市電與模塊化UPS雙路直供技術的應用

顧 超

（寧夏通信規劃設計院有限責任公司，寧夏 銀川 750011）

0 引 言

為降低數據中心電源系統建設維護成本，在數據機房建設中引入新的市電直供供電系統。該供電結構中，主用供電分路使用市電直接供給服務器電源單元設備，熱備供電分路使用UPS作為保障供電電源。從國內外數據中心的發展來看，市電直供技術已經獲得了大量應用。

隨著數據中心中市電與UPS直供技術應用的成熟，通信運營商設備池化，一類市電通信機房日益增多，通信機房的用電成為企業的沉重負擔。市電與UPS直接給設備供電是一個可選方案，能夠大大減少通信電力系統的能耗，同時減少企業電力系統投資，提高電力機房的空間利用率[1]。

1 應用背景

1.1 特色業務需求

寧夏某運營商全區新增寬帶CDN業務。CDN的全稱是Content Delivery Network，即內容分發網絡[2]。CDN是構建在網絡之上的內容分發網絡，依靠部署在各地的邊緣服務器，通過中心平臺的負載均衡、內容分發和調度等功能模塊，使用戶就近獲取所需內容，降低網絡擁塞，提高用戶訪問響應速度和命中率。在可靠性上，CDN在結構上實現了多點冗余，即使某一個節點由于意外發生故障，對網站的訪問也能夠被自動導向其他健康節點進行響應。

依據CDN業務部署，銀川作為核心節點，其他四地市分別為邊緣節點。五個地市新增服務器用電均為交流，但是地市老局通信UPS系統容量無法滿足中期業務需求，需新增UPS配電系統。

1.2 節能降耗

根據國家相關規范要求，數據中心全年平均PUE值應降低到1.5以下。目前，區內通信機房的PUE值在1.8左右。以區內某個通信機房（業務負載功耗400 kW）為例，PUE值每降低0.1，年省電約25萬元。降低PUE指標主要考慮兩個方面：一是提升空調的運行效率，積極推廣使用水冷空調，進一步提升機房裝機率；二是提升機房內UPS和通信電源的效率（本文重點介紹UPS效率）。具體UPS系統配置效率，如圖1所示。

圖1 系統配置與系統效率對應圖

用戶在預計UPS容量時，時常會出現低估或高估情況。模塊化UPS電源可有效解決以上問題，幫助用戶在未來發展方向尚不明確的情況下分階段進行建設和投資。當用戶負載需要增加時，只需根據規劃，階段性地增加功率模塊。

從設計和工作的原理方面來講，模塊化UPS包括整流器、逆變器、靜態旁路開關、附屬的控制電路和CPU主控板等[3]。模塊化最大的優點是能夠提高系統的可靠性和可用性。任何一個模塊出現故障，并不會影響其他模塊的正常工作，且可通過熱插拔特性縮短系統的安裝和修復時間。此外，模塊化UPS能夠給用戶帶來更好的可擴展性，也為用戶的投資起到了很好的保護作用。

1.3 運營保障

任何種類的UPS，不管是傳統的在線雙變換交流UPS，還是谷歌的12 V掛電池，亦或是facebook開放平臺的48 V定制電源，原理都是利用電池做好市電掉電下的掉電保護，差別只是實現方式的不同。當然，UPS的作用不僅是實現掉電保護，而且能濾除電網的電壓抖動、脈沖和浪涌等。每一個服務器電源出廠需要在各種極限情況下做各種測試，規范和標準要求IT設備電源需要滿足各種惡劣電網下的適應性、防雷、浪涌和閃斷等測試，從技術上保證正常情況下市電供電沒有問題。近年來，隨著國家電網配電系統的進一步優化完善，供電質量進一步提升，特別是城市的配電電網供電質量越來越高。正常市電各項指標均可滿足設備的可靠運行，完全可以直接給設備供電。

眾所周知，電路越簡單越可靠。串接在供電路徑上的UPS自身也是個故障點，有太多在市電正常時因UPS自身故障而導致機房設備停電的案例。因為UPS電容只有5年壽命[4]，漏液短路或者大電流下會爆炸燃燒，加上需要相同頻率、相位和幅度等復雜的并機，經常會出現問題。若采用2N甚至2（N+1）的冗余配置，系統效率很低，投資成本太高。假如能夠提出一種新的供電結構做好市電供電下的掉電保護，那么就可以省略UPS冗余配置環節。

2 應用案列

2.1 工作原理

本期試點選取固原老局（CDN邊緣節點，多點冗余）。該局市電等級為一類市電，低壓配電系統配置后備柴油發電機組（15 min自啟動）。

新增CDN服務器支持雙路供電，安裝在4樓CDN專用機房交流通用標準機柜，機柜配置A/B路引電，A路備用-UPS供電，B路主用-市電直供。具體供電系統結構，見圖2。

圖2 供電系統結構圖

2.2 系統配置

2.2.1 模塊化UPS系統配置

CDN初期交流用電需求30 kW，中期60 kW，遠期100 kW。本期模塊化UPS系統容量依據GB 50174-2017《數據中心設計規范》8.1.7條規定，不間斷電源系統的基本容量計算為[5]：

其中，E為不間斷電源系統的基本容量（kW/kVA），P為電子信息設備的計算負荷（kW/kVA）。

計算的本期模塊化UPS系統遠期容量不低于120 kW，但需大于140 kW。考慮到后續業務發展的不確定性，設備集成化，功耗需求越來越大，考慮冗余。

本期新增1臺200 kVA模塊化UPS架體，滿配4×50 kVA模塊。根據近期30 kW需求，模塊N+1配置，配置2塊50 kVA模塊。依據該運營商企業標準，UPS后備電池時間配置（30 min）。

一樓電力室新增1架模塊化UPS、1架交流輸出屏和2組后備蓄電池組，占用400 A低壓抽屜2路。

2.2.2 市電引入配置

現場高低壓配電室與4樓CDN專用機房距離超過100 m，便于后期加電和電纜敷設。在4樓機房，新增1架市電分配屏（圖中交流列頭柜2）。依據遠期100 kW用電需求，本期市電列頭柜配置250 A塑殼開關，由1路250 A低壓抽屜直接引接。

2.3 系統在網運行

市電與模塊化UPS系統與2018年3月投產，系統運行正常。目前，業務負荷較低，6月現網負荷情況詳見表1。

表1 系統現網負荷情況表

3 應用分析

3.1 節投資分析

采用市電與模塊化UPS系統雙路直接供電（下文簡稱該系統），可少投資1套200 kVA-UPS系統（包含主機、配電屏及蓄電池組）。按照運營商集采標準配置價格，約節少投資25萬元。

3.2 節空間分析

采用該系統，電力室可節省1套200 kVA-UPS系統安裝空間。依照現有機房配置空間計算，預計可節省20 m2安裝空間，同時可以節約配套空調設備安裝面積，可少占用1路低壓配電系統400 A抽屜開關[6]。

3.3 節成本分析

（1）依據現網系統運行負荷計算，考慮現有UPS輸出負荷/UPS輸入負荷（只考慮有功），得出UPS實際運行效率為0.83；

（2）市電現有負荷÷0.83（折合UPS輸入負荷）-市電負荷=1.6 kW（1 h）；

（3）中期、遠期計算效率選取0.83，預測負荷按照市電、UPS各50%計算；

（4）電費按照0.7元/（kW·h）計算。

具體計算結果見表2。

采用該系統，系統節電率在10%以上，遠期負荷情況下，一年節約電費8萬元。

表2 節電分析表

4 結 論

綜上所述，在一類局房電力室空間不足、投資成本控制、節能減排方面，市電與模塊化UPS雙路直供技術具有推廣意義，可促進運營商降本增效。但是，運營商業務種類繁多，保障等級不同，關于市電直供無相關國家、行業規范要求，直供配電系統配置仍有很大改進空間，節能降耗還可進一步提高。