由電源改造實例談機房供電系統的結構設計

2018-10-15 07:02:24湯連軍

通信電源技術 2018年8期

湯連軍

（新華通訊社，北京 100803）

0 引言

供電系統作為機房的重要基礎保障設施，其結構與供電的安全性、可靠性、實用性等密切相關。在電源改造項目中，因受現場條件限制，需要因地制宜，選擇合理的供電結構。本文總結了機房電源改造中應遵循的幾項原則，以期提供借鑒。

1 系統結構設計原則

供配電系統本身的可靠性和安全性，是機房設備得以正常運行的重要前提。中心機房設備屬于一級負荷。按照一級負荷供電標準，必須由超過兩個單獨電源點提供供電。換言之，即兩路電源必須來源于兩個變電站，并結合實際情況使用不同冗余配置的UPS電源。供配電系統運轉期間，利用UPS進行穩頻穩壓，通過配置獨立雙路電源或通過靜態開關將兩路電源互投為計算機設備供電，確保計算機設備的使用效率和用電質量[1]。如果市電停止供電，這時UPS內部后備電池為中心機房計算機設備提供電源，使計算機網絡設備能夠持續運轉。

2 供電系統結構

機房供電系統用電設備主要包括機房專用空調、機房設備專用電源、普通照明、事故照明、新風機、消防排煙風機、監控設備和墻插座等。

2.1 機房空調系統

供電所總配電室向機房市電配電柜提供專用電源，核心機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 計算機設備

機房計算機設備電源先由總配電室沿電氣豎井到機房互投柜，經過UPS雙轉換后再為機房計算機設備提供電源。同時，服務器機柜電源末端取電則是應用工業連接器電源插座[2]。

2.3 機房照明、應急照明等其他電源

機房照明、風機、墻插座的電源由市電配電柜提供，應急照明、監控設備則是應用機房UPS配電柜輸送的電源。

3 搭建機房電纜和分布配管配線

夏季溫度較高，如果電纜集中敷設，會大大降低散熱速度，降低電纜載流量。因此，在選擇電纜規格時，以周圍環境溫度+40 ℃為電纜載流量基準。為滿足電纜防火方面的要求，可以選擇阻燃性電力電纜，推薦使用無鹵低煙阻燃聚乙烯絕緣銅芯線這種材料的電纜[3]。此外，機房計算機和網絡設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題[4]。弱電網線和電源電纜選擇金屬電纜橋架分層敷設，并做好可靠接地。有架空地板的機房還可以使用弱電橋架架空敷設、電源橋架地板下敷設等方式。

4 根據上級電源運行方式確定輸入電源結構

某國際新聞中心機房位于大廈11層，為該大廈網絡、通信、存儲等系統提供基礎保障空間。機房總面積約為350 m2，按照功能劃分為主機房區、輔助機房區及動力保障區。該機房電力改造界面起始于大廈地下變電室的配電柜開關下口，末端到11層機房40面機柜的PDU。供電系統包括輸入輸出配電柜、UPS供電系統、以及機房照明和空調等輔助用電。

根據機房容量需求，大廈地下變電室提供2路獨立3相380 V、630 A電源開關接口。本項目從變電室到11層機房敷設4條185 mm2主干電纜，兩兩并聯，以保證機房設備供電的可靠性。機房內配置2組250 kVA UPS獨立運行，每臺UPS電池后備時間約20 min，可為40面機柜及IDF間提供雙路不間斷電源，如圖1所示。

圖1 優化前的電源結構圖

圖1 的供電方案滿足了雙路電源的需求，且兩路電源獨立運行。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。分析發現，本方案中由變電室引到11層機房的兩路市電未在機房內進行切換或聯絡，不能規避變電室到機房段的線路故障。經考察，變電室配電系統為單母線供電，每年夏季用電高峰前兩路電源將分別檢修，每路輸出停電時間約7 h，將導致機房的兩路UPS因電池過放電而關機，而空調等單電設備也會出現部分停機現象，使機房設備長時間處于高風險運行狀態。

針對以上情況，對原配電結構進行適當修改，在UPS前端增加雙路電源切換裝置（ATS），實現了雙路電源的末端切換。正常運行時，兩組UPS可分別由兩路市電供電，負載均分，避免市電檢修時UPS因為電池過放電而斷電的風險。由于大廈變電室中A路電源可由備用發電機組供電（B路電源僅能由市電供電），應急情況下可通過A路電纜同時將發電機電源供給兩組UPS和機房全部負載。在輸入電源不變的情況下，這可大大提高系統的安全性。圖2為優化調整后的機房供電結構。

通過圖1與圖2比較可以看出，優化后的供電方案更加合理，供電方式更加靈活、可靠。機房投入運行數年來，盡管大樓變電室每年例行檢修時兩路市電都是輪流停電約7 h，但因機房兩臺ATS自動切換電源，保證了兩組UPS不間斷運行。空調也僅在電源切換過程中瞬斷后重啟，機房溫度沒有明顯變化，有效保障了機房設備的穩定運行。

圖2 優化后的電源結構圖

5 根據負載類型確定輸出供電方式

在電源改造項目中，還需要針對負載的不同特性和要求，對供電系統的結構做相應調整，使之與負載類型相匹配。當機房中服務器、核心交換機等設備多為冗余雙（多）電源模塊配置，機柜通過配置雙路電源大大提高了系統供電的可靠性。當負載多為單電設備時，在適當位置配置STS，可以降低設備斷電的風險，提高系統的可用性。

如圖3所示，在一例樓宇IDF間UPS電源更新項目中，各樓層IDF間配置的網絡交換機為單電源設備，UPS室到IDF間也為單路電源布線。這種情況下，通過配置STS可提高供電的可靠性。實際應用中，由于兩路市電來自不同的路由，需要對兩路電源的頻率、相位和幅值的差異做檢測評估。當兩路電源達不到STS的同步切換要求時，STS將不能正常切換，或因強制切換導致負載供電短時中斷。為解決以上問題，可在兩臺UPS間配置同步跟蹤控制器（ISM），使兩臺UPS的輸出保持同步狀態，以免STS關鍵時刻無法發揮作用。

兩臺UPS電源的輸出信號分別送到同步跟蹤控制器（ISM）。ISM通過對兩臺UPS發送同樣的信號指令使其輸出同步（電源頻率、幅值、相位），或使一臺UPS跟蹤另一臺UPS的輸出，確保STS切換過程不影響負載的正常運行。

6 根據現場條件，選擇合理的空間結構

實際應用中，還需要根據現場的條件因地制宜，選用最合理的電源配置方案，以便在后期的設備維護過程中，更好地掌握系統安全的主動權。

圖3 配置STS及同步跟蹤控制器的雙路UPS系統

在主控機房傳輸設備向大廈四段機房搬遷電源改造中，由不同運營商分期配備的5臺直流電源柜分別為15面機柜傳輸設備提供48 V直流電源。總容量僅幾十千瓦的電源柜占用了機房5面機柜的空間，在機房空間資源日益緊張的情況下，急需改進。此外，直流電源柜尺寸與現場標準機柜不同，影響機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48 V、400 A嵌入式電源，兩兩布置在機柜上部，將機柜托板加固，增加地腳支撐，每臺機柜下部安放16只12 V、100 AH電池。每個機柜可輸出獨立雙路電源，關鍵負載從兩面空間隔離的機柜取電，互為備份。不僅提高了供電的可靠性，而且為機房節省了3面機柜的安裝空間，經濟效益顯著。