數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)可靠性分析及應(yīng)對(duì)策略

 

摘要：廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題包含較多的元素，電氣專業(yè)技術(shù)人員在對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃、管控的過(guò)程中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的實(shí)際用電負(fù)荷完成多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備分類以及供電特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，對(duì)當(dāng)前供電系統(tǒng)可靠性的分配問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致闡述，并提出當(dāng)前提高供電系統(tǒng)UPS供電效率的關(guān)鍵舉措，以提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；UPS；可靠性

       供電系統(tǒng)的可靠性直接影響到廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，涉及信息存儲(chǔ)、節(jié)目錄制采編傳輸、影音數(shù)據(jù)等生產(chǎn)質(zhì)量和播出質(zhì)量，為確保數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)作更加科學(xué)、安全、可靠，在現(xiàn)階段廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的布局規(guī)劃管理工作中，電氣專業(yè)技術(shù)人員需要開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)，明確各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)要素，結(jié)合精益化、精細(xì)化的管控措施，明確各項(xiàng)管理標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保障供電系統(tǒng)正常運(yùn)行尤為重要。

       廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電源設(shè)備分為單電源以及冗余電源設(shè)備，具體來(lái)說(shuō)，單電源是指單一的電源模塊，當(dāng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備存在供電問(wèn)題時(shí)，通常是由于電源本身出現(xiàn)的故障問(wèn)題所導(dǎo)致的，此時(shí)的機(jī)房設(shè)施將處于待機(jī)狀態(tài)，而冗余電源設(shè)備主要是由多個(gè)電源模塊所構(gòu)成，此類設(shè)備也稱為雙電源設(shè)備，由多個(gè)電源來(lái)承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的供電負(fù)荷，如果電源模塊組出現(xiàn)問(wèn)題或無(wú)法正常供電時(shí)，剩余模塊便能夠提供相應(yīng)的電源負(fù)載，保證設(shè)備正常供電。

       通常情況下，在供電系統(tǒng)中包含多個(gè)設(shè)備設(shè)施，如防雷器、電纜、開(kāi)關(guān)、UPS、電池組、PDU以及各種連接件，每一個(gè)環(huán)節(jié)以及每一項(xiàng)設(shè)備須具備較高的可靠性和穩(wěn)定性，才能發(fā)揮整個(gè)供電系統(tǒng)應(yīng)有的作用。在對(duì)供電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分配管理的過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要充分遵循短板控制原理，及整個(gè)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行可靠性的高低往往取決于可靠性較低的某一個(gè)部件或某一個(gè)環(huán)節(jié)，因此在供電系統(tǒng)可靠性的分配管理過(guò)程中，需要嚴(yán)格參照較低的那個(gè)環(huán)節(jié)完成資源分配、管理分配，以此才能夠采購(gòu)發(fā)揮出整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有的作用，比如在常見(jiàn)的10kVUPS輸出端配置65A的斷路器相對(duì)較為常見(jiàn)，同時(shí)在電子系統(tǒng)中，電氣技術(shù)人員也需要保證各系統(tǒng)各環(huán)節(jié)連接牢靠，具體來(lái)說(shuō)，由于常見(jiàn)的單相10kV額定電流為45A，考慮到增強(qiáng)系統(tǒng)20%的過(guò)載能力，一般會(huì)選取65A的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，如果在該環(huán)節(jié)存在特殊的要求則需要重新計(jì)算電流值大小，若盲目選用32A或100A的斷路器，將不滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的需求，比如選擇32A的斷路器會(huì)面臨頻繁切斷負(fù)載，若選用100A的斷路器，會(huì)致使輸出端短路而無(wú)法保護(hù)電源的情況出現(xiàn)，簡(jiǎn)而言之，如果對(duì)可靠性電流值大小的分配未滿足系統(tǒng)設(shè)備的具體運(yùn)作需求，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)的現(xiàn)象。

       通過(guò)實(shí)地調(diào)研分析可以看出，在整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房供電系統(tǒng)可靠性的分配管理過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要整合各項(xiàng)設(shè)備設(shè)施的綜合可靠性數(shù)值，完成綜合評(píng)價(jià)管控，比如在該環(huán)節(jié)需要分析系統(tǒng)防雷器的運(yùn)作可靠性，電纜設(shè)施的運(yùn)作可靠性，開(kāi)關(guān)柜、發(fā)電機(jī)、UPS、電池組、PDU以及各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性，之后再將每個(gè)結(jié)構(gòu)單元、結(jié)構(gòu)部位的運(yùn)行可靠性進(jìn)行乘積運(yùn)算，再通過(guò)特定的函數(shù)值的賦值分析，便能夠得到整個(gè)系統(tǒng)最終的可靠性。

3.1選取高效率的設(shè)備

       UPS作為供電系統(tǒng)中需要的關(guān)鍵要素，在選取相關(guān)設(shè)備時(shí)，電氣工程技術(shù)人員需要重點(diǎn)考量系統(tǒng)所具備的運(yùn)行可靠性問(wèn)題，同時(shí)考量相關(guān)設(shè)備的外部運(yùn)行環(huán)境，盡可能控制設(shè)備高溫問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，如果UPS設(shè)備溫度升高，那么設(shè)備內(nèi)部的電子零部件的活躍度將會(huì)翻倍，從而使得設(shè)備內(nèi)部的元器件的使用壽命進(jìn)一步衰減，因此管控UPS供電系統(tǒng)內(nèi)部的溫度數(shù)值將能夠提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，但是要想管控設(shè)備內(nèi)部的溫度，則需要對(duì)設(shè)備本身的功耗進(jìn)行多方面的論證分析，簡(jiǎn)而言之，設(shè)備運(yùn)行的功率并不是越低越好，同時(shí)也不是越高，要想發(fā)揮出設(shè)備更加優(yōu)異的性能，技術(shù)人員需要考量整個(gè)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行需求，完成對(duì)設(shè)備負(fù)載功率的合理設(shè)置。

       具體來(lái)說(shuō)，在常見(jiàn)的工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種UPS電路結(jié)構(gòu)中，不同設(shè)備在輸出端、輸入端均具備不同的線性輸入指標(biāo)，同時(shí)兩者也具備不同的功率因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，工頻機(jī)的UPS比高頻機(jī)UPS往往具備更大的功率消耗，同時(shí)兩者也具備不同的造價(jià)。此外，工頻機(jī)UPS輸入逆變器通常是采用的全橋電路，在實(shí)踐應(yīng)用層面，此類電路要想發(fā)揮工頻UPS的實(shí)際性能，則需要適當(dāng)?shù)脑黾痈綦x變壓器，而對(duì)于高頻機(jī)UPS逆變器而言，此類設(shè)備通常采用半橋電路，因此針對(duì)此類設(shè)施的空間布局以及結(jié)構(gòu)布局不需要借用變壓器隔離便能夠發(fā)揮出應(yīng)有的作用。

       因此可以看出工頻機(jī)系統(tǒng)由于具備更多的結(jié)構(gòu)損耗，導(dǎo)致其變壓器的損耗數(shù)值也進(jìn)一步提高，從故障學(xué)原理出發(fā)可以看出，如果整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施的數(shù)量越多，則表明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的故障率會(huì)進(jìn)一步加大，因此工頻機(jī)比高頻機(jī)出現(xiàn)故障的概率要更高。因此在選取系統(tǒng)中的過(guò)程中，工程師以及技術(shù)員需要秉承減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性的原則，完成對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的布置，以此才能夠降低設(shè)備的電力損耗。

3.2選擇噪音低的設(shè)備

       一般情況下，要想確保電源系統(tǒng)更加科學(xué)、高效、穩(wěn)定地運(yùn)作，電氣技術(shù)人員需要嚴(yán)格管控設(shè)備的噪音，同時(shí)噪音過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備操作環(huán)境變得過(guò)于復(fù)雜，使得操作者的情緒受到嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致工作人員的工作效率降低，甚至出現(xiàn)操作失誤的情況。但是由于工頻機(jī)UPS輸入電路破壞了原有的電壓波形，會(huì)給其他設(shè)備造成相應(yīng)的電磁干擾，同時(shí)電感和變壓器在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生出大量可聞噪音，從而使得操作環(huán)境變得更加惡劣。一般情況下，工頻機(jī)往往結(jié)合10kHz左右的調(diào)制頻率的使用，此類頻率恰好在人耳可感知的頻率范圍內(nèi)，從而使得人員的工作環(huán)境受到嚴(yán)重干擾。而高頻機(jī)的工作調(diào)制頻率通常設(shè)置在20kHz以上，而此類赫茲頻率往往在人耳感應(yīng)范圍之外，從而可以保障工作人員的工作環(huán)境相對(duì)較為安靜。因此從供電可靠性的層面進(jìn)行分析可以看出，選取適當(dāng)調(diào)制頻率的設(shè)備至關(guān)重要，當(dāng)前20kHz以上的高頻機(jī)UPS供電設(shè)備在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的使用相對(duì)較為常見(jiàn)。總體來(lái)說(shuō)，在對(duì)供電系統(tǒng)UPS進(jìn)行選取選用的過(guò)程中，工程師以及技術(shù)人員需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的綜合功率消耗，同時(shí)還需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的噪音等級(jí)，以此才能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行效率。

4.1控制UPS輸入輸出的形式

       在控制UPS輸入輸出形式的過(guò)程中，電氣技術(shù)人員需要進(jìn)行多方面的論證探究，一般情況下在對(duì)UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行管理控制的過(guò)程中，需要對(duì)其中的三相負(fù)載電流不平衡問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)管控，為了提高三相輸出的穩(wěn)定性，工程人員、技術(shù)人員可以采用三進(jìn)單出的UPS單元來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率。同時(shí)考慮到單進(jìn)單出對(duì)整個(gè)輸入配電所產(chǎn)生的不平衡問(wèn)題，在當(dāng)前三相輸出UPS時(shí)通常被賦予了三相負(fù)載100%不平衡的能力，如果出現(xiàn)100%不平衡時(shí)，其電壓不平衡度也只是出現(xiàn)微小的波動(dòng)；但是結(jié)合三進(jìn)單出的UPS供電模式卻有著較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，比如當(dāng)輸出功率在90kvA時(shí)，借助正常三相輸入可確保每條線路均能夠輸入30kvA的電流數(shù)值，以此達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平衡狀態(tài)，如果UPS輸出端存在過(guò)載或設(shè)備故障的問(wèn)題時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致供電短缺的情況，出現(xiàn)不間斷的波動(dòng)負(fù)荷，在該環(huán)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備中的線路控制開(kāi)關(guān)便會(huì)選擇性閉合，但是若相關(guān)開(kāi)關(guān)流入的電流等級(jí)過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致供電全面斷電。

       而為了保證不出現(xiàn)以上的問(wèn)題，工程師以及技術(shù)人員需要適當(dāng)增加輸入電路的數(shù)值大小，比如可將輸入端的輸入值增加三倍，使其額定輸入值變?yōu)?0kvA，而多出的電路數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出機(jī)房的供電需求，但是卻會(huì)給上游的供電局造成較大的供電負(fù)荷，因此若單方面增加三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS容量也無(wú)法解決系統(tǒng)運(yùn)行可靠性低下的問(wèn)題。當(dāng)前三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS選用30kvA以下的固定等級(jí)相對(duì)較為合適，在管控容量大小的過(guò)程中，可以結(jié)合n+x模塊化冗余結(jié)構(gòu)，結(jié)合并聯(lián)UPS各結(jié)構(gòu)模塊，依托并聯(lián)電路，將故障模塊及時(shí)切換，以此來(lái)減少故障模塊給整個(gè)系統(tǒng)所造成的綜合故障問(wèn)題，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2串聯(lián)單總線供電模式

       為了提高UPS供電效率，通常會(huì)結(jié)合多套UPS系統(tǒng)的配合使用,比如結(jié)合主機(jī)和備機(jī)共聯(lián)的形式來(lái)完成供電管控，一般情況下，備機(jī)往往是作為主機(jī)旁路電源的形式存在，無(wú)論是主機(jī)還是備機(jī)，均會(huì)輸入相應(yīng)的市電，而備機(jī)作為旁路往往承擔(dān)主機(jī)非正常狀態(tài)的供電負(fù)荷，當(dāng)主機(jī)中的設(shè)備存在運(yùn)行故障時(shí)，UPS備機(jī)便會(huì)從旁路承擔(dān)故障模塊的供電負(fù)荷，如果主機(jī)處于正常供電狀態(tài)，則備機(jī)將處于空載運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)此類供電方式，再無(wú)冗余UPS系統(tǒng)擴(kuò)充改造的情況下，可提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，但是在該環(huán)節(jié)，工程師以及技術(shù)人員需要確保UPS主機(jī)具備相應(yīng)的靜態(tài)旁路輸出端以及輸入端，以此才能夠保證主機(jī)以及備機(jī)正常供電，此類結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，能夠使得設(shè)備處于正常工作運(yùn)行的狀態(tài)，同時(shí)也能夠適當(dāng)減少主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，備機(jī)能夠更加科學(xué)合理地處理突發(fā)過(guò)載變化問(wèn)題，同時(shí)也能夠維持主機(jī)長(zhǎng)效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在此過(guò)程中，技術(shù)人員也可以適當(dāng)將主機(jī)和備機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行更換，即將備機(jī)當(dāng)作為主機(jī)使用，而將主機(jī)當(dāng)作為備機(jī)使用，以此來(lái)減少系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。除此之外，此類供電管理模式也具備較低的造價(jià)成本，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)更加高效地維護(hù)管控，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝管理過(guò)程中，技術(shù)人員需要科學(xué)合理實(shí)施維護(hù)管理，對(duì)主機(jī)以及備機(jī)進(jìn)行常態(tài)化的運(yùn)維管控，提高整個(gè)體系的運(yùn)行效率。

4.3雙總線供電模式

       在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中，結(jié)合雙總線供電模式的使用也相對(duì)較為常見(jiàn)，可滿足供電系統(tǒng)更加安全、可靠、高效的運(yùn)行需求，提高整個(gè)體系運(yùn)行的安全系數(shù)。雙總線供電模式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施的空間環(huán)境以及資金投入也不具備較高的要求，在雙總線供電管理模式下，可在空間資源有限的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的簡(jiǎn)化管理。傳統(tǒng)雙總線供電模式結(jié)合兩套UPS供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)體系的多重供電荷載，比如結(jié)合兩臺(tái)UPS系統(tǒng)，在輸入端輸入相應(yīng)的市電，并且完成雙電源負(fù)載，借助STS開(kāi)關(guān)完成整個(gè)系統(tǒng)的綜合控制。

       一般情況下，當(dāng)一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，能夠保持整個(gè)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行負(fù)荷滿足相應(yīng)的要求，但是單臺(tái)UPS系統(tǒng)設(shè)備要能夠支撐整個(gè)系統(tǒng)的總體負(fù)荷，在兩臺(tái)設(shè)備正常供電的情況下，將各自承擔(dān)一半的用電負(fù)荷，結(jié)合此類雙電源的負(fù)載管控模式能夠大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠適當(dāng)減少UPS設(shè)備的運(yùn)行壓力，延長(zhǎng)UPS設(shè)備的使用壽命。雙總線供電方案結(jié)合并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合此類供電管理模式也能夠降低外界環(huán)境所帶來(lái)的不良因素影響，具體來(lái)說(shuō)，在串聯(lián)電路中，每多一個(gè)環(huán)節(jié)便會(huì)增加一個(gè)故障點(diǎn)位，在同一條故障線路上往往包含大量的結(jié)構(gòu)單元，如斷路器、開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲、PDU，在其中任何開(kāi)關(guān)或節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障問(wèn)題均會(huì)導(dǎo)致電流無(wú)法正常高效地流通，而為了有效地解決以上問(wèn)題，將雙總線和并聯(lián)冗余方案進(jìn)行整合使用往往能夠取得良好的管控效果，在該環(huán)節(jié)可結(jié)合多條市電的輸入，借助多臺(tái)UPS設(shè)備，并且完成對(duì)輸出配電柜的合理布局設(shè)置，對(duì)其中的各項(xiàng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行綜合管控，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載多維度、多層次的控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行水平和用電效率。但是在此過(guò)程中，工程人員、技術(shù)人員需要對(duì)單電源負(fù)載、雙電源負(fù)載問(wèn)題進(jìn)行綜合評(píng)估管控，使得整個(gè)方案的設(shè)計(jì)更加科學(xué)可靠。

5.1電力監(jiān)控解決方案

       電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心中低壓配電系統(tǒng)、UPS、蓄電池組、ATS/STS、精密配電柜、電源支路電流、PDU機(jī)柜電源以及其它重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、記錄、報(bào)警等功能，實(shí)時(shí)掌握供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況和可能存在的隱患，快速排除故障，提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性。

5.2電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備選型

       總體來(lái)說(shuō)，在對(duì)廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題進(jìn)行探究探討的過(guò)程中，電力工程技術(shù)人員需要根據(jù)當(dāng)前的10kv供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況、運(yùn)行特征，完善各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施，并且革新現(xiàn)有的供電系統(tǒng)，提高整個(gè)體系的供電效率。

【1】數(shù)據(jù)中心動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),黃河水利委員會(huì)信息中心趙凱.景云.賈楠[1] 曾顯達(dá), 徐華鋒.數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)中并機(jī)臺(tái)數(shù)與可靠性的關(guān)系分析[J].數(shù)據(jù)中心建設(shè)+,2021(7):25-28. 

【2】高巖叢.數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)分析對(duì)比[J].長(zhǎng)江信息通信,2021,34(10):163-165. 

【3】李季.廣電數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)可靠性分析.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版