不間斷電源高效模式在數據中心節能方面的應用

盧 敏，周宏渝，李海平，卿 波

（萬國數據（成都）實業有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

數據中心作為巨量數據的交換、存儲樞紐，其高度可靠的電力供應保證處于中心地位。數據中心節能需基于不降低電力可靠性的情況進行持續改進。在應用不間斷電源的高效模式時，需要在不降低電力供應可靠性的情況下采取各種措施進行充分的分析驗證。本文從不間斷電源高效模式應用的理論分析、現場調試以及實際應用注意事項3個角度，對不間斷電源高效模式在數據中心行業應用對電力供應可靠性的影響進行分析。

1 電力供應可靠性影響

1.1 國家標準對數據中心供電連續性的要求

舊國標GB50174—2008對供電連續性的要求[1]：（1）A級數據中心，服務器斷電時間＜4 ms；（2）B級數據中心，服務器斷電時間＜10 ms。

新國標GB50174—2017對供電連續性的要求[2]：（1）A/B級數據中心，服務器斷電時間＜10 ms；（2）新國標相對于舊國標，對斷電持續時間有所放寬。

1.2 不間斷電源斷電時間對服務器供電連續性的影響

不間斷電源采用高效模式的情況下（靜態旁路供電），如果發生靜態旁路掉電，由于不間斷電源必然存在對靜態旁路掉電的檢測、判斷及切換環節，理論上必然存在對服務器的瞬時斷電。不間斷電源供電電壓正弦波形如圖1所示（以單相為例），周期時間T0=20 ms，Tc為斷電持續時間，Ts為斷電起始時間。根據電路原理[3]，受電設備是否掉電取決于其供電電壓的有效值。現分析斷電持續時間及斷電起始時刻對供電電壓有效值的影響。

圖1 供電電壓波形

其中，U為斷電及其持續Tc時間后的電壓有效值，Umax為正弦電壓峰值，w為角速度，T為周期，Tc為斷電持續時間。

UPS靜態開關切換時間為10 ms和4 ms的計算結果列表，分別如表1、表2所示。從表1的計算結果可以看出，當UPS靜態開關切換時間為10 ms時，所在周期有效值為額定值的70.7%。從表2的計算結果可以看出，當UPS靜態開關切換時間為4 ms時，所在周期有效值最低為額定值的80.5%，最高為額定電壓的97.5%。

從計算結果可以看到，切換時間越短，對電壓有效值的影響越小。在斷電持續時間為4 ms的情況下，周期內電壓降低到額定值的80.5%～97.5%；在斷電持續時間為10 ms的情況下，周期內電壓降低到額定值的70.7%。

表1 靜態開關切換時間為10 ms時對受電設備電壓的影響

表2 靜態開關切換時間為4 ms時對受電設備電壓的影響

由于當前服務器和交換機的工作電壓均范圍很寬（100～240 VAC）。因此，理論分析計算，不間斷電源采用高效模式的情況下，斷電10 ms及以下不會導致服務器掉電。數據中心行業中，不間斷電源不僅給服務器供電，還給其他負荷供電，其中最重要的是通過變頻器為冷凍泵供電，而變頻器為電壓敏感設備。因而，在分析不間斷電源高效模式的應用中，應重點考慮為變頻器供電的情況。

2 不間斷電源高效模式的現場調試

單機高效模式運行時，現場斷開靜態旁路開關QF1，觀察下游負載是否斷電；（2）并機高效模式運行時，現場一次斷開靜態旁路開關QF1和QF4，觀察下游負載是否斷電。

通過對4個品牌2種類型的UPS，按圖2和圖3的模式進行高效模式驗證[4]，驗證結果如表3所示。

圖2 單機UPS高效模式調試

3 不間斷電源高效模式實際應用中的注意事項

通過對品牌2和品牌3并機進行高效模式驗證，存在共性問題和特性問題。

3.1 共性問題

（1）品牌2和品牌3在低負荷情況下，只要保證有1臺不間斷電源的靜態旁路開關工作正常，即使其他不間斷電源的主路和靜態旁路都斷開，并機不間斷電源仍將保持高效模式運行且無法發出告警；

（2）品牌2和品牌3在高效模式下運行，不同不間斷電源靜態旁路分擔的負荷比例不同（施工中電纜長度不一致引起）。由于不同品牌對不間斷電源高效模式切換判斷邏輯不同，可能導致部分品牌不間斷電源因施工問題而無法進入高效模式，需在施工中引起高度重視。

圖3 并機UPS高效模式調試

3.2 特性問題

（1）品牌2在高效模式下運行，斷開蓄電池開關，不間斷電源保持在高效模式運行。品牌3在高效模式下運行，斷開蓄電池開關，不間斷電源切換為逆變模式工作。調試中需要對不同品牌的不間斷電源進行全面驗證，以充分了解不同品牌設備的運行邏輯。

表3 驗證結果

（2）品牌3并機，若先單獨開啟一臺機并運行在高效模式，然后再加開一臺機，可能導致加開設備運行在高效模式，而原設備運行在逆變模式，導致運行模式不一致。不同設備間產生功率循環可能引起潛在的設備損壞風險。調試中需要對不同品牌的不間斷電源進行全面驗證，以充分了解不同品牌設備的運行邏輯，從而避免潛在的設備風險。

4 結 論

（1）不間斷電源高效模式應用于為服務器供電，在切換時間小于10 ms的情況下，可充分保證服務器供電可靠性；

（2）不間斷電源高效模式應用于為變頻器設備供電，在切換時間小于4 ms的情況下，可充分保證變頻器供電可靠性；

（3）并機不間斷電源高效模式下會產生不均流現象，需要在施工過程中盡可能讓各不間斷電源輸出電纜長度一致，盡可能減少不均流現象；

（4）部分品牌不間斷電源高效模式運行，可能因操作不當導致不同不間斷電源間同時存在逆變模式和旁路模式同時運行的情況并存在潛在設備損壞風險；

（5）并機不間斷電源高效模式運行時，在低負荷情況下存在靜態旁路開關跳閘而不間斷電源本身無法檢測并發出告警的現象，需加強靜態開關跳閘監控及現場巡視。