原创】供电系统对数据中心的可靠性研究毕业论文设计40论文41

1、南京III电聘业技市学曜Nanjing Institute Of Mtchatroniic Technotoy毕业设计（论文）题目供电系统对数据中心的供电可靠性研究系部自动化工程系专业电气自动化姓名陈亚飞学号G1240805指导教师：张海红2015年4月30日摘要随着市场经济的不断发展，我国科学技术也获得了较大的发展空间， 计算机 技术的发展在促进社会和经济发展方面，发挥了重要的作用，相关数据显示，企业生成的关键数据正以52%勺复合年均增长率不断攀升，因此企业数据中心的规 模越来越大。数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的 设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数

2、据通信连接、环境控制设备、监 控设备以及各种安全装置”。而保证数据中心的正常运行的核心是供配电系统， 供电系统不同于一般建筑的供配电系统， 一个完整的配电房供电系统它是由高压 配电系统、变压器、低压配电系统、备用机组系统、UPS系统、直流系统、后备电池系统、监控管理系统等十多个系统， 成千上万的设备组成。只有供电系统工 作稳定、可靠，才能保证数据中心安全可靠的为客户服务。如何保证配电房供电系统的可靠运行，已达到万无一失， 是一直以来很重要的问题。其中包括保证供 电系统设备的硬件质量，提高配电房值班人员的技能操作水平， 供电电源的多重 保护备用。研究表明，一套完整可靠的配电房供电系统必然要满足以

3、上几点，才能安全可靠的为数据中心供电。关键词：系统供电可靠UPS双电源配电AbstractWith the continu ous developme nt of market economy,scie nee andtech no logy in China promot ing socialand econo mic developme nt,playan importa nt role,the releva nt data shows thatthe keyen terprisedata gen erated by 52% compo und annual growthrate con

4、ti nues torise,so the scale ofen terprise data cen termore and more.The data cen ter is a complex set of facilities. It not only in cludes thecomputer systems and other relatedequipme nt (suchas com muni cati on and storagesystem), also containsthedatared undant com muni cati onconnection,en vir onm

5、en tal con trolequipme nt,mon itori ng equipme nt, a variety ofsafety device. Toen sure theno rmal operati on ofthe data cen ter an dthe coreofthe power supply system, power supply system, power supply system is differe nt from the gen eralarchitecture, acomplete distributi on of the system,the sta

6、ndby un it system, UPSsystem,direct curre nt system,thereserve system,battery mon itori ng and man ageme nt system more tha n10, tens of thousa nds ofdevices. Only thepower supply system isstable and reliable, in order to ensure the safety and reliability of thedata cen ter for customer service. How

7、 to en sure thereliableoperati on ofpower distributio n room of the power supplysystem, a very importa nt issue. To en sure the power system in cludi ng the room staff on duty level skills, multiple protect ionsta ndbypower supply. Research shows that, a setof complete and reliable power distributio

8、 n room power supply system mustmeet the above points,in order to secure andreliable data cen ter power supply.Keywords： power system reliability UPS目录第一章课题简介41.1绪论41.2数据中心供电系统的概述 51、供电系统基本概念 52、供电系统的主要组成 5第二章数据中心的供电系统62.1供电系统的主要组成 61、高压配电柜72、变压器8（1 ）变压器工作原理 83、低压配电成套设备 92.2供电系统可靠性的主要措施 101、双电源供电 11

9、（1）双电源供电的特点 112、UPS 系统11（1）UPS的组成12（3）UPS的工作过程13第三章 供电系统可靠性分析 143.1可靠性的概述143.2供电系统可靠性的分配 143.3 提高供电系统可靠性的途径 14第四章 供电系统常见问题和解决方法 164.1倒闸操作164.2高压开关柜运行中跳闸 164.3 UPS常见故障17第五章小结18第六章致谢19第七章参考文献20第一章课题简介1.1绪论随着市场经济的不断发展，我国科学技术也获得了较大的发展空间，计算机技术的发展在促进社会和经济发展方面，发挥了重要的作用，相关数据显示，企业生成的关键数据正以52%勺复合年均增长率不断攀升，因此企

10、业数据中心的规 模越来越大。信息的快速增长给数据中心在电源、制冷、空间管理等方面造成了 巨大的压力。在过去的10年中，IT设备的用电容量平均增长了 10倍。如何在 云计算时代确保数据中心安全、可靠运行， 保证技术经济的合理性，供配电系统 的合理设计与实施是其中一个非常主要的环节。现代的数据中心机房中都包括大量的计算机， 对于这种场所的电力供应，都 要求供电系统必须在所有的时间都有效，扩容容易，维护简便，容错力强，最重 要的是性价比高。数据中心机房是现代信息化建设的基础工程，为各个业务提供稳定、安全的工作环境，而机房的供配电系统就是这基础工程的心脏和大动脉， 供配电系统的稳定，能够保障其它系统发

11、挥作用和核心业务正常运行。系统不同 于一般建筑的供配电系统，它是由高压配电系统、变压器、低压配电系统、备用 机组系统、UPS系统、直流配电系统、后备电池系统、监控管理系统等十多个系 统，成千上万的设备组成。各个系统互相交叉，互有影响，这就得让我们了解供 配电系统对数据中心供电可靠性是多么的重要， 下面我们就论述下数据中心供电 系统的可靠性。1.2数据中心供电系统的概述1、供电系统基本概念供配电是数据中心机房的生命线， 这句话一点也不夸张，因为离开了电我们 的机房是连一分钟也运行不了的，因此要建一个好的机房，首先要将供配电解决 好。一般要求主要开关设备应该被设计成适合增容、维护和冗余，并提供双倍

12、的或隔离的冗余配置。设计时应该考虑到开关装置、总线或断路器维护的方便性。 瞬时电压浪涌抑制(TVSS)应该被安装在电力分配系统的每一级上， 并且采用适当 的规格，以便能够抑制可能发生的瞬时的能量。电力系统完成电能生产输送分配消费的统一整体通常由发电机变压器电力 线路和负荷等电力设备组成的三相交流系统二次系统包括继电保护测量和调度 等环节继电保护主要是对系统中出现的各种故障如短路过电流断相接地等进行 切断电源等动作测量是对电力系统的运行参数进行测定和显示电压电流功率功 率因数等调度主要包括负荷分配功率平衡电压调整线路的投入与切除等工作。2、供电系统的主要组成电力系统需要多至4层的冗余设计，确保9

13、9.99%以上的电力持续供应率。 数据中心供电系统不同于一般建筑的供配电系统，它是由双路高压供电、变压器及低压配电系统、超大功率的柴油发电机、UPS电源系统。同时作为供电系统其可靠性是最重要的特点。第二章数据中心的供电系统2.1供电系统的主要组成数据中心的供电系统一般都是由双电源进线供电，接入高压进线柜，然后由高压出线柜接入到变压器，再接入低压配电柜。当进入高压配电柜后也就按照楼 层进入每个楼层的楼层配电柜，再由楼层配电柜接入UPS系统，最后接入数据中 心IDC机房负载。其中变压器低压配电会有油机接入，作为停电紧急供电。启电if -发殆机 I电灣自动控制系址精密配电斷劇累燃榊曲配电那監测痰嫌1

14、、高压配电柜高压配电柜是指用于电力系统发电、 输电、配电、电能转换和消耗中起通断、 控制或保护等作用。高压开关柜广泛应用于配电系统，作接受与分配电能之用。 既可根据运行需要将一部分电力设备投入或退出运行，也可在电力设备发生故障时将故障部分从系统中快速切除， 从而保证电网中无故障部分的正常运行，以及设备和运行维修人员的安全。因此，高压开关柜是非常重要的配电设备，其安全、 可靠运行对系统具有十分重要的意义。 电压等级在3.6kV550kV的电器产品，主 要包括高压断路器、高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器，高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。 高压开关制 造

15、业是输变电设备制造业的重要组成部分， 在整个电力工业中占有非常重要的地 位。（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变VreI愉（1）变压器工作原理2、变压器变压器（Transformer ）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置, 主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流 变换、阳抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为曲少变压 器和特殊变压器 压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪懑压器、电子变压器、电抗 器、互感器等）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中 接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次

16、级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝 数不等的线圈构成，如图所示。铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡流和磁滞损耗，铁心由涂漆的硅钢片叠压而成；两个线圈之间没有电的联系，线圈由绝缘铜线（或 铝线）绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈（或原线圈），另一个线圈接用 电器称为次级线圈（或副线圈）。实际的变压器是很复杂的，不可避免地存在铜 损（线圈电阻发热）、铁损（铁心发热）和漏磁（经空气闭合的磁感应线）等， 为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是：忽略漏磁通， 忽略原、副线圈的电阻，忽略铁心的损耗，忽略

17、空载电流（副线圈开路原线圈线 圈中的电流）。例如电力变压器在满载运行时（副线圈输出额定功率）即接近理 想变压器情况。变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生父变磁通，父变磁通用表示。原、副线圈中的是相同的，也是简谐函数，表为 = msin t。由法拉第电磁感应定律可知，原、 副线圈中的感应电动势为 e仁-N1d dt、e2=-N2d dt。式中N1、N2为原、副线 圈的匝数。由图可知 5= -e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物 理量用下角标2表示），其复有效值为 U仁-E仁jN1、U2=E2=-jN2，令 k=N1N2称变压器

18、的变比。由上式可得 U1 U2=-N1N2=-k,即变压器原、副线圈 电压有效值之比，等于其匝数比而且原、畐懺圈电压的位相差为n。进而得出：U1U2=N1N2在空载电流可以忽略的情况下，有11 I2=-N2N1，即原、畐懺圈电流有效值 大小与其匝数成反比，且相位差 n。进而可得I1 I2=N2N1理想变压器原、副线圈的功率相等P仁P2说明理想变压器本身无功率损耗。 实际变压器总存在损耗，其效率为 n =P2P1。电力变压器的效率很高，可达 90% 以上。3、低压配电成套设备低压成套设备广泛地应用在发电厂低压系统的配电、电气传动和自动控制设备中。众所周知，发电本身耗能很大（指厂用电），据统计，其

19、中低电压电器耗能占发电厂总能耗的一半以上。近年来， 随着大型成套设备和自动控制、自动调 节系统的采用，低电压电器的使用大量增加。因此，在发电厂设备的检修中，低 压电器的维修是一个重要的环节，不论从频繁性、设备的重要性还是工作量上， 它是检修工作的重要组成部分。2.2供电系统可靠性的主要措施供电系统的可靠性就是让电源供电不间断， 一种是从高压电路进线增加备用电源，也就是双电源供电；另一种是在低压楼层配电初增加备用电源设备，也就是UPS（不间断电源）。这两种设计都是为了给数据中心提供供电可靠性的最佳 方式。A变电站母线如B变电站母线一rr rri 4*-OLXU_亠f亠2T3*ThiPnwAr中国

20、申力1、双电源供电双电源供电当然是引自两个电源（性质不同），馈电线路当然是两条；并且 一用一备都是电源，那它就是双电源供电。（1）双电源供电的特点双电源供电和双回路供电，人们一般都认为是一码事，互相混淆。但是事实 上是有一些区别的。双电源供电当然是引自两个电源（性质不同），馈电线路当然是两条；一用 一备如果指的是电源，那它就是双电源供电。 一用一备如果指的是馈电线路，就 不能称之为双电源供电了。双电源比双回路可靠，但对建筑单体来说，两者看起来好象没有什么区别，很多情况下都是两路进线。双电源有一种情况是这样的： 两路进线接自不同的区域变电站；而对应， 双回路有一种情况是这样的：两路进 线接自同一

21、区域变电站的不同母线。所以，“双回路”中的这个回路指的是区域变电站出来的回路。双电源是电源来源不同，相互独立，其中一个电源断电以后 第二个电源不会同时断电，可以满足一二级负荷的供电。而双回路一般指末端， 一条线路故障后另一备用回路投入运行， 为设备供电。两回路可能是同一电源也 可能是不同电源。2、UPS系统UPS（ Uninterruptible Power SystemUninterruptible Power Supply），即不间断电源，是供电系统对直接数据中心供电的核心设备。它是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换 成市电的系统设备。主要用

22、于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时 它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时， UPS立即将电池的直流电 能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应 220V交流电，使负载维持正常 工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提 供保护。（1）UPS的组成UPS电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行 ACDC 变换的整流器（REC，进行DCAC变换的逆变器（INV）,逆变和旁路输出切换 电路

23、以及蓄能电池。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可 控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。 净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除， 整流后的电 压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外， 对整流器来说就像接 了一只大容器电容器，其等效电容量的大小， 与储能电池容量大小成正比。由于 电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干 扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率 稳定度取决于变换器的振荡

24、频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与 维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。在电网电压工作正常时，给负载供电如图1-1所示，而且，同时给储能电池 充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑一所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压 经整流直接给负载供电（如虚线所示）。（3） UPS的工作过程当市电正常为380220VAC寸，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变 器，输出稳定的220V或380V交流电压，同时市电经整流后对电池充电。 当任何 时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通

25、过隔离二极管开关向直流回路馈送电 能。从电网供电到电池供电没有切换时间。 当电池能量即将耗尽时，不间断电源 发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时 自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。市电rkrrrr4r 11AC.DC电道变电搐IJftbJ1蚤向NI第三章供电系统可靠性分析3.1可靠性的概述有些用户在规划数据中心机房供电系统时有几个误区：认为设备越

26、多系统越 可靠，即花钱越多越可靠，可靠性是用钱堆起来的；认为变压器是可以抗干扰， UPS若不带变压器就不可靠，认为高频机 UPS没变压器，所以不可靠；并对零地 电压谈虎色变，认为零地电压是用电设备故障的主要来源；认为UPS是带电容性负载的，不能带电感性负载，甚至认为以前的计算机、服务器等数字计算设备是 电容性的负载。而且这些误区至今还在不少人 ,9aa海中根深蒂固，影响了 UPS 的选型，造成了损失。是不是这么回事 ？可以说一般电源变压器不抗干扰，这个 问题不用争论，可以用一台双踪示波器一测便知，高频机UPS也有变压器，是今后的电磁变压器的替代品；至于 UPS机是针对感性负载设计的，以前的计算

27、机、 服务器等数字计算设备都是电感性的负载。所以 UPS带感性负载不是什么特点， 而是它的本职工作；至于零地电压对于用电设备来说根本就不是干扰源，也加不到用电设备上去，何谈干扰？3.2供电系统可靠性的分配一个供电系统包括好多环节：防雷器、电缆、开关柜、后备发电机、UPS电池组、PDU连接器等，每个环节都对应着一定的可靠性，而且它们之间的 可靠性指标相差很大。就像木桶结构一样， 构成木桶的木板条长短不一，众所周 知，木桶盛水的多少取决于最短的那个木板条。 就像一个系统的可靠性取决于可 靠性最低的那个环节一样，这就决定了系统可靠性的分配方案。不可忽略的一点 是，木桶的盛水除了取决于最短的那个木板条

28、外，还取决于每个木板条之间的连 接是否密封。具体到一个电子系统中就是各环节之间的结合是否匹配，比如供电系统中各环节的连接处是否牢固，是否匹配。比如10kVA的UPS输出端应配65A的断路器比较合适，因为单相10kVA的额定电流是45A,再加上20%过载能力， 选标称值65A开关就差不多。如果还有其他考虑则另作别论，这就算匹配。 但如 果选32A或100A的断路器就是不匹配，就会导致故障，或频繁切断负载或在输 出端瞬时短路而不能保护电源。因此，它的可靠性指标也应考虑在内。3.3提高供电系统可靠性的途径选择了好的供电设备并不一定能保证有好的供电效果。良好的连接方案加上优质的设备才能保证好的供电结果

29、。有些用户对UPSt两个担心：a、三相输出的UPS当三相负载电流不平衡时会导致三相电压的不平衡，于 是就提出了三进单出（31）结构的U PS,如图3所示，以为这样就可以高枕无忧 了。b、担心单进单出会造成输入配电的不平衡当今三相输出的UPS都具有三相负载100%不平衡的能力，一般三相负载 100%不平衡时，其电压不平衡度不会超过 2%。但三进单出（31）结构的UPS的 确有着不可靠因素，如图3所示,当输出功率为90kVA正常时三相输入均为30kVA达到了平衡的目的。但当 UPS输出端过载、短路或逆变器故障时，为了 给负载的供电不间断，旁路 Bypass开关S就会自动闭合，从图中可以看出，原 来

30、提供30kV A的这一路此时就必须给出90KVA 一般的市电配电开关Si都不具 有300%的余量，就会导致过载跳闸。结果没有达到供电继续的目的，反而造成 负载全面断电。为了不使上述的局面出现就必须做两件事：一件事是将输入电路增容至原来的 3倍，比如输入开关Si的容量规格增至 270KVA每相90KVA）;另一件事是将输入端（比如供电局）要求增容至原来的3倍。 这其中多出的180kVA也可能几年都用不上，这又存在一个如何向上游 （供电局） 交代的问题。三进出结构的 UPS容量越大，这个问题就越严重。根据目前的情况，三进单出结构的UPS-般用在30KVA以下比较合适。这一 方面由于容量不大，通常容

31、量等级本系统就可解决；尤其是用于第二代N+X模块化冗余结构最为合适，这主要是由于并联UPS各 单机模块在并联情况下具有统一转旁路的特点，而且故障模块可以得到及时更 换，所有模块同时因出问题而转旁路的概率又非常小，这就将转旁路的危险性降lEJ最小限度，提高了供电的可靠性。第四章 供电系统常见问题和解决方法4.1倒闸操作a、停电时，手车无法摇出来。解决方法：检查开关是否在分闸状态，在开 关为合闸状态下，手车是无法摇出来啦，这是最常见的一种错误。b、送电时，开关无法合上。解决方法：检查手车是否摇到位，可以将手车 重新摇出来再摇进去，听到“咔嚓”声后到位，此时再合开关就可以了。如果此时还是不行的话，再

32、合一次不行应该高度重视，应该是线路哪里有短路，应先去检查线路，找出问题，并且向上级汇报。c、送电时，手车无法摇进去。解决方法：此问题大部分是因为接地刀闸未在断开位置，需要将接地刀闸断开后才能摇进去；如果不是此原因，那就是手车出现问题。4.2高压开关柜运行中跳闸故障现象：这种故障原因是保护动作。高压柜上装有过流、速断、瓦斯和温 度等保护。当线路或者变压器出现故障时， 保护继电器动作使开关跳闸。跳闸后 开关柜绿灯（分闸指示灯）闪亮。高压柜内或者中央信号系统有声光报警信号， 继电器掉牌指示。微机保护装置有“保护动作”的告警信息。判断方法：判断故障原因可以根据继电器掉牌、告警信息等情况进行判断。 在高

33、压柜中瓦斯、温度保护动作后都有相应的信号继电器掉牌指示。 过流继电器 （GL型）动作时不能区分过流和速断。在定时限保护电路中过流和速断分别由两 块JL型）电流继电器保护。继电器动作时红色的发光二极管亮，可以明确判断 动作原因。处理方法：过流继电器动作使开关跳闸，是因为线路过负荷。在送电前应当 与用户协商减少负荷防止送电后再次跳闸。 速断跳闸时，应当检查母线、变压器、 线路。找到短路故障点，将故障排除后方可送电。过流和速断保护动作使开关跳 闸后继电器可以复位，利用这一特点可以和温度、瓦斯保护区分。变压器发生内部故障或过负荷时瓦斯和温度保护动作。如果是变压器内部故障使重瓦斯动作， 必须检修变压器。

34、如果是新移动、 加油的变压器发生轻瓦斯动作，可以将内部气 体放出后继续投入运行。温度保护动作是因为变压器温度超过整定值。 如果定值 整定正确，必须设法降低变压器的温度。可以通风降低环境温度，也可以减少负 荷减低变压器温升。如果整定值偏小， 可以将整定值调大。通过以上几个方法使 温度接点打开，开关才能送电。有时候现场常遇到按下合闸开关后开关无法自动 合上，此时应采取手动合闸，并检查开关问题，向上级汇报。4.3 UPS常见故障故障现象：有市电时UPS俞出正常，无市电时蜂鸣器长鸣，无输出。从现象判断为蓄电池和逆变器部分故障，可按以下程序检查：检查蓄电池电压，看蓄电池是否充电不足，若蓄电池充电不足，则

35、要检 查是蓄电池本身的故障还是充电电路故障。若蓄电池工作电压正常，检查逆变器驱动电路工作是否正常， 若驱动电 路输出正常，说明逆变器损坏。若逆变器驱动电路工作不正常，则检查波形产生电路有无PWM控制信输 出，若有控制信号输出，说明故障在逆变器驱动电路。若波形产生电路无PWM控制信号输出，则检查其输出是否因保护电路工 作而封锁，若有则查明保护原因；若保护电路没有工作且工作电压正常， 而波形产生电路无pwm波形输出 则说明波形产生电路损坏。上述排故顺序也可倒过来进行，有时能更快发现故障。b、故障现象：蓄电池电压偏低，但是开机充电十多小时，蓄电池电压仍然 上不去。从现象判断为蓄电池或充电电路故障，可按以下步骤检查：检查充电电路输入输出电压是否正常；若充电电路输入正常，输出不正常，断开蓄电池再测，若仍不正常则为 充电电路故障；若断开蓄电池后充电电路输入、 输出均正常，则说明蓄电池已因长期未 充电、过放或已到寿命期等原因而损坏。c、故障现象：UPS因为做实验或者施工进行断电，恢复送电后 UPS运行正 常，警报却无法消除。