數據中心機房UPS系統參數設計及設備選型

摘要：不間斷電源系統（UPS）是數據中心核心的電氣設備之一，對數據中心的穩定可靠運行發揮了重要作用。鑒于此，分析了UPS主機設備、電池、UPS輸入輸出柜、電池開關柜、電池架、電纜等的參數設計，并詳細列舉了各設備如何選型。

關鍵詞：UPS電源；輸入輸出柜；電池；電池開關柜；電池架；參數設計；設備選型

中圖分類號：TN86? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）10-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.017

0? ? 引言

UPS是一種利用電池化學能源作為后備能量，在市電斷電或發生異常等電網故障時，不間斷為負載提供交流電能的能量轉換裝置，其正式名稱為不間斷供電系統（Uninterruptible Power System）。UPS的主要作用有兩個：一是在市電正常時穩壓整流，改善電網電能質量，為負載提供高質量的電能；二是在市電故障時將電池的直流電逆變成為交流電，為負載持續可靠供電。

因此，UPS系統的設計和選型對數據中心供電系統的建設具有核心意義。

1? ? UPS主機

1.1? ? 簡介

UPS主機按照原理分為三類：雙變換式UPS、后備式UPS、在線式UPS。數據中心要求UPS主機可靠、穩定，因此以雙變換式大容量UPS為主。雙變換式UPS按照工作頻率不同，分為工頻UPS和高頻UPS，按照功率模塊是否可熱插拔分為塔式機和模塊機。工頻與高頻UPS優缺點分析對比以及模塊機的優缺點分析可參照《新基建：數據中心規劃與設計》[1]P236～261，此處不再贅述。雙變換式UPS設備的原理圖如圖1所示。

1.2? ? 容量計算

UPS系統設計時最主要的是合理確認主機的容量，UPS主機負載率在合理范圍內，既能保證UPS高效率、高質量工作，又能保證初期投資的合理性。

查詢《數據中心設計規范》[2]P19序號8.1.7條文得知，一般UPS的負載率要求在83.3%左右，A級數據中心因為需要2N冗余，因此規范推薦負載率在41.7%左右。實際設計過程中，考慮到UPS的運行工況以及建設成本等因素，A級數據中心的動力用UPS一般負載率不超過80%，IT用UPS不超過45%。UPS容量計算參數示例如表1所示。

UPS設備的功率因數按照0.9考慮，IT設備的有功功率為2 240 kW，則UPS設備的視在功率=有功功率/功率因數，代入數據2 240/0.9≈2 489 kVA。每臺UPS的負載率低于45%，則A路UPS和B路UPS總容量最大值=負載容量/負載率，代入數據2 489/0.45≈5 531 kVA。數據中心項目常用的單體UPS的容量為400、500、600 kVA，因此可配置12臺500 kVA的UPS，A路和B路分別為6臺，每組3臺并機。以上是簡單的計算方法，具體還要結合項目海拔高度、是否降容、機柜布置、配電室布局等綜合考量。

1.3? ? 并機邏輯

UPS設備并機數量一般不大于4臺，A級數據中心要求是按照2N配置，兩路互為冗余。在同組并機系統內，UPS應具備輪巡功能，例如3臺UPS并機，則要求2臺處于工作狀態，1臺處于備用狀態，定時進行輪巡，確保所有設備合理的工作時間。

同組UPS并機還應具備以下功能：單臺設備故障時，剩余并機設備均攤所有負載，若均攤后負載率不大于105%，則剩余設備繼續主路運行；若均攤后負載率大于105%時，則同時轉旁路運行（注：UPS在最高105%負載時可正常運行）。

1.4? ? 選型

數據中心UPS設備的容量雖然確定，但具體的選型還需要考慮以下因素：

（1）設備類型及容量：應為三相交流輸入、輸出雙變換式高頻機，容量參照設計容量。

（2）環境條件：設備應匹配項目所在地的海拔高度、溫度濕度、大氣壓力等環境條件。

（3）電氣性能和電磁兼容性能要求為Ⅰ級，應能滿足GB/T 14715—2017《信息技術設備用不間斷電源通用規范》P6～7以及P23要求。

（4）告警保護：應能實現輸出短路保護，輸出過載保護，輸出欠壓、過壓保護，過溫度保護，電池電壓低保護，風扇故障保護，電容器故障保護，防雷保護等功能。

（5）具備遙測遙信功能。

（6）具備電池組智能管理功能。

（7）滿足外殼保護、節能安保等要求。

目前，市場常用的品牌系列有：

（1）塔式機：伊頓9395系列、維諦EXL系列、施耐德Galaxy系列、科華KR33系列。

（2）模塊機：科華MR33系列、華為5000E系列。

2? ? UPS輸入輸出柜

2.1? ? 容量計算

UPS輸入輸出柜是一種低壓柜，主要由斷路器、一次供電回路、二次控制回路等組成，UPS輸入輸出柜配置的核心是確定斷路器的規格容量。

三相電流的計算公式為：

式中：I為計算電流；S為設備的視在容量；cos φ為功率因數，UPS設備的功率因數一般取0.9，IT設備的功率因數一般取0.95；U為電源星接時的線電壓，三相電為380 V，單相電為220 V。

以500 kVA的UPS為例，則其計算電流為（500×0.9/1.732）/380≈0.684 kA=684 A。參照低壓設計規范，選用800 A的斷路器滿足設計要求。

對選用的斷路器容量進行復核，UPS在125%負載的情況下，運行時間為600 s，考慮到800 A的斷路器脫扣曲線中，1.125倍的Ir脫扣時間大于600 s，斷路器不會在UPS脫機前脫扣，因此選用800 A斷路器滿足要求。

此處需特別注意：高頻UPS的主路電源和旁路電源必須同源，輸入柜的常規設計方法是上部為主路輸入斷路器，下部為旁路輸入斷路器。另外，考慮到UPS具有雙變換模式和ECO模式兩種運行模式，因此主路電源和旁路電源的斷路器規格保持一致。部分金融數據中心出于安全考慮，也會選擇1 000 A的斷路器。

2.2? ? 選型

數據中心UPS輸入輸出柜和斷路器，基本以施耐德、ABB、西門子等三大家的產品為主。斷路器型號主要有施耐德MT、NSX系列，ABB的Emax2、Tmax2系列，西門子的3WL、3VA系列；柜型主要有施耐德BLOKSET、OKKEN柜，西門子8PT、S8柜，ABBMSN2.0、3.0等。

3? ? UPS蓄電池

3.1? ? 簡介

蓄電池是將化學能轉換為電能的裝置，負責為UPS主機提供直流電源。蓄電池按照負極材質的不同分為鉛酸電池和鋰電池，鉛酸電池按照電解液的固定方式不同分為AGM（玻璃纖維）電池和膠體電池。目前數據中心常用的蓄電池為鉛酸蓄電池。

3.2? ? 容量計算

已知A級數據中心對電池容量要求如下：

（1）電池后備時間為15 min；

（2）采用恒功率法計算；

（3）UPS參數：直流電壓按照456～530 V范圍計算（注：不同品牌的UPS直流電壓不同，且同品牌的UPS電池配置不合理時會降容或者無法正常使用），功率因數按照0.9計算，逆變效率按照0.95計算；

（4）并聯組數要求：300 kVA兩組電池，400 kVA三組電池，500 kVA四組電池；

（5）每格電池的終止電壓按照1.75 V計算；

（6）可靠系數按照1%～5%考慮；

（7）每節電池由6格單格電池組成，單格電池電壓為2 V，單節電池電壓為12 V。

根據UPS選型，確定每組電池的數量：

單格電池功率計算公式為：

以500 kVA容量的UPS為例，每組電池數量按照40塊計算，并聯組數為3組，將數據代入公式，經計算得知單格電池功率為657.9 W，電池的可靠系數按照5%計算，則657.9×1.05=690.795 W，則單格電池放電15 min后的功率最少應為690.795 W。以雙登品牌電池6-GFMHR型號電池為例，查詢其恒功率放電數據表（表2和表3），查詢的前置條件為：放電截止電壓1.75 V，放電時間15 min。

（1）6-GFMHR-700的功率為665 W，低于計算值690.795 W，不滿足要求；

（2）6-GFMHR-750的功率為715 W，高于計算值690.795 W，滿足要求。

故可以按照每臺UPS設備3組電池并聯，每組40塊6-GFMHR-750電池配置。

另外，部分互聯網客戶的要求較高，電池的可靠系數也可按照15%考慮或滿足其需求。為防止電池漏液造成危害，一般單體電池會配備漏液盤，并且所有電池正負極必須配備保護帽，在其他因素相同的情況下，優先考慮前置端子電池。

3.3? ? 選型

常用的蓄電池品牌有西恩迪DNT系列，雙登6-GFMHR系列，圣陽SPG12、FTA系列，南都12HRL系列等。

4? ? UPS電池開關柜

UPS開關柜的核心元器件是直流斷路器，其額定電流的計算公式為：

式中：Pe為負載的有功功率；U為單節電池的截止電壓（一般取10.5 V[3]）×單組電池的數量；Sjs為視在容量；cos φ為功率因數，一般取0.9；UPS逆變效率一般取0.95。

以500 kVA的UPS為例，單節電池的截止電壓取10.5 V，每組電池數量為40塊，功率因數取0.9，逆變效率取0.95，代入以上數據，經計算可知，其總斷路器電流計算最大值應該為（500×1 000×0.9/0.95）/（10.5×40）≈1 128 A；共計3個分支回路，分支回路的斷路器電流計算最大值為1 128/3=376 A。所以，總斷路器可選直流塑殼斷路器1 250 A，分支回路可選直流塑殼斷路器630 A。注意直流斷路器的額定耐壓等級應為750 V，總斷路器應配備分勵脫扣器，與UPS主機聯鎖（在UPS關機時電池總開關聯鎖關閉）。

5? ? UPS電池架

UPS電池架用來放置蓄電池組，其尺寸主要根據單體蓄電池的尺寸和數量確定，一般要求電池架層數不超過4層，支架底部配備散力支撐。電池架圖紙應明確各電池的接線順序，實例如圖2所示。

6? ? UPS銅排及線纜

電流計算值的計算方法與斷路器相同，銅排及電纜的額定電流確認原則為：

式中：Ij為回路計算電流；In為斷路器額定電流；Iz為銅排及電纜持續載流量。

以500 kVA的UPS為例，銅排及電纜明敷，環境溫度為30 ℃，分支回路斷路器為630 A，查詢建筑電氣常用數據圖集[5]，單片銅母排40×5的持續直流載流量為664 A，單芯電纜150 mm2的直流載流量為406 A，采用兩根電纜雙拼并聯形式，并聯可靠系數取0.9，則其載流量為406×2×0.9=730.8 A，滿足要求。

此處需要注意：部分品牌的UPS設備是需要電池中性線的，中性線截面積可以是正負極電纜的一半，在招投標時需計算在內。

7? ? 結語

UPS是數據中心的核心電氣設備，對數據中心的供電可靠性、穩定性有著巨大的影響。本文詳細說明了數據中心UPS系統的參數設計以及設備選型依據，可為類似項目設計和選型提供參考。

[參考文獻]

[1] 鐘景華，傅烈虎，丁麒鋼，等.新基建：數據中心規劃與設計[M].北京：電子工業出版社，2021.

[2] 數據中心設計規范：GB 50174—2017[S].

[3] 信息技術設備用不間斷電源通用規范：GB/T 14715—2017[S].

[4] 宋勝利.模塊化UPS電源設備的配置[J].機電信息，2022（9）：10-13.

[5] 中國建筑標準設計研究院.建筑電氣常用數據：19DX101-1[S].北京：中國計劃出版社，2019.

收稿日期：2023-04-27

作者簡介：張樂（1989—），男，河北保定人，工程師，研究方向：數據中心機電系統設計。