談銀行數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)建設(shè)

UPS作為電子設(shè)備最為常用的供電安全保障設(shè)備,如何選擇恰當?shù)墓╇姺桨笜?gòu)架是確保數(shù)據(jù)中心供電安全等級的最重要環(huán)節(jié),如果構(gòu)架上存在缺陷,很難可以在后期的運維服務(wù)中加以優(yōu)化改善。

一  UPS系統(tǒng)的構(gòu)架

UPS作為電子設(shè)備最為常用的供電安全保障設(shè)備,如何選擇恰當?shù)墓╇姺桨笜?gòu)架是確保數(shù)據(jù)中心供電安全等級的最重要環(huán)節(jié),如果構(gòu)架上存在缺陷,很難可以在后期的運維服務(wù)中加以優(yōu)化改善,筆者就自身對各種供電機構(gòu)的理解與大家做一下分享。

1單機系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示,該構(gòu)架方案,適合在運行當中可以有計劃中斷或停止運行的負載設(shè)備供電,系統(tǒng)應(yīng)配置內(nèi)置或者外置手動維修旁路開關(guān),以盡可能的提高負載可用性。

單機系統(tǒng)是當前應(yīng)用最多的解決方案,負載獨立地由一臺UPS提供動力保護,不停電維護是通過人為強制由逆變器切換至靜態(tài)旁路供電,然后再閉合手動維修旁路開關(guān),此時負載是由市電直接供給。退出運行的UPS主機,可進行不停電維護的。手動維修旁路的切換,可以進行無中斷的“先通后斷”切換過程,不會引起負載中斷供電的問題。

2并機系統(tǒng)構(gòu)架

該構(gòu)架方案,也通常被稱為N+X構(gòu)架,如圖2所示。圖2(a)所示為模塊機N+X冗余系統(tǒng)電原理圖;圖2(b)所示為塔式機N+X冗余系統(tǒng)電原理圖。N是根據(jù)負載量選定的UPS基礎(chǔ)容量,X是系統(tǒng)備份數(shù)量,該系統(tǒng)可以接受“X”數(shù)量的設(shè)備或者模組出現(xiàn)故障而不影響系統(tǒng)運行。原則上X的數(shù)量越大,系統(tǒng)的安全系數(shù)越高，個人建議將X設(shè)置為1-2較為合適,既可以節(jié)省能耗，也具有相應(yīng)的容錯能力。

在使用N+1并機系統(tǒng)時,可以允許1臺UPS主機進行主動維護而不影響負載運行,相比單機系統(tǒng)的應(yīng)用方案有很大的優(yōu)越性。適合應(yīng)用在不能停電的重要單電源負載供電系統(tǒng)中。如上圖示,N+X系統(tǒng)可以分為塔式并聯(lián)和模塊化UPS兩種,其基本工作原理相同,但模塊化UPS因具有熱插拔功能,維護更便利性,操作方便,系統(tǒng)可用性更高。

32N系統(tǒng)構(gòu)架

圖3給出了2N結(jié)構(gòu)型UPS供電系統(tǒng)電原理圖,這也是銀行系統(tǒng)普遍采用的宮殿結(jié)構(gòu)。

2N供電系統(tǒng)是在負載雙電源技術(shù)普及的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的一種電源供電構(gòu)架,也被稱為雙母線供電方案,系統(tǒng)中的兩路UPS系統(tǒng)采用完全獨立的供配電單元組成,每套系統(tǒng)均能滿足全部負載的用電需要,兩個系統(tǒng)同時工作,互為備用。正常運行時,每個系統(tǒng)向負載提供50%的電能,當一個系統(tǒng)因為故障或維護停止運行時,由另一個單元向負載提供100%的電能。因兩路電源互相獨立沒有任何連接，所以此方案可以有效的解決UPS輸出與終端負載之間出現(xiàn)單點故障的隱患，進一步提高系統(tǒng)可靠性和可用性。

在實際應(yīng)用案例中,如存在部分終端設(shè)備不具有雙電源構(gòu)架的,可以考慮在其前端加入STS設(shè)備加以優(yōu)化。圖4所示的2N結(jié)構(gòu)配電系統(tǒng)電原理結(jié)構(gòu)圖就可解決問題了。

《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)滿足容錯要求,可采用2N系統(tǒng),也可采用其他避免單點故障的系統(tǒng)配置,主要有2N、DR、RR供電系統(tǒng)。在系統(tǒng)方案構(gòu)架的選擇上,如果經(jīng)濟條件允許,筆者個人更傾向于2N構(gòu)架,2N因為系統(tǒng)的架構(gòu)簡潔明了,容易實現(xiàn)物理隔離,日常運行維護簡單的優(yōu)勢是另外兩個系統(tǒng)構(gòu)架無法比擬的。

二  斷路器開關(guān)的選擇

斷路器開關(guān)的主要作用是,當配電系統(tǒng)中有某個點產(chǎn)生故障時,可以被位于該故障點的上一級斷路器消除,并且只由其消除。如果我們在做開關(guān)配置時無法做到協(xié)調(diào)一致,則可能會出現(xiàn)空氣開關(guān)越級跳閘等生產(chǎn)安全的不利影響,該問題所造成的結(jié)果會非常惡劣,筆者也曾深受其害。

1UPS系統(tǒng)的配電構(gòu)架

當前市場上的主流UPS,從輸入方式來看,可以分為單輸入和雙輸入兩種,其中采用單輸入的UPS一般集中在小功率段上;圖5示出了一般中大功率UPS電路原理結(jié)構(gòu)圖。

相對于大功率UPS而言,因其后端負載量大,重要性高,影響面廣等原因,一般都會標配雙電源輸入的構(gòu)架,其主要目的是規(guī)避UPS在整流、逆變器等電路出現(xiàn)異常損壞時,可能會引發(fā)的“UPS上級輸入配電”開關(guān)跳脫風(fēng)險,如圖5中的兩個紅色電流線路,如共用一個UPS輸入斷路器保護,負載則可能會存在較大的斷電風(fēng)險。

因此在UPS系統(tǒng)建設(shè)時,對UPS采取雙電源輸入的方式進行安裝是非常關(guān)鍵的,萬不可為了降低建設(shè)成本,縮減開關(guān)配置。

2斷路器開關(guān)的選擇

2.2.1斷路器的常見參數(shù)名稱

斷路器是配電系統(tǒng)中主要的保護電器之一,也是功能最完善的保護電器,其主要作用是作為短路、過載、接地故障、失壓以及欠電壓保護。根據(jù)不同需要,斷路器可配備不同的脫扣器來實現(xiàn)其保護功能。斷路器的脫扣器型式有過電流脫扣器、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器等等。過電流脫扣器還可分為過載脫扣器和短路(電磁)脫扣器,并有長延時、短延時、瞬時之分。過電流脫扣器是目前市場應(yīng)用中最為常用的。

低壓斷路器電流特性的參數(shù)很多,容易混淆不清。在設(shè)計文件中,常常在標明斷路器的電流值時,不說明電流值的意義,這給我們在進行產(chǎn)品采購和使用時帶來了一些困擾,因此如需要完整準確的選擇斷路器,我們必須清楚地掌握斷路器各個電流參數(shù)含義。

標明過電流脫扣器的電流有以下幾個參數(shù):——脫扣器額定電流In,指脫扣器能長期通過的最大電流。

——長延時過載脫扣器動作電流整定值Ir或Irth,固定式脫扣器其1r=In,可調(diào)式脫扣器其Ir為脫扣器額定電流1n的倍數(shù),如1r=0.4～1×1n。

——短延時電磁脫扣器動作電流整定值Im,為過載脫扣器動作電流整定值Ir的倍數(shù),倍數(shù)固定或可調(diào),如Im=2～10×Ir。

——瞬時電磁脫扣器動作電流額定值Im',為脫扣器額定電流In的倍數(shù),倍數(shù)固定或者可調(diào),如Im'=1.5～11×In。

——額定短路分斷能力Icn,常采用Icu、Ics表示,具體以產(chǎn)品標識為準。

——額定極限短路分斷能力Icu,是斷路器在規(guī)定的試驗電壓和其他規(guī)定條件下的極限短路分斷電流值,它可以用預(yù)期短路電流表示。

——額定運行短路分斷能力Ics,是斷路器在規(guī)定的試驗電壓和其他規(guī)定條件下的一種比極限短路分斷電流小的分斷電流值,Ics是Icu的一個百分數(shù)。

對于額定短路分段能力大于1500A的小型斷路器,國標《家用及類似場所用斷路器》GB10963(等效IECB98)規(guī)定應(yīng)進行額定極限短路分斷能力Icu和額定運行短路分斷能力Ics實驗。當Icu≤6000A時,Icu=Ics,故只需做Ics試驗,所以標明短路分斷能力為4500A、6000A的小型斷路器,其Icu=Ics=Icn,故一般只提及額定短路分斷能力Icn值。

——額定短時耐受電流Icw,是指斷路器在規(guī)定的試驗條件下短時間承受的電流值,

3開關(guān)的選擇原則

在選配開關(guān)時除了基本的額定電壓之類的基本參數(shù)需要考量外,還需要遵循:斷路器的整定閥值Ir上線>Ir下線,Im上線>Im下線兩個基本原則。

如圖6所示電路需要實現(xiàn)選擇性保護的設(shè)計注意事項,否則就會出現(xiàn)越級跳閘故障:

IrD:熱整定;IrmD:磁整定;IcuD:極限分斷能力;如果IcuD2≤IrmDl僅D2開關(guān)斷開。

三  電池監(jiān)控系統(tǒng)的使用注意事項

蓄電池是UPS電源系統(tǒng)中最為重要后備能源,因此重要性就不用筆者去贅述了。近年來各種電池監(jiān)測系統(tǒng)也是百花齊放,這些系統(tǒng)能夠幫助運維人員,實時監(jiān)測每節(jié)蓄電池電在放電和充電狀態(tài)下的電流和端電壓變化,檢測每節(jié)蓄電池的內(nèi)阻性能,其中電池內(nèi)阻是目前業(yè)內(nèi)用來判定電池性能是否存在老化的一個重要指標。

這些系統(tǒng)的主要工作原理基本上都是雷同的,通過控制系統(tǒng)使用交、直流方法讓蓄電池向一個特定的負載放電,然后利用歐姆定律計算出相應(yīng)電池的內(nèi)阻參數(shù),所以每一次在計算電池內(nèi)阻時,監(jiān)控系統(tǒng)均會對蓄電池進行一次放電。

結(jié)束語

筆者在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),在長期使用電池內(nèi)阻監(jiān)測系統(tǒng)時,UPS蓄電池組呈現(xiàn)電池內(nèi)阻均一性差異的概率會相對變高,這種情況在部分使用間歇式充電技術(shù)的UPS設(shè)備上表現(xiàn)會更加顯著,筆者認為這應(yīng)該與監(jiān)控系統(tǒng)頻繁對蓄電池進行放電檢測有關(guān),所以在使用電池監(jiān)測系統(tǒng)時,最好請廠商將UPS的充電調(diào)整為浮充模式，另外在每年至少需要安排對蓄電池進行1～2次的均充維護,以保障蓄電池系統(tǒng)的均一性趨于良好。