數據中心UPS 交流電源接入方案的探討

王東方

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引 言

隨著信息化時代的到來，數據已經成為企業和組織運營不可或缺的重要資源，為了保證數據的安全、穩定和可靠，數據中心應運而生。數據中心作為支撐互聯網和信息技術的基礎設施之一，扮演著越來越重要的角色。數據中心的建設和運營需要巨大的能源支持，特別是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電系統的作用尤為重要。它可以在電網異常的情況下為數據中心提供電力支持，防止數據中心因電力波動、斷電等因素導致的損失和影響。因此，如何接入UPS 交流電源，以確保其符合數據中心的用電需求，具有高可靠性和安全性，成為數據中心建設和運營中的一個關鍵問題。

1 UPS 交流電源概述

UPS 交流電源是一種用于保護設備不受電源故障和電力質量問題影響的電源設備。它通常由電池和自動穩壓器組成，能夠在電網停電或電壓波動時提供持續穩定的電力，以確保設備正常運行，保護設備免受電源變化、電壓浪涌、瞬間停電以及短暫停電等不利影響[1]。

UPS 交流電源通常由整流器、電池組、逆變器3個部分組成。整流器將市電轉化為直流電能，同時用于電池充電。電池組一般為市電正常供電時可充電、市電停電時可供電的鉛酸蓄電池。逆變器將直流轉換為供設備和系統用的交流電。

UPS 交流電分為離線UPS、在線式UPS、在線交互式UPS 類型。市電正常供電時，離線UPS 會直接向設備供應市電，而當市電斷電時，UPS 則會自動切換為備用電池供電。在市電供電時，在線式UPS 會將市電轉換為直流電，并立即轉換為交流電供應裝置，也會將電能儲存至電池組內，在市電故障時，它仍然能保持穩定輸出電力，直到電池用完。在線交互式UPS 通常是在線式UPS 和離線式UPS 的混合型，它可以在市電電壓波動或停電時自動切換到電池供電狀態，并可以將市電的電壓調整到適合設備的水平。UPS 交流電源被廣泛應用于關鍵性電子設備，如計算機、通信系統、工業控制系統以及醫療設備等，從而在市電停電或電壓波動的情況下能夠正常運行[2]。

2 UPS 交流電源的特性

UPS 交流電源是一種電源設備，其主要作用是在電網電力故障或停電時，為設備提供電力，以保證設備正常運行。UPS 交流電源工作方式如圖1 所示。

圖1 UPS 交流電源工作方式

UPS 交流電源主要具有以下特性：一是可靠性高，UPS 交流電源通常采用雙重或三重電源系統，以確保電源的可靠性和穩定性，即使主電源中斷，也能及時切換到備用電源；二是穩定性強，UPS 交流電源具有電壓穩定、電流穩定、頻率穩定等特點，能夠為設備提供穩定的電源，從而保證設備的正常運行；三是自我診斷能力強，UPS 交流電源通常具有自我診斷功能，可以監測和診斷電源的運行狀態，發現問題及時修復，從而保證電源的可靠性和穩定性；四是安全保護功能，UPS 交流電源具有過電流、過電壓、欠電壓以及短路等多重保護功能，能夠有效地保護設備和電源，避免因電力故障而造成的損壞；五是高效節能，UPS 交流電源通常采用高效節能的設計，能夠提高電源利用效率，降低能源消耗，從而節省電費和運行成本[3]。

3 數據中心對UPS 交流電源的要求

數據中心對UPS 交流電源有以下要求：一是高可靠性，數據中心的業務24 h 不間斷運行，因此UPS 交流電源必須具備高可靠性，確保在任何時刻都能提供穩定的電源供應，不受外界因素的干擾；二是快速響應，UPS 交流電源能夠在短時間內（通常為毫秒級別）將備用電源切換到主電源，以確保在出現電源故障時，數據中心能夠持續供電，從而避免資料遺失和業務中斷的情況發生；三是穩定輸出，UPS 交流電源輸出的電壓、頻率等參數必須穩定，以確保服務器、存儲設備等關鍵設備的正常運行；四是高效節能，數據中心的用電量很大，UPS 交流電源的效率和節能性非常重要，可以減少用電成本并降低能源消耗；五是可擴展性，數據中心的規模和業務需求不斷變化，UPS 交流電源需具備可擴展性，可以隨著業務需求的變化進行升級和擴展；六是智能化管理，UPS 交流電源需具備智能化管理功能，可以通過網絡遠程監控和管理，及時掌握UPS 的運行狀態，提高運維效率[4]。

4 數據中心UPS 交流電源接入考慮因素

數據中心的UPS 系統在保障數據中心電力穩定供應方面扮演著重要角色。在UPS 系統的設計中，交流電源的接入方案是至關重要的一環。以下是數據中心UPS 交流電源接入的一些常見設計考慮因素：一是系統容量和負載特點，UPS 交流電源接入方案需要考慮數據中心的總容量和各個負載設備的特點，如功率因數、波動和諧度、負載特性等；二是電源選擇和接入方式，根據數據中心的負載特點和電源容量，選擇合適的UPS 交流電源類型和接入方式，一般有直接接入方式和分布式接入方式2 種；三是穩定性和可靠性，UPS 交流電源接入方案需要保證電源的穩定性和可靠性，確保UPS 交流電源的輸出電壓、頻率等參數穩定，并且保證在發生異常情況時能夠自動切換至備用電源；四是安全性和可維護性，UPS 交流電源接入方案需要考慮安全性和可維護性，需要滿足國家安全規定，如防雷擊、防電擊等，電源設備的維護和檢修也需要方便和可靠；五是成本和效益，UPS 交流電源接入方案的成本和效益也是需要考慮的因素，需要評估不同方案的成本、投資回報率、維護費用等，從而選擇最經濟、最有效的方案。

綜上所述，對于數據中心UPS 交流電源接入考慮因素，需要綜合考慮系統容量和負載特點、電源選擇和接入方式、穩定性和可靠性、安全性和可維護性以及成本和效益等多個方面，從而制定出最優的接入方案。

5 數據中心UPS 交流電源接入方案設計

5.1 數據中心運行環境要求

（1）UPS 電源對于數據中心核心機房互聯網技術（Internet Technology，IT）設備的供電質量具有非常重要的作用，不僅需要提供高品質的電源，還要求在市電停電后15 min 內為設備提供不間斷電源，從而保證數據中心機房的正常運轉。

（2）在大型數據中心中，單個機柜的功耗通常在4 ～10 kW（或更高）。而對于機柜數量達到150個左右的大型數據中心機房來說，假設每個機柜功耗為8 kW，其總功耗可達到1 200 kW。因此，UPS 電源要滿足數據中心機房內所有設備的需求，需要有足夠的容量和輸出功率。

（3）UPS 電源的系統可靠性是非常重要的指標。數據中心對UPS 電源的平均無故障時間（Mean Time Between Failure，MTBF）的要求通常都比較高，要求達到250 000 h 以上（不含電池）。

數據中心機房設計對溫度和濕度環境的要求非常苛刻，必須嚴格控制溫度和濕度，使溫度和濕度范圍能夠持續運行。通常情況下，干球溫度計應該維持在20～25 ℃，相對濕度應該維持在40%～50%。同時，最大露點應該控制在15 ℃以內，最小露點應該控制在5.5 ℃以內。此外，最大變化速度不應超過5 ℃/h。

5.2 方案設計

5.2.1 UPS 電源容量選擇計算

首先需要對其容量進行精確計算，以確保UPS為數據中心提供足夠的電力支持。在選型時，動力用UPS 要考慮到機房空調的感性負荷，其原因是通常情況下電動機的起動電流是額定電流的5 ～7 倍。在數據中心內，動力用UPS 主要為空調水泵供電。考慮到水泵通常采用變頻啟動方式，動力用UPS 的基本容量需要取最大計算負荷的1.3 倍，參照《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019）[5]。機柜用UPS在容量選取時也需要考慮一定的余量，基本容量需取機柜總計算負荷的1.2 倍，參照數據中心設計規范（GB50174—2017）[6]。

機柜用UPS 容量的計算公式為

式中：Ptotal表示機房內所有機柜的總功耗，W；Kneed是需要系數，用于考慮系統的可靠性和冗余度，一般取1.0；Kmargin是余量系數，用于考慮未來的擴展和增加負載的余地，一般取1.2；PFcabinet表示機柜的功率因數。

如果單機房機柜總功耗為1 200 kW，需要系數取0.96，機柜功率因數為0.95，則UPS 容量為1 455 kVA。最終，選擇6 臺500 kVA 的UPS 采用2N形式，每3 臺進行并機供電。

5.2.2 方案電氣原理

數據中心UPS 配電系統是保障數據中心穩定運行的重要組成部分，它由多個關鍵設備組成，如圖2所示。UPS 內部組成如圖3 所示。

圖2 數據中心UPS 配電系統接入圖

圖3 UPS 內部組成示意

交流配電系統可以將電源從電網輸送到UPS 主機，蓄電池組則是在停電等突發情況下為負載提供應急電源。UPS 主機可以根據不同情況提供不同的電源支持，保障設備在市電中斷等突發情況下的連續穩定運行。電動機用變頻器則是為了降低啟動電流而采用的設備，能使動力UPS 的容量選擇更為經濟。而輸出配電則是將UPS 輸出的電能分配到每一個負載設備上，確保它們正常運行。當UPS 發生故障時，維修旁路在線的功能能夠確保負載設備不會因為停電而受到影響，同時也提供了在線維修功能，便于及時處理故障。整個系統的設計考慮到了各種可能的情況，從而為數據中心提供了可靠的電源保障。

6 結 論

UPS 供電系統是現代科學技術的重要成果，被廣泛應用于現代社會的多個領域，為電力的穩定提供了重要保障。在數據中心中，UPS 供電系統的重要性更為突出。因此，需要不斷進行理論研究和技術開發，以不斷提高UPS 供電系統的性能和穩定性，進一步保障數據中心的供電安全和穩定。通過不斷推進UPS技術的進步，可以推動社會的發展，促進數字化轉型和信息化建設的加速發展。