大型綠色數據中心電源系統設計思路與實踐

胡雙平

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引 言

不間斷電源（Uninterruptable Power Supply，UPS）作為數據中心的核心設備，能夠在市電停電時提供電源的不間斷保障，提供過壓保護、欠壓保護、諧波失真保護以及穩定頻率等，在數據中心具有不可或缺的作用[1]。

1 綠色數據中心電源系統設計思路

1.1 電源系統設計的基本原則

根據功能分區設置2套具備物理分隔的獨立電源系統，采用不同的變壓器供電[2]。采用模塊化區域設計電源系統，具有可持續發展的優勢，提高UPS系統的實際運行負載率，降低能耗。系統具有良好的靈活性與擴展性，兼備優越的改造性。在經濟、技術以及功能的有機結合下，一次規劃、分期實施。電源系統深入負荷中心，緊貼IT機房，合理冗余。供電結構簡單清晰，減少配電級數，降低故障點運營維護的難度，提高了系統的可用性和可維護性。

1.2 電源系統設計的總體要求

大型數據中心的主要服務對象是大型互聯網公司和金融企業等重點客戶，一旦出現網絡業務中斷，將造成巨大損失。因此，大型數據中心均按照《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）A級標準進行設計建造。

A級數據中心電源系統要求采用2N配置，UPS系統需配置自動轉換旁路和手動維修旁路。在有柴油發電機保障時，蓄電池后備時間不少于15 min?？照{系統采用雙路電源末端切換供電，且其中一路必須是不間斷電源，后備時間要求不少于15 min[3]。

大型數據中心的供電系統架構采用雙重市電+柴油發電機組，中壓柜和低壓柜均并聯連接。電源系統采用2N和2N+1的可靠性相差無幾，而2N+1系統比2N系統不僅每組系統增加了1套UPS和電池使造價更高，還因增多UPS導致單機負載率低，不利于節能，故推薦采用2N架構[4]。

電源系統雙路正常運行時，UPS負載率不超過45%。當其中一路UPS系統故障時，另一路UPS系統單路帶載時的負載率不超過90%[5]。

在數據中心設計中，雙路UPS輸出后，為增加再次聯絡的可靠性，在雙路中交叉采用靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）進行切換。增加 STS 增多了單點故障，且雙路末端交叉使雙路之間互相影響，無法保證雙路的獨立性，增大了故障風險。因此，在UPS輸出后不建議雙路之間再有聯絡關系，而是保持每路獨立供電到末端[6]。

1.3 電源系統供電與運行方式

UPS電源系統供電方式使用市電作為主用電源，自啟動柴油發電機組作為備用電源。當市電正常時，市電電源經UPS系統向負載供電；當市電檢修或故障停電時，柴油發電機組自啟動后經UPS系統向負載供電；在市電停電而發電機未供電時，由蓄電池組放電經UPS系統向負載供電[7,8]。

2 綠色數據中心電源系統設計實踐

2.1 負荷計算

某數據中心園區規劃7 kW機柜6 012臺，服務器機柜總功率為42 084 kW，規劃外市電容量為雙路60 000 kVA，項目配置 48 臺 SCB13-2500 kVA 干式變壓器。本項目分3棟機房樓和1棟辦公樓，每棟機房樓分4層，部署2 004臺機柜，其中1層部署制冷主機等動力設備區，2～4層為機房區域、電源間以及電池間等。每層分為2個機房，每個機房部署機柜334臺。單個機房負荷計算書的內容包括服務器機柜、UPS、電容器以及變壓器等設備參數。服務器機柜的負荷計算如表1所示。選擇視在功率為3 000.0 kVA的UPS，Pb=0.04 Sjs的功率因數為0.90，有功功率和無功功率分別為 98.44 kW 和 47.68 kvar。UPS 蓄電池單柜充電功耗為123.05 kW。對于電容器，補償無功功率-800 kW，補償后功率因數為1.00，有功功率、無功功率和視在功率分別為 2 436.44 kvar、16.14 kW 和2 436.5 kVA。選擇視在功率為 2 500.0 kVA 的變壓器，負荷率位97.5%，Pb=0.01 Sjs的有功功率為34.36 kW，Qb=0.05 Sjs的無功功率為121.82 kvar，歸算到 10 kV側，則功率因數為1.00，有功功率、無功功率和視在功率分別為 2 460.81 kW、137.97 kvar和 2 464.7 kVA。

表1 服務器機柜負荷計算

每個機房部署334臺服務器機柜，單機柜平均功率為7 kW。需要系數和同時系數均按1取值，功率因數取0.95，UPS負荷率按不高于90%設計，每個機房需配置單路UPS容量為3 000 kVA。

2.2 UPS主機選型

按照容量需求，UPS可采用5臺600 kVA或6臺500 kVA組成并機系統。綜合低壓配電柜投資、UPS投資、電池投資以及電纜投資對比分析，見表2。對于 3 000 kVA 系統，當采用 600 kVA UPS 組合時，單系統造價約3849848 元； 當采用 500 kVA UPS組合時，單系統造價約 3 656 990元，500 kVA 比600 kVA整體造價節約192 858元。因此，本項目設計采用 500 kVA UPS 并機系統。

表2 500 kVA系統和600 kVA系統投資對比表

為了保證UPS并機系統的可靠性，UPS并機一般不超過4臺。超過4臺時，采用分多組并機方式。本項目每個機房3 000 kVA容量需求，采用2組1 500 kVA UPS系統，每組系統由 A 路和 B 路各 1套1 500 kVA UPS分系統組成（每套分系統均由3臺500 kVA UPS主機按照3機并聯和功率均分的方式組成），為服務器機柜提供完全獨立的A路和B路交流不間斷電源。每組需要6臺500 kVA UPS，每個機房需要12臺UPS，電源系統架構如圖1所示。

圖1 電源系統架構圖

2.3 蓄電池組設計

本項目使用容量為 500 kVA 的 Galaxy 3L UPS 系統進行并機，使用SPG系列蓄電池，單機后備時間為 15 min。

蓄電池配置計算條件：UPS逆變器效率為95%，單機UPS實際帶載390 kW，單體蓄電池放電截止電壓1.75 V/Cell。每組電池48只，共3組，選擇電池配置計算如下。

UPS所需的直流功率Pdc為

代入數值，計算可得Pdc約為410.5 kW。

每組電池的串連48只，配置3組蓄電池時，電池中每個Cell（每只12 V電池由6個Cell組成）的放電功率要求為

代入數值，計算可得電池每個Cell的放電功率為 475 W。

查詢SPG12-570W蓄電池放電功率表可知，在電池放電截止電壓取 1.75 V/Cell（10.5 V/Block）時，15 min可以放電 500 W/Cell，大于計算所需的475 W/Cell，即使用SPG12-570W蓄電池48只×3組，滿足 Galaxy 3L 500 kVA UPS 單機滿載時后備時間15 min 的要求[9]。

2.4 UPS輸入輸出配電系統設計

2N系統兩路交流輸入電源分別取自不同的低壓配電系統，同1套系統的UPS的主路、靜態旁路以及外部維修旁路的輸入則由同1套低壓系統供電。查閱 UPS 手冊，500 kVA UPS 額定輸入電流為 759 A，主路和靜態旁路輸入斷路器均選用1 000 A框架斷路器。每組UPS設置1個外部旁路斷路器，采用2 500 A框架斷路器。故障檢修時切斷所有UPS輸出斷路器，由外部旁路直接對輸出配電柜供電，手動旁路必須掛鎖，嚴防誤操作[10]。UPS輸出為2套獨立的配電系統，分別為各自對應的IT機房提供2路不間斷電源。

2.5 電池開關柜設計

電池放電總電流Id為952 A。本項目采用3組蓄電池并聯放電，每組電池放電電流為317 A。

電池開關柜采用1 250 A直流專用斷路器作為總斷路器，3組蓄電池采用500 A直流斷路器。3個直流電池斷路器內置3個施耐德欠壓脫扣線圈MN（24 V/5 W）和3個開關狀態輔助觸點。每個開關對應布放1根RVVP 4×0.5 mm2信號線，3個直流電池開關對應需布放3根RVVP 4×0.5 mm2信號線。

對于大功率UPS系統，電池線除了正極（+）和負極（-）之外，還有1條中性線（N），因此電池總電纜采用9條WDZA-RYJY 1×240 mm2電纜分 3組并接。

3 結 論

數據中心電源設計的主要目的是在成本可控的情況下，為重要IT負載提供高可靠的電源保障。隨著技術的高速發展，新的電源技術不斷涌現，在保證可靠性的前提下，勇于探索和使用新技術，針對不同的項目需求采用合理的電源架構和合適的產品，做到節能與可靠性兼顧，以期為客戶提供一個綠色高效和安全可靠的數據中心電源系統。