)房設(shè)備屬于一級(jí)負(fù)荷。按照一級(jí)負(fù)荷供電標(biāo)準(zhǔn)，必須由超過(guò)兩個(gè)單獨(dú)電源點(diǎn)提供供電。換言之，即兩路電源必須來(lái)源于兩個(gè)變電站，并結(jié)合實(shí)際情況使用不同冗余配置的UPS電源。供配電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，利用UPS進(jìn)行穩(wěn)頻穩(wěn)壓，通過(guò)配置獨(dú)立雙路電源或通過(guò)靜態(tài)開關(guān)將兩路電源互投為計(jì)算機(jī)設(shè)備供電，確保計(jì)算機(jī)設(shè)備的使用效率和用電質(zhì)量[1]。如果市電停止供電，這時(shí)UPS內(nèi)部后備電池為中心機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備提供電源，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)房供電系統(tǒng)用電設(shè)備主要包括機(jī)房專用空調(diào)、機(jī)房設(shè)備專用電源、普通照明、事故照明、新風(fēng)機(jī)、消防排煙風(fēng)機(jī)、監(jiān)控設(shè)備和墻插座等。

2.1 機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)

供電所總配電室向機(jī)房市電配電柜提供專用電源，核心機(jī)房需提供雙路電源并采取末端切換方式，以提高供電的可靠性。

2.2 計(jì)算機(jī)設(shè)備

機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備電源先由總配電室沿電氣豎井到機(jī)房互投柜，經(jīng)過(guò)UPS雙轉(zhuǎn)換后再為機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備提供電源。同時(shí)，服務(wù)器機(jī)柜電源末端取電則是應(yīng)用工業(yè)連接器電源插座[2]。

2.3 機(jī)房照明、應(yīng)急照明等其他電源

機(jī)房照明、風(fēng)機(jī)、墻插座的電源由市電配電柜提供，應(yīng)急照明、監(jiān)控設(shè)備則是應(yīng)用機(jī)房UPS配電柜輸送的電源。

3 搭建機(jī)房電纜和分布配管配線

夏季溫度較高，如果電纜集中敷設(shè)，會(huì)大大降低散熱速度，降低電纜載流量。因此，在選擇電纜規(guī)格時(shí)，以周圍環(huán)境溫度+40 ℃為電纜載流量基準(zhǔn)。為滿足電纜防火方面的要求，可以選擇阻燃性電力電纜，推薦使用無(wú)鹵低煙阻燃聚乙烯絕緣銅芯線這種材料的電纜[3]。此外，機(jī)房計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以使用阻燃屏蔽電力電纜，從而解決電磁干擾方面的問(wèn)題[4]。弱電網(wǎng)線和電源電纜選擇金屬電纜橋架分層敷設(shè)，并做好可靠接地。有架空地板的機(jī)房還可以使用弱電橋架架空敷設(shè)、電源橋架地板下敷設(shè)等方式。

4 根據(jù)上級(jí)電源運(yùn)行方式確定輸入電源結(jié)構(gòu)

某國(guó)際新聞中心機(jī)房位于大廈11層，為該大廈網(wǎng)絡(luò)、通信、存儲(chǔ)等系統(tǒng)提供基礎(chǔ)保障空間。機(jī)房總面積約為350 m2，按照功能劃分為主機(jī)房區(qū)、輔助機(jī)房區(qū)及動(dòng)力保障區(qū)。該機(jī)房電力改造界面起始于大廈地下變電室的配電柜開關(guān)下口，末端到11層機(jī)房40面機(jī)柜的PDU。供電系統(tǒng)包括輸入輸出配電柜、UPS供電系統(tǒng)、以及機(jī)房照明和空調(diào)等輔助用電。

根據(jù)機(jī)房容量需求，大廈地下變電室提供2路獨(dú)立3相380 V、630 A電源開關(guān)接口。本項(xiàng)目從變電室到11層機(jī)房敷設(shè)4條185 mm2主干電纜，兩兩并聯(lián)，以保證機(jī)房設(shè)備供電的可靠性。機(jī)房?jī)?nèi)配置2組250 kVA UPS獨(dú)立運(yùn)行，每臺(tái)UPS電池后備時(shí)間約20 min，可為40面機(jī)柜及IDF間提供雙路不間斷電源，如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前的電源結(jié)構(gòu)圖

圖1 的供電方案滿足了雙路電源的需求，且兩路電源獨(dú)立運(yùn)行。其中，一路電源故障的情況下，另一路電源的正常供電不受影響。分析發(fā)現(xiàn)，本方案中由變電室引到11層機(jī)房的兩路市電未在機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行切換或聯(lián)絡(luò)，不能規(guī)避變電室到機(jī)房段的線路故障。經(jīng)考察，變電室配電系統(tǒng)為單母線供電，每年夏季用電高峰前兩路電源將分別檢修，每路輸出停電時(shí)間約7 h，將導(dǎo)致機(jī)房的兩路UPS因電池過(guò)放電而關(guān)機(jī)，而空調(diào)等單電設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)部分停機(jī)現(xiàn)象，使機(jī)房設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

針對(duì)以上情況，對(duì)原配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)修改，在UPS前端增加雙路電源切換裝置（ATS），實(shí)現(xiàn)了雙路電源的末端切換。正常運(yùn)行時(shí)，兩組UPS可分別由兩路市電供電，負(fù)載均分，避免市電檢修時(shí)UPS因?yàn)殡姵剡^(guò)放電而斷電的風(fēng)險(xiǎn)。由于大廈變電室中A路電源可由備用發(fā)電機(jī)組供電（B路電源僅能由市電供電），應(yīng)急情況下可通過(guò)A路電纜同時(shí)將發(fā)電機(jī)電源供給兩組UPS和機(jī)房全部負(fù)載。在輸入電源不變的情況下，這可大大提高系統(tǒng)的安全性。圖2為優(yōu)化調(diào)整后的機(jī)房供電結(jié)構(gòu)。

通過(guò)圖1與圖2比較可以看出，優(yōu)化后的供電方案更加合理，供電方式更加靈活、可靠。機(jī)房投入運(yùn)行數(shù)年來(lái)，盡管大樓變電室每年例行檢修時(shí)兩路市電都是輪流停電約7 h，但因機(jī)房?jī)膳_(tái)ATS自動(dòng)切換電源，保證了兩組UPS不間斷運(yùn)行。空調(diào)也僅在電源切換過(guò)程中瞬斷后重啟，機(jī)房溫度沒有明顯變化，有效保障了機(jī)房設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 優(yōu)化后的電源結(jié)構(gòu)圖

5 根據(jù)負(fù)載類型確定輸出供電方式

在電源改造項(xiàng)目中，還需要針對(duì)負(fù)載的不同特性和要求，對(duì)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)做相應(yīng)調(diào)整，使之與負(fù)載類型相匹配。當(dāng)機(jī)房中服務(wù)器、核心交換機(jī)等設(shè)備多為冗余雙（多）電源模塊配置，機(jī)柜通過(guò)配置雙路電源大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。當(dāng)負(fù)載多為單電設(shè)備時(shí)，在適當(dāng)位置配置STS，可以降低設(shè)備斷電的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可用性。

如圖3所示，在一例樓宇I(lǐng)DF間UPS電源更新項(xiàng)目中，各樓層IDF間配置的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為單電源設(shè)備，UPS室到IDF間也為單路電源布線。這種情況下，通過(guò)配置STS可提高供電的可靠性。實(shí)際應(yīng)用中，由于兩路市電來(lái)自不同的路由，需要對(duì)兩路電源的頻率、相位和幅值的差異做檢測(cè)評(píng)估。當(dāng)兩路電源達(dá)不到STS的同步切換要求時(shí)，STS將不能正常切換，或因強(qiáng)制切換導(dǎo)致負(fù)載供電短時(shí)中斷。為解決以上問(wèn)題，可在兩臺(tái)UPS間配置同步跟蹤控制器（ISM），使兩臺(tái)UPS的輸出保持同步狀態(tài)，以免STS關(guān)鍵時(shí)刻無(wú)法發(fā)揮作用。

兩臺(tái)UPS電源的輸出信號(hào)分別送到同步跟蹤控制器（ISM）。ISM通過(guò)對(duì)兩臺(tái)UPS發(fā)送同樣的信號(hào)指令使其輸出同步（電源頻率、幅值、相位），或使一臺(tái)UPS跟蹤另一臺(tái)UPS的輸出，確保STS切換過(guò)程不影響負(fù)載的正常運(yùn)行。

6 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇合理的空間結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的條件因地制宜，選用最合理的電源配置方案，以便在后期的設(shè)備維護(hù)過(guò)程中，更好地掌握系統(tǒng)安全的主動(dòng)權(quán)。

圖3 配置STS及同步跟蹤控制器的雙路UPS系統(tǒng)

在主控機(jī)房傳輸設(shè)備向大廈四段機(jī)房搬遷電源改造中，由不同運(yùn)營(yíng)商分期配備的5臺(tái)直流電源柜分別為15面機(jī)柜傳輸設(shè)備提供48 V直流電源。總?cè)萘績(jī)H幾十千瓦的電源柜占用了機(jī)房5面機(jī)柜的空間，在機(jī)房空間資源日益緊張的情況下，急需改進(jìn)。此外，直流電源柜尺寸與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜不同，影響機(jī)房的冷通道封閉和整體美觀。

圖4為電源改造方案。采用4臺(tái)48 V、400 A嵌入式電源，兩兩布置在機(jī)柜上部，將機(jī)柜托板加固，增加地腳支撐，每臺(tái)機(jī)柜下部安放16只12 V、100 AH電池。每個(gè)機(jī)柜可輸出獨(dú)立雙路電源，關(guān)鍵負(fù)載從兩面空間隔離的機(jī)柜取電，互為備份。不僅提高了供電的可靠性，而且為機(jī)房節(jié)省了3面機(jī)柜的安裝空間，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖4 嵌入式電源及電池組

7 結(jié) 論

從以上實(shí)例可以看出，在選擇電源結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)條件、運(yùn)行方式、負(fù)載類型等做深入細(xì)致的分析，因地制宜才能打造更安全的供電系統(tǒng)，最大限度保證負(fù)載供電的不間斷，為機(jī)房設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造良好條件。