某國外大型IDC機房的電源系統(tǒng)建設方案分析

2012-07-17 10:50:20張博文何云龍江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司江蘇南京210006

通信電源技術(shù) 2012年5期

張博文，何云龍（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇南京210006）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務在東南亞國家的迅速發(fā)展，IDC機房的需求量越來越大，同時對數(shù)據(jù)機房的要求也越來越高。為了更好地滿足客戶對于機房供電保障性的要求，同時降低IDC機房造價，本IDC機房的供電設計采用了大量先進的設計理念和技術(shù)，在確保機房供電可靠性的前提下，盡量減少系統(tǒng)投資，同時提高UPS電源的系統(tǒng)效率。

1 供電系統(tǒng)單線圖分析

在分析電源系統(tǒng)單線圖之前有必要先介紹一下大樓的配電系統(tǒng)，如圖1所示。目前大樓只有1路市電，機房大樓一共分為8層，每層樓都配有獨立的低壓配電室，低壓配電室內(nèi)分別設置了2套低壓配電柜A和B，配電柜A和B分別從2個不同的變壓器引接。油機通過ATS自動切換投入到各個樓層的低壓配電系統(tǒng)。

UPS系統(tǒng)設置在大樓的第2層，UPS系統(tǒng)一共分為3套，UPS A＼UPS C＼UPS B。每套 UPS系統(tǒng)都由6臺450 kVA的UPS單機并聯(lián)組成，一共組成總?cè)萘繛?700 kVA 的 UPS系統(tǒng)3套。其中 UPS A 和UPS B為主用，系統(tǒng)UPS C為備用系統(tǒng)。UPS最終組成2＋1備份。單獨系統(tǒng)都按照滿容量考慮即2700 kVA系統(tǒng)容量。

由于每臺UPS系統(tǒng)的容量巨大，同時并聯(lián)的數(shù)量之多。UPS的輸入和輸出配電需要特別的設計。以A套UPS系統(tǒng)的配電為例，UPS輸入屏分為2×2500 A開關(guān)，輸入屏內(nèi)的母線也分為2段，每段分別負擔3臺UPS供電，輸入屏總開關(guān)分別從樓層1和2的低壓配電柜A套引接。引自同一個變壓器。UPS輸出屏的母排也用ACB開關(guān)將母聯(lián)分隔成2段。其主要目的是為了維護的方便。配電屏要求按照英標的FOAM4標準進行裝配。FOAM4裝配要求是母排與開關(guān)全部隔離，最大程度確保安全。3套UPS系統(tǒng)經(jīng)過同步處理后輸出至樓層配電，樓層配電仍然分為A B C三個。配電列頭柜經(jīng)過STS切換（A與C切換，或者B與C切換），最后輸入到服務器機架。

圖1 電源系統(tǒng)單線圖

2 系統(tǒng)先進性分析

系統(tǒng)具有如下先進性：

（1）UPS全部采用高頻UPS主機，從而實現(xiàn)比工頻UPS更高的效率。另外由于采用了EATON9395系列的UPS，UPS（包括旁路）的輸入和輸出可以不需要中性線。減少了大量的電纜使用，有效地降低了系統(tǒng)的投資。

（2）由于UPS輸入屏到配電列頭柜之前的電能傳輸全部實現(xiàn)了無中性線，因此所有配電屏內(nèi)的中性排可以省去，進一步降低了配電屏的造價。

（3）在配電列頭柜內(nèi)部安裝隔離變壓器，通過三角形－星形連接產(chǎn)生中性線，以滿足后端服務器單相電的需要。另外配合高頻UPS使用，可以提高高頻UPS的抗負載沖擊，降低零地電壓。與國內(nèi)不同的是在配電列頭柜內(nèi)還安裝了ELCB（漏電保護），同時整定到300 mA，在保護用戶人生安全的同時，最大程度保障服務器的正常工作，如圖2所示。

圖2 配電列頭柜單線圖

（4）大樓接地系統(tǒng)重新設計，在機房內(nèi)部分別設置保護接地，設備中線點接地，以及隔離變壓器接地（圖3）。

各接地功能如下：

圖3 接地系統(tǒng)單線圖

①保護接地（Frame Earthing）：通過銅帶在機房內(nèi)布放成網(wǎng)格，保護接地PE直接接到地上的銅帶。

②隔離變壓器接地（Isolation Transformer Neural Earthing）：連接精密配電柜內(nèi)的隔離變壓器星型中性點，以防止零點偏移。

③設備中性點接地（Equipment Neutral Earthing）：例如空調(diào)配電屏內(nèi)的中性線，可以直接從設備中性點接地排上引接，而不需要再從上級的配電屏內(nèi)引接，可以減少電纜的使用量。

3 系統(tǒng)容錯能力分析

由于采用了6臺UPS并機組成系統(tǒng)，系統(tǒng)之間2＋1備份的工作模式，系統(tǒng)的安全性和可靠性是非常值得考慮的。按照系統(tǒng)滿負載情況（UPS系統(tǒng)A和系統(tǒng)B都處在滿載的情況），根據(jù)可能出現(xiàn)故障的幾個方面分別分析系統(tǒng)的容錯能力。

（1）配電屏故障

配電屏故障主要需要考慮總輸入開關(guān)故障，單機UPS輸入開關(guān)故障，單機UPS輸出開關(guān)故障這三種情況。

總輸入故障：UPS輸入屏內(nèi)任何一個總輸入脫扣，對應的3臺UPS的電池將放電，當電池放電結(jié)束后，另外3臺UPS系統(tǒng)無法承擔滿載時的負載，系統(tǒng)內(nèi)的6臺主機將全部切到旁路。

單機輸入開關(guān)故障：UPS系統(tǒng)會超載然后切換到旁路。

單機輸出開關(guān)故障：UPS系統(tǒng)會超載然后切換到旁路。

（2）UPS系統(tǒng)故障

UPS系統(tǒng)故障主要考慮整流器和逆變器故障，在這兩種情況下系統(tǒng)都將會超載而切換到旁路。

因此如果UPS系統(tǒng)工作在滿載的情況下，任何一個部件出現(xiàn)問題，那么系統(tǒng)便會切換到旁路。因此STS以及UPS系統(tǒng)C的存在顯得非常的重要，有必要分析STS系統(tǒng)的可靠性和切換條件。

在正常工作情況下UPS系統(tǒng)A、B和C都是同步的，因此STS在這種情況下切換沒有任何問題。主要問題是出現(xiàn)在系統(tǒng)A或者B處在旁路的工作條件下STS是否可以完成不掉電切換。STS判斷系統(tǒng)可否不掉電切換的最主要因素是電壓的相位角不能超過一定范圍（本案例是30°）。在正常工作情況下系統(tǒng)C作為主用，A和B都是追蹤C的相位和幅值來實現(xiàn)同步的，但是在A或者B分別工作在旁路的情況下，A和C或者B和C將無法實現(xiàn)追蹤。因此市電與變壓器成為決定STS是否可以不掉電切換的決定因素。本案例中變壓器全部是采用同一廠家，同一型號，同一批次的變壓器而且引自同一路市電，另外從低壓配電到UPS輸入之間全程采用的都是封閉密集母線，因此在設計階段和后來的實際測試階段發(fā)現(xiàn)，不同變壓器之間的電壓相位差很小，滿足30°角的要求。因此即便沒有UPS系統(tǒng)間的同步控制功能，STS也能實現(xiàn)不掉電切換。這個便是本設計中STS的關(guān)鍵部分。無論任何一個UPS系統(tǒng)處在旁路的工作條件，STS已經(jīng)準備就緒，如果再發(fā)生任何故障，系統(tǒng)A或者B的負載將全部切換到備份系統(tǒng)上。

如果按照本方案的最高保障程度，對于單臺雙路輸入的服務器來說，電源是分別從UPS A和UPS B兩套系統(tǒng)分別引接，C系統(tǒng)提供備份。相對于國內(nèi)常見的雙母線供電方式，本方案能提供更高的系統(tǒng)保障性。

4 應用和推廣建議

（1）如果希望增強系統(tǒng)的安全性，可以適當?shù)乜刂茊翁譛PS系統(tǒng)的容量，例如可以考慮5＋1或者4＋2的冗余方式，然后系統(tǒng)再進行2＋1備份。這樣任何一套UPS系統(tǒng)內(nèi)如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不至于切換到旁路。

（2）適當?shù)亟档蚉DU內(nèi)部隔離變壓器的容量。因為在STS切換的瞬間，對于C系統(tǒng)的浪涌電流（Inrush Current）太大，可能會達到10倍或者50倍的變壓器額定電流，瞬間可能會燒壞UPS系統(tǒng)的內(nèi)部元器件。