大型绿色数据中心电源系统设计思路与实践
时间：2023-02-17 10:35:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡双平
（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 深圳 518057）
不间断电源（Uninterruptable Power Supply，UPS）作为数据中心的核心设备，能够在市电停电时提供电源的不间断保障，提供过压保护、欠压保护、谐波失真保护以及稳定频率等，在数据中心具有不可或缺的作用[1]。
1.1 电源系统设计的基本原则
根据功能分区设置2套具备物理分隔的独立电源系统，采用不同的变压器供电[2]。采用模块化区域设计电源系统，具有可持续发展的优势，提高UPS系统的实际运行负载率，降低能耗。系统具有良好的灵活性与扩展性，兼备优越的改造性。在经济、技术以及功能的有机结合下，一次规划、分期实施。电源系统深入负荷中心，紧贴IT机房，合理冗余。供电结构简单清晰，减少配电级数，降低故障点运营维护的难度，提高了系统的可用性和可维护性。
1.2 电源系统设计的总体要求
大型数据中心的主要服务对象是大型互联网公司和金融企业等重点客户，一旦出现网络业务中断，将造成巨大损失。因此，大型数据中心均按照《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）A级标准进行设计建造。
A级数据中心电源系统要求采用2N配置，UPS系统需配置自动转换旁路和手动维修旁路。在有柴油发电机保障时，蓄电池后备时间不少于15 min。空调系统采用双路电源末端切换供电，且其中一路必须是不间断电源，后备时间要求不少于15 min[3]。
大型数据中心的供电系统架构采用双重市电+柴油发电机组，中压柜和低压柜均并联连接。电源系统采用2N和2N+1的可靠性相差无几，而2N+1系统比2N系统不仅每组系统增加了1套UPS和电池使造价更高，还因增多UPS导致单机负载率低，不利于节能，故推荐采用2N架构[4]。
电源系统双路正常运行时，UPS负载率不超过45%。当其中一路UPS系统故障时，另一路UPS系统单路带载时的负载率不超过90%[5]。
在数据中心设计中，双路UPS输出后，为增加再次联络的可靠性，在双路中交叉采用静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）进行切换。增加 STS 增多了单点故障，且双路末端交叉使双路之间互相影响，无法保证双路的独立性，增大了故障风险。因此，在UPS输出后不建议双路之间再有联络关系，而是保持每路独立供电到末端[6]。
1.3 电源系统供电与运行方式
UPS电源系统供电方式使用市电作为主用电源，自启动柴油发电机组作为备用电源。当市电正常时，市电电源经UPS系统向负载供电；
当市电检修或故障停电时，柴油发电机组自启动后经UPS系统向负载供电；
在市电停电而发电机未供电时，由蓄电池组放电经UPS系统向负载供电[7,8]。
2.1 负荷计算
某数据中心园区规划7 kW机柜6 012台，服务器机柜总功率为42 084 kW，规划外市电容量为双路60 000 kVA，项目配置 48 台 SCB13-2500 kVA 干式变压器。本项目分3栋机房楼和1栋办公楼，每栋机房楼分4层，部署2 004台机柜，其中1层部署制冷主机等动力设备区，2～4层为机房区域、电源间以及电池间等。每层分为2个机房，每个机房部署机柜334台。单个机房负荷计算书的内容包括服务器机柜、UPS、电容器以及变压器等设备参数。服务器机柜的负荷计算如表1所示。选择视在功率为3 000.0 kVA的UPS，Pb=0.04 Sjs的功率因数为0.90，有功功率和无功功率分别为 98.44 kW 和 47.68 kvar。UPS 蓄电池单柜充电功耗为123.05 kW。对于电容器，补偿无功功率-800 kW，补偿后功率因数为1.00，有功功率、无功功率和视在功率分别为 2 436.44 kvar、16.14 kW 和2 436.5 kVA。选择视在功率为 2 500.0 kVA 的变压器，负荷率位97.5%，Pb=0.01 Sjs的有功功率为34.36 kW，Qb=0.05 Sjs的无功功率为121.82 kvar，归算到 10 kV侧，则功率因数为1.00，有功功率、无功功率和视在功率分别为 2 460.81 kW、137.97 kvar和 2 464.7 kVA。
表1 服务器机柜负荷计算
每个机房部署334台服务器机柜，单机柜平均功率为7 kW。需要系数和同时系数均按1取值，功率因数取0.95，UPS负荷率按不高于90%设计，每个机房需配置单路UPS容量为3 000 kVA。
2.2 UPS主机选型
按照容量需求，UPS可采用5台600 kVA或6台500 kVA组成并机系统。综合低压配电柜投资、UPS投资、电池投资以及电缆投资对比分析，见表2。对于 3 000 kVA 系统，当采用 600 kVA UPS 组合时，单系统造价约3849848 元；
当采用 500 kVA UPS组合时，单系统造价约 3 656 990元，500 kVA 比600 kVA整体造价节约192 858元。因此，本项目设计采用 500 kVA UPS 并机系统。
表2 500 kVA系统和600 kVA系统投资对比表
为了保证UPS并机系统的可靠性，UPS并机一般不超过4台。超过4台时，采用分多组并机方式。本项目每个机房3 000 kVA容量需求，采用2组1 500 kVA UPS系统，每组系统由 A 路和 B 路各 1套1 500 kVA UPS分系统组成（每套分系统均由3台500 kVA UPS主机按照3机并联和功率均分的方式组成），为服务器机柜提供完全独立的A路和B路交流不间断电源。每组需要6台500 kVA UPS，每个机房需要12台UPS，电源系统架构如图1所示。
图1 电源系统架构图
2.3 蓄电池组设计
本项目使用容量为 500 kVA 的 Galaxy 3L UPS 系统进行并机，使用SPG系列蓄电池，单机后备时间为 15 min。
蓄电池配置计算条件：UPS逆变器效率为95%，单机UPS实际带载390 kW，单体蓄电池放电截止电压1.75 V/Cell。每组电池48只，共3组，选择电池配置计算如下。
UPS所需的直流功率Pdc为
代入数值，计算可得Pdc约为410.5 kW。
每组电池的串连48只，配置3组蓄电池时，电池中每个Cell（每只12 V电池由6个Cell组成）的放电功率要求为
代入数值，计算可得电池每个Cell的放电功率为 475 W。
查询SPG12-570W蓄电池放电功率表可知，在电池放电截止电压取 1.75 V/Cell（10.5 V/Block）时，15 min可以放电 500 W/Cell，大于计算所需的475 W/Cell，即使用SPG12-570W蓄电池48只×3组，满足 Galaxy 3L 500 kVA UPS 单机满载时后备时间15 min 的要求[9]。
2.4 UPS输入输出配电系统设计
2N系统两路交流输入电源分别取自不同的低压配电系统，同1套系统的UPS的主路、静态旁路以及外部维修旁路的输入则由同1套低压系统供电。查阅 UPS 手册，500 kVA UPS 额定输入电流为 759 A，主路和静态旁路输入断路器均选用1 000 A框架断路器。每组UPS设置1个外部旁路断路器，采用2 500 A框架断路器。故障检修时切断所有UPS输出断路器，由外部旁路直接对输出配电柜供电，手动旁路必须挂锁，严防误操作[10]。UPS输出为2套独立的配电系统，分别为各自对应的IT机房提供2路不间断电源。
2.5 电池开关柜设计
电池放电总电流Id为952 A。本项目采用3组蓄电池并联放电，每组电池放电电流为317 A。
电池开关柜采用1 250 A直流专用断路器作为总断路器，3组蓄电池采用500 A直流断路器。3个直流电池断路器内置3个施耐德欠压脱扣线圈MN（24 V/5 W）和3个开关状态辅助触点。每个开关对应布放1根RVVP 4×0.5 mm2信号线，3个直流电池开关对应需布放3根RVVP 4×0.5 mm2信号线。
对于大功率UPS系统，电池线除了正极（+）和负极（-）之外，还有1条中性线（N），因此电池总电缆采用9条WDZA-RYJY 1×240 mm2电缆分 3组并接。
数据中心电源设计的主要目的是在成本可控的情况下，为重要IT负载提供高可靠的电源保障。随着技术的高速发展，新的电源技术不断涌现，在保证可靠性的前提下，勇于探索和使用新技术，针对不同的项目需求采用合理的电源架构和合适的产品，做到节能与可靠性兼顾，以期为客户提供一个绿色高效和安全可靠的数据中心电源系统。
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