大型數據中心U PS配電架構淺析

李燕

（優刻得科技股份有限公司，北京100044）

1 引言

數據中心供配電系統的連續性、穩定性，直接影響數據中心IT設備的穩定運行。連續供電是數據中心所有設備用電最為顯著的特點之一，同時也決定著數據中心的安全和服務能力。UPS電源系統是數據中心的核心動力系統，對保證數據中心的安全可靠運行起著至關重要的作用。

2 靜態雙變換式U PS系統

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》，A級數據中心UPS系統配置宜為2N。2N配置的供電方案可有雙母線、三母線及四母線。

2.1 雙母線供電方案

目前，IDC數據中心基本均采用雙母線供電方案，由2套獨立的UPS系統、同步控制器、輸入輸出配電屏組成。每套UPS系統的基本容量可按式（1）計算：

式中，E為不間斷電源系統的基本容量，不包含備份不間斷電源系統設備，kV·A；P為電子信息設備的計算負荷，kV·A。

系統正常時，2套母線系統各自帶40%的負載，當2N系統中任一臺UPS故障時，負載可依然由雙母線供電，當其中一條母線系統出現斷電故障或檢修維護時，負載將由剩余的一條母線供電。本文分析幾種典型的2N雙母線供電系統架構，并對系統中斷路器的配置給出建議。

圖1為某大型IDC機房的配電架構圖。在該配電架構中，低壓側設置母聯，與2個進線開關做互鎖，保證任何時刻僅有2個開關閉合；UPS輸入側通過框架開關ACB1引至UPS輸入屏，設置手動外部維修旁路，UPS輸出側通過ACB2接至輸出屏母排。該種配電架構有幾個缺陷，分析如下。

2.1.1 存在單點故障

輸入側通過框架開關ACB1引至UPS輸入屏，可節省低壓配電柜的數量，此種形式比較適用于低壓配電室和UPS配電室分開設置的情況。當輸入側開關ACB1出現故障時，會導致單路斷電。在低壓配電室和UPS配電室合用的情況下，可盡量采用低壓柜直接輸入給UPS，UPS輸出側直接接至輸出屏母排上。

圖1 某數據中心配電架構一

2.1.2安全防護問題

母聯開關采用3P，在電源轉換時N線不斷開。大型IDC數據中心低壓接地形式基本采用TN-S或TN-C-S系統，依據GB 16895.10—2010《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》，在TN系統中，當需要用開關電器將一個電源轉換到另一個替換電源時，此開關電器應轉換線導體和中性導體。A級數據中心容錯配置的變配電設備應分別布置在不同的物理隔間內。若容錯配置的配電室相隔一定距離，正常運行時，2個不同步電源的中性點存在瞬時電位差，當一臺變壓器失電時，母聯開關不斷開N線，正常變壓器通過N線使失電變壓器帶電，可能會引起不期望的環流。若容錯配置的配電室相鄰，且做等電位連接，則2臺變壓器中性點的接地點為同一個，中性線上沒有電壓差，即使電源轉換時不斷開中性線，不會存在環流問題。

2.1.3 運維的方便性

該配電架構中，低壓母聯在一側設置開關，比較適用于互為備用的配電設備設置在同一個配電室內。按照GB 50174—2017《數據中心設計規范》的要求，A級數據中心容錯配置的變配電設備應分別布置在不同的物理隔間內，從運維方便性和安全防護性考慮，宜分別在2段母線上均設置開關，可將一側設置為斷路器，另一側設置為負荷開關，與低壓側的2個主進開關做電氣連鎖。經上述分析，調整后的配電架構如圖2所示。

圖2 某數據機房雙母線2N配電架構二

2.2 三母線、四母線供電方案

雙母線供電方案通過冗余1整套系統來提高供電可靠性和在線維護的方便性。在整個數據中心的生命周期，雙母線系統初始投資最高，設備運行能耗最大。三母線供電系統是雙母線供電系統的一種變異形式，采用3套獨立的UPS系統，兩兩配合負擔全部的IT負載，單套UPS的負載率最高可到66%。但該系統的供電系統比雙母線復雜，負載需等分為3份才可以滿足3套UPS系統的均衡性，且在線運維也比較復雜，雖然可節省一部分初始投資，在實際項目中應用較少。

文獻[1]提出了一種四母線供電方案，包含4套獨立的UPS系統和4條母線，負載均分成6組。每套UPS系統同時向3組負載供電，每組負載同時從2套UPS系統接入。正常情況下，每套UPS系統帶載3組負載的一半負荷，為總負荷的1/4，考慮到UPS需考慮一定的冗余系數，每套UPS系統的容量至少為總負荷的1/3，即最大負載率可到75%。當一套UPS系統出現故障時，由其他3套UPS系統帶載全部IT負荷，此時有3組負載為單電源。四母線的供電方案比三母線更為復雜，雖然節省了初始投資，配電拓撲的復雜性和負載需要嚴格分配，會降低配電系統的可用度，同時也會導致后期運維成本的增加，在實際大型IDC數據機房中可應用性較低。

3 動態U PS系統

3.1 飛輪儲能U PS系統

雙母線供電方案是當前國內數據中心普遍采用的一種系統，應用靜態雙變換式UPS和儲能蓄電池作為數據中心的備用電源，初期投資較大，系統損耗比較高。近些年，國外數據中心廣泛采用的飛輪UPS和動態UPS供電技術引起國內關注和初步試點應用研究。

飛輪UPS技術是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術的在線互動式UPS電源系統。其工作原理為：市電正常時，由市電直接向負載供電，同時，利用飛輪裝置儲存機械能；在市電異常情況下，UPS將存儲在飛輪內的機械能轉換為電能，向負載供電，同時在規定的時間內啟動備用發電機，轉為發電機向負載供電。一旦市電恢復正常，則立即切換到由市電向負載供電。飛輪UPS技術降低了蓄電池故障導致的供電可靠性隱患，節省了蓄電池的占地空間，比傳統靜態UPS系統節能環保，但初期投資約為傳統靜態UPS系統的1.5倍，后備保障時間較短，需要后備發電機有快速響應能力，通常在15s以內，目前在國內處于試用研究階段。

3.2 柴油耦合動態U PS系統

柴油耦合動態UPS系統是將飛輪UPS和柴油發電機組合在一起的動態UPS系統，主要由柴油發電機、飛輪儲能裝置、電磁離合器、電動機-發電機組、扼流線圈等組成。其工作原理為：市電正常工作模式下，市電提供負載的有功功率，M/G電動機-發電機組提供負載的無功功率，同時負責穩壓穩頻，扼流線圈負責隔離輸入輸出側諧波，飛輪以3300r/min旋轉儲存機械能，離合器處于分開狀態；市電停電模式下，M/G電動機-發電機組以1500r/min的轉速一直旋轉，提供負載的無功功率，飛輪由3300r/min的轉速逐步降低釋放機械能轉換為電能，負擔負載的有功功率。當飛輪的轉速降低至一定門限值后，引擎啟動，當引擎達到1500r/min后，離合器自動將M/G電動機-發電機和引擎相連，之后由引擎驅動M/G電動機-發電機工作，給負載供電，同時引擎通過M/G電動機-發電機給飛輪充電。

德國Piller研發了一種配置隔離并聯母線IP-BUS系統的電耦合柴油UPS方案，簡稱DeRUPS技術，并在Telehouse法蘭克福數據中心得到很好的應用。該方案采用N+1冗余的UPS系統，并得到T4認證，其工作原理為：

1）正常模式下，每組負載通過其相連的UPS供電。當負載均衡的時候，IP扼流線圈上沒有電流流過；當負載不均衡的時，若某臺UPS的負載率超過系統的平均負載率時，其所帶載的負荷將通過IP總線向其他UPS分流部分負載，如圖3所示，UPS2向其他15組UPS各分流1%，其負載率降低至95%，其他15組UPS的負載率由80%增長至81%；若某臺UPS的負載率小于系統的平均負載率時，其他UPS系統可通過IP總線向該UPS分流部分負載，從而使各UPS的負載率基本平衡，如圖4所示，由其他15個UPS系統分別分流2%的負載，UPS2的負載率由40%增長到70%，實現各UPS系統之間負載率的均衡性。

2）當其中一套UPS裝置出現故障時，其所帶載的IT負荷將經過IP總線由其余的UPS裝置帶載，故障UPS裝置可從整個系統中隔離出來，末端負載不會受到影響。

圖3 單臺U PS裝置負載過載情況

圖4 單臺U PS裝置負載 過低情況

4 結語

本文分析了實際項目案例的雙母線UPS配電系統的缺陷，并給出了設計建議，分析了由雙母線系統演變的三母線和四母線配電架構的優劣和適應性。對動態UPS系統做了簡要的分析，柴油耦合動態UPS系統已在國外數據中心中得到很好的應用，國內數據中心尚且處于試驗研究階段，隨著綠色數據中心的倡導，及動態UPS產業和服務的完善，希望在國內數據中心中得到一定程度的應用。