數據中心供電系統零地電壓對IT設備正常運行的影響

杜 麗

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引 言

在企業數據中心供電系統中，不間斷電源（Uninterruptible Power Sys tem，UPS）供電系統需要結合三相輸入輸出機制有效分析IT設備單相220 V供電水平。其中零地電壓最為關鍵，它是產生于零線與地線之間的電壓。在常態下，地線中沒有工作電流流過，在輸入市電過程中也會被干擾電壓所影響[1]。

1 數據中心供電系統零地電壓的基本理論分析

在企業數據中心供電系統中，零地電壓為IT設備提供單相220 V供電，需要在數據中心中優化增加零地電壓類型，其中就包括常態地線。常態地線中有大量工作電流通過，在輸入市電過程中會干擾電壓，避免壓降問題的出現，同時在保持地線點位穩定不變的基礎上優化調整參考電位[2]。就整體而言，零地電壓主要負責提供工作電流，從變壓器的二次側接地點直接與IT負載零線相互連接，形成較長的輸電距離。此外，要在母線的零排位置疊加輸電部分，確保電流能夠順利流回接地點。由于零線阻抗切實存在，因此各級母線的零排之間也會形成明顯電壓降，此時要將地電位作為主要參考點，分析存在于零線上的各個點所形成的對地電壓降，這就是零地電壓。在零地電壓中，三相負載的3N次諧波明顯存在，其負載電流幅值相位不相對稱[3]。

如果輸入電壓幅值或者相位不對稱，就會形成零地電壓。如果三相負載電流大小阻抗不對稱，也會產生零地電壓。上述兩種情況中，零地電壓都是由三相電流在零線中產生，即形成三相不平衡電流以及非線性負載。而在三相電路中，必須考慮到非線性負載存在所帶來的負面影響。當基波電流流過后，其中的3次以及3的倍數次諧波會相應流過，產生負面影響。通常情況下，零線中所產生的基波電流相差一般超過120°，主要基于3次諧波電流同相位展開，在零線中直接相加就形成同相零線電流[4]。

結合上述3種因素分析所產生的零線電流，其零線阻抗中所形成的就是零線電壓，較穩定的地電位電壓就被稱為零地電壓。許多企業也通常采用系統中所存在的零地電壓來優化IT設備運行，構成設備開關電源電路基本框架，如圖1所示[5]。

圖1 數據中心供電系統的結構

數據中心供電系統中的結構復雜，其中市電輸入系統中會專門配置至少一臺10 kV的隔離變壓器。通過對隔離變壓器的中心點接地網直接接地情況進行分析，形成完整的TN-S接地系統。企業中主要通過數據線互聯設備分析零地電壓的安全接地情況，且在數據線中采用公共參考電壓，保證所有互聯部件都至少由兩條線連接，其中包括連接設備的數據線和設備的安全接地線，如此就形成“地線環”。在應用地線環的過程中，必須將互聯設備中的公共參考電壓壓差調整到位，避免造成硬件損壞[6]。

2 數據中心供電系統零地電壓對IT設備運行所產生的影響分析

2.1 對瞬間供電中斷故障所產生的影響

IT設備輸入電源中一般存在大于8～20 ms的瞬間供電中斷故障隱患，一旦發生故障，就會影響到數據中心供電系統的整體運行過程。在數據中心供電系統中，零地電壓的瞬間供電中斷事故發生時間超過10 s，就可能造成IT設備停電或者出現開機自檢誤啟動操作，直接導致IT設備運行操作程序與應用軟件系統嚴重崩潰，整個中心系統的正常運營活動也將被迫中止。零地電壓對于瞬間供電中斷故障所產生的影響相對較大，主要是企業IT設備對于信息網絡系統資源的依賴程度較高。針對某些關鍵信息網絡而言，還需要對服務器發生的癱瘓故障問題進行分析，其帶來的經濟損失相對巨大。結合企業所使用數據信息進行分析的過程中可以了解到，IT設備經常被企業中配置的UPS供電系統所影響，即數據中心供電系統零地電壓與UPS供電系統產生矛盾，導致UPS供電系統發生輸出停電或者閃斷事故，進一步誘發信息網絡系統出現嚴重癱瘓問題。

針對上述問題，應該先確保企業中的UPS供電系統不出現任何停電、閃斷故障隱患，結合單電源輸入機制展開分析，思考供電需求，保證供電運行連續性。在實際操作過程中，需要結合串聯熱備份UPS冗余供電系統分析供電利用率，進而實現對UPS產品質量的全面優化。采用“N+1”型UPS冗余并機供電系統，保證其可利用率提高到99.999%[7]。為了形成相互獨立配套的供配電系統設備，還需要通過零地電壓向IT設備提供輸出供配電內容，保證接入用電設備質量合格，建立UPS逆變器電源機制，保證用戶供電設備不中斷，最大限度提高UPS供電系統的容錯特性[8]。

2.2 對雙線總輸出所產生的影響

零地電壓對于IT設備中雙線總輸出所產生的影響較大，能夠消除UPS在并機過程中可能出現的供電系統單點瓶頸故障，將系統的可利用率提高到99.9999%。在這一過程中，需要對UPS的多總線輸出供電系統進行分析，保證系統設計巧妙，最大限度地提高UPS供電系統的可利用率。在該過程中，零地電壓對于雙線總輸出所產生的影響主要體現在提高UPS單機負載百分比的同時，降低了IT設備中UPS系統的實際運行效率，導致UPS系統功耗增加。基于這一問題所帶來的不利影響還有許多，例如在IT設備中CPU芯片可能會發生偶然性損壞等。由于數據中心機房中的大部分IT設備在輸入功率因數方面表現不佳，因此IT設備的開關電源需要采用輸入功率因數校正技術，只有這樣才能調整輸入功率因數，提高其UPS產品的實際帶載功率[9]。

基于此，為了保證信息網絡機房安全且可靠運行，IT設備本身需要具有較高的安全可靠性。結合內部直流開關電源系統分析故障原因，通過采取合理的措施，保證將設備故障率降低到50%以下。結合零地電壓調整結果來對IT設備配置情況進行分析，采用直流開關電源系統中的熱插拔“N+1”并聯運行設計方案，消除直流供電系統中的單點瓶頸故障隱患。除此之外，還需要結合冗余配置設計方案消除瓶頸故障隱患，提高IT設備的整體利用率[10]。雙電源輸入單相IT設備系統構成如圖2所示。

圖2 雙電源輸入單相IT設備系統

3 結 論

綜上所述，著重分析了企業數據中心供電系統中零地電壓的基本理論，特別是其對于IT設備正常運行所產生的諸多影響。通過分析IT設備中三相負載平衡帶載問題，利用零地電壓配合雙電源輸入IT設備來優化UPS供電系統，以此提高系統運行性能。