某數據中心機房UPS供電系統改造設計及其可用性分析

陳金鑾（福建省建筑工程施工圖審查中心，福州 350001）

1 概述

某數據中心機房設在大樓二層，數據中心總配電間設在一層。根據《電子信息系統機房設計規范》GB50174-2008（以下簡稱《規范》）機房分級規定及性能要求，本機房為B級電子信息系統機房。機房場地設施按冗余系統配置，系統運行期間，場地設施在冗余能力范圍內，不應因設備故障而導致系統運行中斷。由于數據業務發展的需要，機房增加了服務器、路由器、交換機、磁盤陣列等數據設備，機房數據設備的計算負荷達到90 kVA，原有單總線UPS供電系統冗余供電容量不足。設計一套UPS供電系統，系統冗余供電容量大于90 kVA，系統可用性高于0.99999，合理利用原UPS設備，達到系統運行安全可靠、技術先進、經濟合理是改造設計的主要目標。

2 原有UPS供電系統

現有UPS供電系統由交流供電系統、“1+1”UPS系統及各級配電單元子系統組成單總線UPS供電系統，系統框圖見圖1。UPS供電系統的機房配電單元（PDU）布置在二層機房內，其余設備均布置在一層總配電間內。

圖1 “1+1”單總線UPS供電系統框圖

由大樓10/0.4kV變電所I段母線和應急母線提供兩路125A的電源回路并在總配電間自動切換，把交流供電系統輸出的電源經輸入配電單元給UPS系統供電，UPS系統輸出電源經輸出配電單元給機房配電單元（PDU）供電。現有UPS系統由兩臺40 kVA的UPS單機設備配置成“1+1”并機冗余系統，UPS供電系統最大冗余供電容量為40kVA，不能滿足機房增加數據設備后總負荷的供電要求，必須進行全面的擴容改造。

3 UPS系統設計

UPS系統設計是機房UPS供電系統設計的核心內容，根據《規范》第8.1.1條規定，B級機房UPS系統配置應選用“N+X”并聯或串聯冗余系統，首選“N+1”并機冗余系統。

3.1 “N+1”并機系統

“N+1”并機系統是把（N+1）臺型號規格相同且具有并機功能的UPS設備，由并機邏輯控制總線調控，在單機的輸出處于電壓幅度相同、輸出頻率和相位相同的條件下并機，系統有1臺UPS設備冗余。系統正常工作時由（N+1）臺UPS設備向負載供電，（N+1）臺UPS設備平均分配負載電流。當1臺UPS設備出現故障時，在并機控制信號的調控下，該故障UPS設備自動退出，由N臺UPS設備繼續向負載供電。

根據“N+1”系統可用性模型，當N=1，“N+1”系統即為“1+1”系統，系統可用性A1+1=[1-(1-AU)2]，其中AU為單機UPS的可用性。當N＞1，“N+1”系統可用性是N×(N+1)/2個“1+1”系統可用性的乘積。根據UPS設備整機可靠性統計數據資料，帶靜態旁路UPS 設備（主機）可用性AU=0.99994883941，“N+1”系統并機臺數、設備利用率及系統可用性計算結果見表1。

由上述分析，“N+1”并機系統配置應考慮以下要點：

1）并機臺數增加，系統可用性下降，設備利用率提高，系統配置必須滿足系統可用性的基本要求。UPS系統可用性指標由UPS供電系統總體分配確定。

2）在滿足系統可用性要求的前提下，選用設備利用率高的系統，即先確定“N+1”系統并機臺數，再根據UPS系統基本容量要求確定單機容量。對于利用原有UPS設備的改造工程設計，UPS設備單機容量已定，按UPS系統基本容量要求確定并機臺數，應校驗UPS系統可用性能否滿足要求。

3）“N+1”系統是在并機邏輯控制總線調控下正常運行的，并機臺數增多、系統失調風險加大。在高可用性系統中，并機臺數不宜多于4臺。

4）“N+1”系統有分散式旁路和集中式旁路兩種旁路方式。集中式旁路不存在旁路均流問題，系統并機環流比較容易控制，但存在單點瓶頸故障。

3.2 配置設計

原有UPS系統選用兩臺容量40 kVA隔離雙變換在線式UPS單機設備配置成“1+1”并機冗余系統。UPS單機設備選型及系統配置方式，具有運行安全可靠、技術先進、經濟合理且擴容方便的優點。擴容設計的UPS系統配置采用“N+1”并機冗余方式，原有兩臺UPS設備經測試，具備與型號規格相同的UPS設備并機條件，應加以利用。“N+1”系統并機臺數確定如下：

根據《規范》第8.1.7條規定，UPS系統基本容量E與數據設備計算負荷P應滿足下式要求：

取N=3，即應配置4臺UPS設備組成“3+1”并機冗余系統，其基本容量才能滿足負荷供電要求。利用原有兩臺UPS設備，需另配置兩臺型號規格相同的UPS設備。表1計算結果顯示，“3+1”UPS系統可用性0.99999998428，設備利用率0.75。

原有“1+1”冗余系統為兩臺UPS設備分散式旁路，改造后新舊UPS設備并機的“3+1”冗余系統，采用集中式旁路的方案，能夠有效解決旁路均流問題，系統的并機環流也容易得到控制。由于2V蓄電池組壽命長、單體容量大且機房安裝條件容許，選用2V蓄電池，按行業內部規定電池組后備時間30min。

“3+1”UPS系統線纜數量較多且密集，通過優化UPS主機柜及蓄電池柜的布置方案，各臺設備輸出的L、N、PE線纜沿獨立的敷設路徑獨立連接至公共母排裝置上。這種線纜連接方案中，當一臺UPS設備檢修、維護時，不影響其他UPS設備的運行，也不影響設備接地的完整性。“3+1”UPS系統設置手動維護旁路仍是不可缺少的重要功能，UPS系統接線原理圖見圖2。

圖2 “3+1”UPS 系統接線原理圖

4 交流供電系統

數據中心的數據設備負荷及空調負荷均為一級負荷中特別重要負荷，改造后特別重要負荷容量明顯增加，另設1臺200kW的柴油發電機組作為數據中心UPS供電系統及新增空調系統的應急電源。大樓變電所提供兩路250A的電源回路并在總配電間自動切換，自動切換輸出的電源回路與發電機組應急電源回路再次自動切換輸出一個可靠的電源。

表1 “N+1”系統并機臺數、設備利用率及系統可用性

選擇自動切換開關電器（ATSE）首先要考慮其安全可靠性。應選用一體化結構PC級、帶有延時型的ATSE產品，并按《規范》第8.1.16條規定，選用具有旁路功能的旁路隔離型或旁路抽出型ATSE產品，實現檢修時不長時間停電。在交流供電系統輸出母線應安裝符合Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器。

根據有關可用性統計數據及并聯冗余系統可用性計算公式，變電所提供的兩路低壓電源可用性A1=0.99879779101，柴油發電機電源可用性A2=0.9999283619，自動切換開關可用性A3=0.99994378043。變電所提供兩路低壓電源自動切換后的電源可用性A4=[1-(1-A1)2]×A3，該電源與柴油發電機電源再次自動切換后的電源可用性Ai=[1-(1-A4)×(1-A2)]×A3，計算得交流供電系統可用性Ai=0.99994377630。

5 輸入和輸出配電單元

輸入配電單元把交流供電系統輸出的電源分配給UPS系統的各臺UPS主機以及公共旁路，各臺UPS主機輸入回路電流按UPS額定輸出電流的1.2～1.25倍考慮，并選擇配電回路斷路器，輸入配電單元應適當預留備用配電回路。輸出配電單元把UPS系統的輸出電源分配給機房配電單元（PDU），輸出配電單元應適當預留備用配電回路。輸入和輸出配電單元應安裝符合Ⅱ級分類試驗的浪涌保護器。

6 機房配電單元（PDU）

機房配電單元（PDU）是數據中心機房UPS供電系統的最末一級配電單元，其主要功能是隔離、分配、控制和監視由UPS輸出配電單元輸出的交流電源，并為機房數據設備提供高品質、高可靠、高抗干擾的電源。機房PDU應選用符合工業標準的產品，確保機房數據設備供電的可靠性、安全性。機房PDU應安裝符合Ⅲ級分類試驗的浪涌保護器。

PDU包括一個靜電屏蔽隔離變壓器，為干式、雙屏蔽、三相、對流氣冷式，其產品應符合UL1561標準。靜電屏蔽隔離變壓器不僅解決了屏蔽隔離抗干擾問題，其次級Y型繞組中性點的重復接地，也有效地解決了負載端零地電壓問題，為數據設備的電源安全穩定性提供有力的保障。《規范》規定電子信息設備供電電源的零地電壓應小于2V,有的服務器設備服務商要求機房電源的零地電壓小于1V, 零地電壓是機房電源安全重要的測試指標之一。

7 系統可用性分析與總結

改造后機房UPS供電系統是由交流供電系統、“3+1”UPS系統及各級配電單元子系統組成的單總線UPS供電系統，系統可用性分析模型見圖3。交流供電系統輸出的一路電源與UPS蓄電池電源組成并聯冗余系統給UPS主機供電，假定各配電單元的可用性相同，UPS供電系統可用性是各個串聯子系統的乘積，其計算式表示為：

A=［1-(1-Ai×Ap)×(1-Ae)］×Aus×Ap×Ap

其中Ai=0.99994377630（交流供電系統可用性）

Ap=0.99999725042（配電單元可用性）

Ae=0.99998303088（UPS電池可用性）

Aus——UPS系統可用性

不同配置的UPS系統及其單總線供電系統可用性計算結果見表2。

表2 不同配置的UPS系統及其單總線供電系統可用性

表2中，“N”系統可用性同單機UPS的可用性，“3+2”系統可用性計算式Aus=[1-(1-AU)3]10。

總結：

1）改造后“3+1”UPS供電系統的可用性高于0.99999，UPS系統基本容量120kVA，滿足本機房數據設備負荷供電要求。UPS供電系統設計必須滿足數據設備負荷供電可用性及基本容量的要求。

2）UPS系統配置在滿足系統可用性要求的前提下選用設備利用率高的系統，可以節省投資、降低系統運行能耗。

3）“N+1”并機冗余系統是B級機房UPS系統配置的首選方案。“N+1”系統是在并機邏輯控制總線調控下正常運行的，并機臺數增多，系統失調風險加大，并機臺數不宜多于4臺。

4）提高UPS系統冗余度，把“3+1”系統配置改為“3+2”系統，UPS系統可用性明顯提高，但單總線UPS供電系統可用性沒有明顯變化（其區別僅在小數點后第8位），考慮設備利用率下降、增加投資及運行能耗等因素，不是可取的配置方案。

5）盲目提高UPS系統的可用性指標，系統過于復雜，不僅會加大投資、增加系統運行能耗，也會提高系統運行維護難度, 往往難以實現預期的系統可用性。

6）單總線UPS供電系統可用性是各子系統及配電單元可用性的乘積，減少配電級數是提高UPS供電系統可用性的有效辦法之一。

7）無冗余配置的UPS系統（N系統），其供電系統可用性低于0.99999，不能滿足B級機房UPS供電系統可用性要求。

［1］ 中國電子工程設計院. GB50174-2008 電子信息系統機房設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］ 中國機房設施工程有限公司. GB50462-2008 電子信息系統機房施工及驗收規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［3］ 中國建筑標準設計研究院，四川中光高技術研究所有限責任公司.GB50343-2004 建筑物電子信息系統防雷技術規范[S］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［4］ 中訊郵電咨詢設計院. YD/T5040-2005 通信電源設備安裝工程設計規范［S］.北京：北京郵電大學出版社，2006.

［5］ 張廣明，韓林. 數據中心UPS供電系統的設計與應用［M］. 北京：人民郵電出版社，2008.