福清核電數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)可靠性分析與設計優(yōu)化探究

周 娟

（福建福清核電有限公司，福建 福清 350318）

0 引 言

在福清核電數(shù)據(jù)中心內(nèi)，最基本的工作內(nèi)容是確保UPS系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標，確保UPS系統(tǒng)運行的可靠性，必須對其進行優(yōu)化設計。重點關(guān)注數(shù)據(jù)中心的建設水平，確保UPS系統(tǒng)可以高質(zhì)量運行，這對整個福清核電數(shù)據(jù)中心正常工作的開展具有非常積極且重要的作用。

1 數(shù)據(jù)中心機房UPS系統(tǒng)的概念分析

1.1 數(shù)據(jù)中心機房布置概述

福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心機房是為整個公司提供辦公網(wǎng)絡、語音電話等系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的物理場所。機房內(nèi)設置核心網(wǎng)絡機房、電信間以及UPS間等功能區(qū)域。核心機房主要包括的設備有服務器、路由器、網(wǎng)絡交換機以及儲存設備等；電信間為早期BA主辦公樓和調(diào)試綜合樓等多個子項提供電話語音設備；UPS間配置2套125 kW UPS供配電系統(tǒng)，系統(tǒng)包括模塊化熱插拔UPS主機柜、靜態(tài)旁路和系統(tǒng)控制柜、輸入輸出總配電柜、模塊化電池系統(tǒng)以及設備監(jiān)控等。

根據(jù)不同設備使用的電源形式差異性，可以將數(shù)據(jù)中心的機房設備具體劃分為單電源設備和冗余電源設備兩種。對于冗余電源設備運行過程中涉及到的多個電源模塊，如果其中的某一個電源模塊出現(xiàn)問題，則會影響整個系統(tǒng)的運行。對于單電源設備來說只有一個電源模塊，雖然可靠性較高，但是一旦發(fā)生電源問題，則會使整個系統(tǒng)無法正常啟動與運行。

1.2 UPS系統(tǒng)

UPS是Uninterruptible Power Supply的英文縮寫，即不間斷電源，也稱不停電電源，是一種含有儲能裝置并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的電源設備。該系統(tǒng)可以為一些特定的設備提供長時間且不間斷的電源支持，因此適用于對供電設備要求較高的負荷場合。福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心機房采用雙路市電供電，并配置自動與靜態(tài)旁路切換且供電無間斷的UPS電源，向機房內(nèi)的負載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，確保核心設備由足夠的后備電力支持正常的系統(tǒng)應急操作，因此對UPS系統(tǒng)供電可靠性有較高的要求。為了能夠滿足核電站數(shù)據(jù)中心內(nèi)UPS系統(tǒng)穩(wěn)定運行的相關(guān)條件，應根據(jù)實際情況設計多種不同的運行模式，以滿足不同系統(tǒng)的要求，彌補各個系統(tǒng)之間差距較大這一電源需求，向機房內(nèi)的負載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，確保核心設備由足夠的后備電力支持正常的系統(tǒng)應急操作。核心設備運行率不低于99.99%，核心網(wǎng)絡設備運行率則為100%。

2 福清核電檔案館數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)可靠性相關(guān)分析

檔案館為優(yōu)化UPS電源穩(wěn)定性可以結(jié)合可靠性進行分析。一般UPS系統(tǒng)的冗余供電模式主要包括并聯(lián)單總線供電模式、雙總線供電模式以及串聯(lián)單總線供電模式3種。

2.1 并聯(lián)單總線供電模式

實際工作中，技術(shù)工作人員可以采用并聯(lián)方法，將2臺或2臺以上的UPS設備設置成為輸出處理，從而形成N+1的冗余供電并聯(lián)系統(tǒng)。在這種工作環(huán)境下，利用負載可以對整個系統(tǒng)進行供電。如果其中某一環(huán)節(jié)發(fā)生問題，UPS設備能夠與整個供電聯(lián)系網(wǎng)分離，而后針對逆變器的比例進行重新設計。在UPS系統(tǒng)內(nèi)，并聯(lián)單總線冗余模式的穩(wěn)定性非常高，可以為后端提供對應的負載力。技術(shù)人員也可以根據(jù)操作流程設置負載，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供電的目的。

2.2 并聯(lián)雙總線

在雙總線供電設備中有一個靜態(tài)裝換開關(guān)，這樣在電源出現(xiàn)供電故障問題時，可以切換備用電源進行應用，以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。從可靠性方面進行分析，雙總線供電模式能夠?qū)崿F(xiàn)對多種供電模式的合理組合，有效提高供電可靠性。目前，這一供電模式在數(shù)據(jù)中心機房中具有比較廣泛的應用。也就是說，這一供電模式在數(shù)據(jù)中心機房UPS供電模式中的應用可靠性相對較高，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的應用效果。

2.3 串聯(lián)單總線供電模式

采用UPS系統(tǒng)進行工作時，將它設置成為主機和備機兩種形式，能夠更好地滿足冗余供電需求。就靜態(tài)旁路電源來說，可以讓備機正常運行，這一工作環(huán)節(jié)被稱作為冗余供電需求。主機運行時，可以自由切換負載，確保其能夠在主機旁路的狀態(tài)下穩(wěn)定運行，使備用機器可以為負載提供充足的電量。當UPS系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，可以優(yōu)化串聯(lián)單總線這一供電模式，從而實現(xiàn)冗余的工作模式。在UPS系統(tǒng)中保存靜態(tài)旁路出入口時，應充分發(fā)揮備機冗余供電具有的性能。技術(shù)人員也可以根據(jù)實際情況選擇不同的產(chǎn)品，并針對其設計針對性的供電模式，確保二者能夠互相對應。

3 檔案館數(shù)據(jù)中心機房UPS系統(tǒng)的設計方案以及相關(guān)功能分析

3.1 模塊化SYPX 250kVA UPS供配電系統(tǒng)

比如，每套原裝進口模塊化SYPX 250kVA UPS供配電系統(tǒng)包括4個柜體，即強電柜、靜態(tài)旁路和控制柜、功率柜、電池開關(guān)柜[1]。柜體之間連接圖如圖1所示。

4個柜體之間以母排或線纜相連。強電柜包括UPS系統(tǒng)的總輸出開關(guān)、輸出分配電盤、靜態(tài)旁路輸入開關(guān)以及手動維修旁路開關(guān)。其中，靜態(tài)旁路柜中的Q1為UPS主輸入開關(guān)，強電柜中的Q3為手動維修旁路開關(guān)，強電柜中的Q5為靜態(tài)旁路輸入開關(guān)，強電柜中的Q2為UPS輸出開關(guān)，Q2后面有1個800 A配電盤，配置4個100 A開關(guān)和2個225 A開關(guān)，最多可以配16個輸出分開關(guān)（63～225 A）。此外，設計了特別的適配器和監(jiān)控套件，可對每個開關(guān)實現(xiàn)電流和狀態(tài)監(jiān)控。

圖1 柜體之間連接圖

3.2 強電柜

強電柜400 mm寬、1 070 mm深、2 000 mm高，在側(cè)面進行操作。它含400 A UPS總輸出開關(guān)、400 A靜態(tài)旁路輸入開關(guān)以及400 A手動維修旁路開關(guān)。800 A的輸出配電盤框架，最多16個帶電流監(jiān)控和狀態(tài)監(jiān)控的輸出分配電柜開關(guān)（63～225 A）。各主開關(guān)含輔助觸點，互鎖，并與UPS主機進行通信。

3.3 靜態(tài)旁路和操作控制柜

靜態(tài)旁路和操作控制柜600 mm寬，包括10英寸觸摸圖形顯示器、系統(tǒng)總輸入開關(guān)、靜態(tài)旁路模塊、2塊冗余的控制模塊、1個網(wǎng)卡、3個通信插槽以及2個冗余的控制用低壓電源模塊。所有模塊均可熱插拔更換，兩條CAN BUS總線與功率柜體進行通信，形成冗余的通信和控制系統(tǒng)。它通過銅排與強電柜和功率模塊柜連接，具有黑匣子日志功能，可存儲10 000條日志。250 kVA靜態(tài)旁路模塊可直接插入控制柜，熱插拔更換，不需要走手動旁路。配置2個冗余熱插拔風機，可在線更換。靜態(tài)旁路模塊配置軟開關(guān)，方便啟動、停止或更換靜態(tài)旁路模塊。圖形化操作非常簡便，可直接查看每個模塊和部件的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

3.4 功率模塊柜

功率模塊柜600 mm寬，通過銅排與靜態(tài)旁路控制柜和電池開關(guān)柜連接。它可安裝10個在線熱插拔25 kVA/kW功率模塊，共計250 kVA/kW。功率模塊為三相全IGBT功率模塊，25 kVA/25 kW，含IGBT帶PFC功能整流器、三電平IGBT逆變器和充電器，含與背板進行熱插拔的柔性安德森連接器，含與主回路輸入輸出和電池母線連接的高速繼電器，含2個可調(diào)速的、冗余配置的、可熱插拔的在線更換的軸流風機。功率模塊配置軟開關(guān)，可方便啟動和停止以及更換功率模塊。正常情況下，每個風機能耗與噪音都非常低。

3.5 電池開關(guān)柜

電池開關(guān)柜600 mm寬，具有多功能電池保護系統(tǒng)，含500 A DC電池開關(guān)、保險絲、防反接二極管、2路電池溫度傳感器，并與EPO電路聯(lián)動。銅排預留了4組電池連接電纜接口，上走線。輔助電路板和靜態(tài)旁路控制柜進行通信，以隨時監(jiān)測電池系統(tǒng)的狀態(tài)。注意的是，在電池間每組電池還配置了電池開關(guān)，滿足南方電網(wǎng)在UPS側(cè)和電池側(cè)均配置電池開關(guān)的要求。

4 提高UPS系統(tǒng)可靠性的措施分析

4.1 外包策略

當UPS使用期限達到年限或者日常充放電試驗時發(fā)現(xiàn)性能下降等情況時，需要對舊設備進行優(yōu)化、改造和升級等。此提升需要綜合考慮成本，選擇性價比較優(yōu)的方案。其中，首先需考慮是否升級現(xiàn)有設備，以及是否新建或外包給云/托管服務供應商（或兩者兼有）。當現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心擁有可用供電、制冷和空間時，決策通常顯而易見。而當數(shù)據(jù)中心滿負載或接近滿負載時，必須對IT設備的放置地點作出決策。第171號白皮書《自建還是外包數(shù)據(jù)中心物理基礎設施的考慮因素》介紹了滿足新IT擴容要求的方法，并探討了作出明智決策而必須考慮的因素。雖然10年期成本分析通常會得出升級或新建數(shù)據(jù)中心優(yōu)于外包的結(jié)果，但對現(xiàn)金流的敏感度、收支平衡點、部署時間表、數(shù)據(jù)中心預期壽命以及其他戰(zhàn)略因素等，也會對最終決定產(chǎn)生重要作用。可借助TradeOff Tool在線權(quán)衡工具13《數(shù)據(jù)中心新建與托管總擁有成本計算器》輸入自有設施的屬性和成本，以確定自建和將IT設備外包給零售托管供應商的10年期總擁有成本估計值。

4.2 內(nèi)部設計標準評估

現(xiàn)代UPS系統(tǒng)的運行范圍94%～99%，而舊UPS在相同的負載范圍內(nèi)為85%～92%[2]。福清核電數(shù)據(jù)中心施耐德UPS及蓄電池從2013年啟用運行至今已經(jīng)7年，蓄電池已經(jīng)老化，原設計后備時間約10 h，目前放電測試后備時間已不足7 h，已經(jīng)低于額定容量的80%，且原蓄電池的設計使用壽命為6年，已超過設計使用壽命。UPS及蓄電池制造商可提供更新部件和模塊或更新改造舊UPS及蓄電池的服務，將使用壽命延長數(shù)年。

5 UPS系統(tǒng)的優(yōu)化與建議

5.1 明確更換時間

因為蓄電池屬于消耗品，有一定的壽命周期，所以需要綜合考慮使用條件、環(huán)境溫度等因素的影響，在到達蓄電池設計使用壽命前用新電池予以更換，充分保證電源系統(tǒng)安全、正常運行。

5.2 更新部件、改造舊UPS以及蓄電池服務

UPS及蓄電池制造商可提供更新部件和模塊或更新改造舊UPS及蓄電池的服務，將使用壽命延長數(shù)年。這些服務通常帶有質(zhì)量保證（典型情況下為1年）和服務條款，能夠延長傳統(tǒng)UPS及蓄電池壽命，進一步降低運行風險。UPS及蓄電池中可以升級或更換的部件取決于制造商和型號。一般來說，UPS及蓄電池設計的標準化和模塊化程度越高，可用的升級方案就越多，實施這些改進將更容易或更少斷電。在UPS及蓄電池的生命周期內(nèi)可以多次更換或升級部件和子系統(tǒng)類型。

5.3 更換部分或全部項目

一些更新部件（如逆變器模塊和風扇組件）也可以提高電源效率。除了宕機風險降低之外，這種益處也應該納入決策考慮因素。即使對于高度模塊化的UPS及蓄電池系統(tǒng)，仍有至少從成本效益角度來看通常不需更換的組件。

6 結(jié) 論

綜上所述，在核電數(shù)據(jù)中心內(nèi)的UPS系統(tǒng)中，該系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性是確保整個數(shù)據(jù)中心正常運行的基本條件。因此，在實際工作過程中，應對UPS系統(tǒng)的可靠性進行優(yōu)化設計，在成本目標的基礎上，進一步提高系統(tǒng)運行的安全性與可靠性。