市電與模塊化UPS雙路直供技術(shù)的應(yīng)用

顧 超

（寧夏通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750011）

0 引 言

為降低數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)建設(shè)維護(hù)成本，在數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)中引入新的市電直供供電系統(tǒng)。該供電結(jié)構(gòu)中，主用供電分路使用市電直接供給服務(wù)器電源單元設(shè)備，熱備供電分路使用UPS作為保障供電電源。從國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心的發(fā)展來看，市電直供技術(shù)已經(jīng)獲得了大量應(yīng)用。

隨著數(shù)據(jù)中心中市電與UPS直供技術(shù)應(yīng)用的成熟，通信運(yùn)營商設(shè)備池化，一類市電通信機(jī)房日益增多，通信機(jī)房的用電成為企業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)。市電與UPS直接給設(shè)備供電是一個(gè)可選方案，能夠大大減少通信電力系統(tǒng)的能耗，同時(shí)減少企業(yè)電力系統(tǒng)投資，提高電力機(jī)房的空間利用率[1]。

1 應(yīng)用背景

1.1 特色業(yè)務(wù)需求

寧夏某運(yùn)營商全區(qū)新增寬帶CDN業(yè)務(wù)。CDN的全稱是Content Delivery Network，即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)[2]。CDN是構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)之上的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，依靠部署在各地的邊緣服務(wù)器，通過中心平臺(tái)的負(fù)載均衡、內(nèi)容分發(fā)和調(diào)度等功能模塊，使用戶就近獲取所需內(nèi)容，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高用戶訪問響應(yīng)速度和命中率。在可靠性上，CDN在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)冗余，即使某一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于意外發(fā)生故障，對(duì)網(wǎng)站的訪問也能夠被自動(dòng)導(dǎo)向其他健康節(jié)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)。

依據(jù)CDN業(yè)務(wù)部署，銀川作為核心節(jié)點(diǎn)，其他四地市分別為邊緣節(jié)點(diǎn)。五個(gè)地市新增服務(wù)器用電均為交流，但是地市老局通信UPS系統(tǒng)容量無法滿足中期業(yè)務(wù)需求，需新增UPS配電系統(tǒng)。

1.2 節(jié)能降耗

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范要求，數(shù)據(jù)中心全年平均PUE值應(yīng)降低到1.5以下。目前，區(qū)內(nèi)通信機(jī)房的PUE值在1.8左右。以區(qū)內(nèi)某個(gè)通信機(jī)房（業(yè)務(wù)負(fù)載功耗400 kW）為例，PUE值每降低0.1，年省電約25萬元。降低PUE指標(biāo)主要考慮兩個(gè)方面：一是提升空調(diào)的運(yùn)行效率，積極推廣使用水冷空調(diào)，進(jìn)一步提升機(jī)房裝機(jī)率；二是提升機(jī)房?jī)?nèi)UPS和通信電源的效率（本文重點(diǎn)介紹UPS效率）。具體UPS系統(tǒng)配置效率，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)配置與系統(tǒng)效率對(duì)應(yīng)圖

用戶在預(yù)計(jì)UPS容量時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)低估或高估情況。模塊化UPS電源可有效解決以上問題，幫助用戶在未來發(fā)展方向尚不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和投資。當(dāng)用戶負(fù)載需要增加時(shí)，只需根據(jù)規(guī)劃，階段性地增加功率模塊。

從設(shè)計(jì)和工作的原理方面來講，模塊化UPS包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路開關(guān)、附屬的控制電路和CPU主控板等[3]。模塊化最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，并不會(huì)影響其他模塊的正常工作，且可通過熱插拔特性縮短系統(tǒng)的安裝和修復(fù)時(shí)間。此外，模塊化UPS能夠給用戶帶來更好的可擴(kuò)展性，也為用戶的投資起到了很好的保護(hù)作用。

1.3 運(yùn)營保障

任何種類的UPS，不管是傳統(tǒng)的在線雙變換交流UPS，還是谷歌的12 V掛電池，亦或是facebook開放平臺(tái)的48 V定制電源，原理都是利用電池做好市電掉電下的掉電保護(hù)，差別只是實(shí)現(xiàn)方式的不同。當(dāng)然，UPS的作用不僅是實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)，而且能濾除電網(wǎng)的電壓抖動(dòng)、脈沖和浪涌等。每一個(gè)服務(wù)器電源出廠需要在各種極限情況下做各種測(cè)試，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求IT設(shè)備電源需要滿足各種惡劣電網(wǎng)下的適應(yīng)性、防雷、浪涌和閃斷等測(cè)試，從技術(shù)上保證正常情況下市電供電沒有問題。近年來，隨著國家電網(wǎng)配電系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善，供電質(zhì)量進(jìn)一步提升，特別是城市的配電電網(wǎng)供電質(zhì)量越來越高。正常市電各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足設(shè)備的可靠運(yùn)行，完全可以直接給設(shè)備供電。

眾所周知，電路越簡(jiǎn)單越可靠。串接在供電路徑上的UPS自身也是個(gè)故障點(diǎn)，有太多在市電正常時(shí)因UPS自身故障而導(dǎo)致機(jī)房設(shè)備停電的案例。因?yàn)閁PS電容只有5年壽命[4]，漏液短路或者大電流下會(huì)爆炸燃燒，加上需要相同頻率、相位和幅度等復(fù)雜的并機(jī)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)問題。若采用2N甚至2（N+1）的冗余配置，系統(tǒng)效率很低，投資成本太高。假如能夠提出一種新的供電結(jié)構(gòu)做好市電供電下的掉電保護(hù)，那么就可以省略UPS冗余配置環(huán)節(jié)。

2 應(yīng)用案列

2.1 工作原理

本期試點(diǎn)選取固原老局（CDN邊緣節(jié)點(diǎn)，多點(diǎn)冗余）。該局市電等級(jí)為一類市電，低壓配電系統(tǒng)配置后備柴油發(fā)電機(jī)組（15 min自啟動(dòng)）。

新增CDN服務(wù)器支持雙路供電，安裝在4樓CDN專用機(jī)房交流通用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，機(jī)柜配置A/B路引電，A路備用-UPS供電，B路主用-市電直供。具體供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)配置

2.2.1 模塊化UPS系統(tǒng)配置

CDN初期交流用電需求30 kW，中期60 kW，遠(yuǎn)期100 kW。本期模塊化UPS系統(tǒng)容量依據(jù)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.7條規(guī)定，不間斷電源系統(tǒng)的基本容量計(jì)算為[5]：

其中，E為不間斷電源系統(tǒng)的基本容量（kW/kVA），P為電子信息設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷（kW/kVA）。

計(jì)算的本期模塊化UPS系統(tǒng)遠(yuǎn)期容量不低于120 kW，但需大于140 kW。考慮到后續(xù)業(yè)務(wù)發(fā)展的不確定性，設(shè)備集成化，功耗需求越來越大，考慮冗余。

本期新增1臺(tái)200 kVA模塊化UPS架體，滿配4×50 kVA模塊。根據(jù)近期30 kW需求，模塊N+1配置，配置2塊50 kVA模塊。依據(jù)該運(yùn)營商企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，UPS后備電池時(shí)間配置（30 min）。

一樓電力室新增1架模塊化UPS、1架交流輸出屏和2組后備蓄電池組，占用400 A低壓抽屜2路。

2.2.2 市電引入配置

現(xiàn)場(chǎng)高低壓配電室與4樓CDN專用機(jī)房距離超過100 m，便于后期加電和電纜敷設(shè)。在4樓機(jī)房，新增1架市電分配屏（圖中交流列頭柜2）。依據(jù)遠(yuǎn)期100 kW用電需求，本期市電列頭柜配置250 A塑殼開關(guān)，由1路250 A低壓抽屜直接引接。

2.3 系統(tǒng)在網(wǎng)運(yùn)行

市電與模塊化UPS系統(tǒng)與2018年3月投產(chǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。目前，業(yè)務(wù)負(fù)荷較低，6月現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷情況詳見表1。

表1 系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)負(fù)荷情況表

3 應(yīng)用分析

3.1 節(jié)投資分析

采用市電與模塊化UPS系統(tǒng)雙路直接供電（下文簡(jiǎn)稱該系統(tǒng)），可少投資1套200 kVA-UPS系統(tǒng)（包含主機(jī)、配電屏及蓄電池組）。按照運(yùn)營商集采標(biāo)準(zhǔn)配置價(jià)格，約節(jié)少投資25萬元。

3.2 節(jié)空間分析

采用該系統(tǒng)，電力室可節(jié)省1套200 kVA-UPS系統(tǒng)安裝空間。依照現(xiàn)有機(jī)房配置空間計(jì)算，預(yù)計(jì)可節(jié)省20 m2安裝空間，同時(shí)可以節(jié)約配套空調(diào)設(shè)備安裝面積，可少占用1路低壓配電系統(tǒng)400 A抽屜開關(guān)[6]。

3.3 節(jié)成本分析

（1）依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷計(jì)算，考慮現(xiàn)有UPS輸出負(fù)荷/UPS輸入負(fù)荷（只考慮有功），得出UPS實(shí)際運(yùn)行效率為0.83；

（2）市電現(xiàn)有負(fù)荷÷0.83（折合UPS輸入負(fù)荷）-市電負(fù)荷=1.6 kW（1 h）；

（3）中期、遠(yuǎn)期計(jì)算效率選取0.83，預(yù)測(cè)負(fù)荷按照市電、UPS各50%計(jì)算；

（4）電費(fèi)按照0.7元/（kW·h）計(jì)算。

具體計(jì)算結(jié)果見表2。

采用該系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)電率在10%以上，遠(yuǎn)期負(fù)荷情況下，一年節(jié)約電費(fèi)8萬元。

表2 節(jié)電分析表

4 結(jié) 論

綜上所述，在一類局房電力室空間不足、投資成本控制、節(jié)能減排方面，市電與模塊化UPS雙路直供技術(shù)具有推廣意義，可促進(jìn)運(yùn)營商降本增效。但是，運(yùn)營商業(yè)務(wù)種類繁多，保障等級(jí)不同，關(guān)于市電直供無相關(guān)國家、行業(yè)規(guī)范要求，直供配電系統(tǒng)配置仍有很大改進(jìn)空間，節(jié)能降耗還可進(jìn)一步提高。