UPS电源系统在数据中心的应用

第

1节

UPS电源系统在数据中心的应用数据中心UPS电源系统的技术标准：《ANSI-TIA942》标准的标准《GB50174》标准的标准数据中心UPS电源系统的应用案例目录背景资料：IDC的开展史可追朔到1997年，美国和欧洲先后开始了数据中心的建设，最初称之为ServerFarm；前言：IDC背景与前景到2005年，美国出台TIA-942标准，IDC走向成熟和理性；2006～2008是中国的第二次IDC建设高潮，由专业IDC公司向各个行业、企业和各个领域扩展。1999年国内开始第一次大规模的IDC建设；2000年国外进入低谷，UptimeInstitute进行理论化和系统化总结。前景资料：随着我国信息化的深入推进，信息产业蓬勃开展和互联网用户的急剧增加，互联网信息平台和数据通信业务得到了广泛使用与快速增长，推动了数据中心〔IDC〕建设和运营的开展高潮。数据机房能源需求和能源本钱的急剧增大，引起了业界的高度重视。为此，在规划设计数据中心〔IDC〕不断加大功能的同时，如何提高设备或系统的可用性、效率、以及节约能耗，如何保障系统设备以及客户信息数据的平安性，成为规划设计者、建设维护者和终端用户共同考虑的问题。如何打造既具有高可信度又节能的绿色数据中心？数据中心的规划设计单位、咨询效劳公司、系统集成商以及机房环境的主要配套设备供给商都提出了各自的理念，IT效劳商也提出了“IT根底设施管理的解决方案”。数据中心是“互联网的房地产”，存在着巨大的商机前言：IDC背景与前景【ANSI/TIA–942-2005(数据中心通信根底设施标准)】：由美国通信工业协会〔TIA〕TR-42.2委员分会制定、由美国国家标准学会〔ANSI〕和美国通信工业协会〔TIA〕于2005年4月公布。数据中心的分类：小型数据中心；企业数据中心；国际互联网数据中心(IDC)。数据中心的分级：I级数据中心－根本型；II级数据中心－局部冗余型；III级数据中心－可同时维护型；IV级数据中心－故障容错型。一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】根本内容：数据中心通讯根底设施的最低需求(九个方面)根底设施体系结构；系统冗余和根底设施等级分类；环境和机械设备(HVAC精密空调)；电气设计；布线系统；电源管理；门禁和平安；环境控制；灾难防护(火灾、洪水、台风……)一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】定义1：N–根本需求系统仅满足最根本的使用需要并且没有冗余。定义2：N+1冗余N+1冗余系统提供在满足最低需求的根底上增加一个额外的设备、模块、路径或系统，以便在任意一个设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。定义3：N+2冗余N+2冗余系统提供在满足最低需求的根底上增加两个额外的设备、模块、路径或系统，以便在任意两个设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。冗余的定义(1/2)一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】定义4：2N冗余2N冗余系统提供两套完整的设备、模块、路径或系统，每一套设备、模块、路径或系统都能够满足系统的根本需求。其中的一套设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，都不会影响正常运行。定义5：2(N+1)冗余2(N+1)冗余提供两套完整的(N+1)设备、模块、路径或系统，即使一套设备、模块、路径或系统出现故障时或维修时，都不会影响正常运行。冗余的定义(2/2)一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】第I等级：根本型〔可用性99.671%〕任意部件的故障都将影响系统运行；预防性的维护需要系统停机。第II等级：部件冗余型〔可用性99.741%〕局部设备具有冗余的能力；供电路径上的故障可能引起系统停机。分级的定义(1/2)一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】分级的定义(2/2)第III等级：可同时维护型〔可用性99.982%〕组成结构是冗余的；具有多条供电的路径；有方案的维护活动不会影响系统的运行；无方案的活动可能会中断系统的运行。第IV等级:故障容错型〔可用性99.995%〕系统具有冗余能力；具有多条供电路径同时满足系统所有设备的运行。一、UPS电源系统的技术标准：【ANSI/TIA-942】数据中心的根本属性TierITierIITierIIITierIV楼宇类型租赁租赁单独的单独的员工配置无要求1人可替换1人可替换24小时值守关键负载使用率100%N100%N90%N90%N初期功率总额W

/

m2200-300400-500400-600500-600终期功率总额W/m²200-300400-5001000-15001500+不间断制冷不需要不需要可能YES活动地板使用率20%30%80-90%100+%活动地板高度(典型值)300mm450mm750-900mm750-900mm地板承重kg/m2(典型值)400480750750市电电压38038012-15kV12-15kV单点故障点很多+人为错误很多+人为错误一些+人为错误无+人为错误建设周期(月)33-615-2015-20第一次建成的年代1965197019851995建造成本(±30%)

活动地板

UPS可用输出

$2,400/m2

$10,000/kW

$2,400/m2

$11,000/kW

$2,400/m2

$20,000/kW

$2,400/m2

$22,000/kWTierITierIITierIIITierIV电源系统单系统单系统单系统双系统UPS+发电机非强制性非强制性强制性强制性系统冗余性NN+1每条路径N+12(N+1)供电路径的数量111主用，1备用两路同时主用最终功率总额W/m²200–300400–5001000–1500>1500维修性按照需要按照需要预防性+计划性预防性+计划性基础设施引起的IT年平均宕机时间28.8小时22.0小时1.6小时0.4小时基础设施的可用性99,671%99,749%99,982%99,995%电源系统的主要特征电气设计指南：总那么TierITierIITierIIITierIV供电路径数量111个主供电1个备份供电2个主供电同时供电市电引入单路供电单路供电双路供电双路供电来自两个变电站运行中允许同时维护NoNoYesYesIT和通讯设备的供电单路100%供电能力双路，每路100%供电能力双路，每路100%供电能力双路，每路100%供电能力发电机与UPS容量匹配YesYesYesYes发电机燃油储备(满载)8小时24小时72小时96小时TierITierIITierIIITierIVUPS冗余方式NN+1N+12N，2(N+1)UPS拓扑结构单机非冗余并联冗余并联

分布式冗余

冗余并联

分布式冗余

模块化冗余

冗余并联

分布式冗余

模块化冗余UPS维修旁路主路、旁路取自同一路市电主路、旁路取自同一路市电主路、旁路取自同一路市电主路、旁路取自不同母线的UPS专用供电计算机和通讯设备的专用配电柜NoNoYesYes负载总线同步控制器LBSNoNoYesYesPDU内置K-系数变压器是，但如果采用了谐波抑制变压器则可以不用是，但如果采用了谐波抑制变压器则可以不用是，但如果采用了谐波抑制变压器则可以不用是，但如果采用了谐波抑制变压器则可以不用电气设计指南：UPSTierITierIITierIIITierIV各UPS采用公共电池组YesNoNoNo最小满载后备时间5min10min15min15min电池类型阀控铅酸电池(VRLA)

开口铅酸电池阀控铅酸电池(VRLA)

开口铅酸电池阀控铅酸电池(VRLA)

开口铅酸电池阀控铅酸电池(VRLA)

开口铅酸电池每列电池组相互隔离NoYesYesYes电池满载测试、检查每2年每2年每2年每1年电池监测系统由UPS集中监测由UPS集中监测由UPS集中监测电池逐只监测:温度、电压、内阻电气设计指南：电池TierITierIITierIIITierIV检修通道的宽度无要求无要求最小距离：1m最小距离：1.2m到计算机房的距离无要求无要求尽可能临近尽可能临近防火与计算机房和其它区域分离按照最低需求分离按照最低需求分离按照最低需求分离(不少于1h)按照最低需求分离

(不少于2hs)电池室门上安装防爆玻璃视孔NoNoNoYes电池开关安装在电池室之外YesYesYesYes设计指南：UPS和电池室TierITierIITierIIITierIV水冷式：Water-Coole冷冻水式：ChilledWater风冷式：Air-Cooled

无需设备冗余系统+1设备冗余空调应具有足够的备份数量，以便在部分电源停电或检修时，满足关键负载制冷的需求空调应具有足够的备份数量，以便在部分电源停电或检修时，满足关键负载制冷的需求空调机组的供电单路电源向空调供电单路电源向空调供电多路电源形成交错分布，向空调供电多路电源形成交错分布，向空调供电精密空调控制系统的供电单路电源向空调控制系统供电冗余供电，UPS向空调供电冗余供电,

UPS向空调供电冗余供电,

UPS向空调供电设计指南：精密空调HVAC的供电设计指南：精密空调HVAC

2000W/m21000W/m2500W/m2无冗余系统停机后的时间（分钟）平均机房温度[°F]温度与温升时间的关系〔分钟〕37.7ºC500Kcal/m2.h250Kcal/m2.h125Kcal/m2.h55℃=停机TierITierIITierIIITierIV维护人员工作时间现场响应，其它时间按照客户要求工作时间现场响应，其它时间按照客户要求24小时现场响应,节假日电话呼叫24小时x7天现场响应预防性维护无无按照保养合同约定全面按照保养合同约定设备培训计划无无全面的培训计划全面培训计划，包括上机操作维修、维护基础设施停机按照程序停止设备按计划不需要中断硬件设备运行按照计划不需要中断负载运行集中的电源和场地监测和控制系统(PEMCS)NoNoYesYes楼宇集中监控(BMS)NoNoYesYes

参考指南：效劳标准简介：标准共分十三章和一个附录，主要技术内容有：总那么、术语和符号、机房分级标准； 机房位置及设备布置、环境要求、建筑与结构、空气调节、电气技术、电磁屏蔽、网络布线、机房监控与平安防范、给水排水、消防(共十个专业)； 附录A：关键技术要求和参数。《电子信息系统机房设计标准：GB50174-2008》

〔前一版：《电子计算机机房设计标准》GB50174-93〕一、UPS电源系统的技术标准电气技术标准〔第8章〕：8.1供配电8.2照明8.3静电防护8.4防雷与接地一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】8.1.1电子信息系统机房用电负荷等级及供电要求应根据机房的等级，按照现行国家标准《供配电系统设计标准》GB50052及本标准附录A的相关技术要求执行。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电附录A各级电子信息系统机房技术要求〔电气局部〕电气技术A级B级C级备注供电电源两个电源供电两个电源不应同时受到损坏两回线路供电变压器2N冗余N+X冗余（X=1～N）N用电容量较大时设置专用电力变压器供电应急柴油发电机系统配置（N+1）冗余N，不能满足两个电源供电时配置UPS满足信息存储要求时可不设柴油发电机应急柴油发电机的基本容量应包括UPS的基本容量、空调和制冷设备的基本容量、应急照明和消防等涉及生命安全的负荷容量柴油发电机燃料存储量72小时24小时UPS配置2N冗余N+X冗余（X=1～N）NUPS电池备用时间15分钟（柴油发电机作为后备电源时）根据实际需要确定空调系统配电双路电源(其中至少一路为应急电源)，末端切换。采用放射式配电系统。双路电源，末端切换。采用放射式配电系统。采用放射式配电系统一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】附录A各级电子信息系统机房技术要求〔电气局部〕电子信息设备的电源质量要求稳态电压偏移范围A级：±3%B级：±3%C级：±5%稳态频率偏移范围±0.5Hz电池逆变工作方式输入电压波形失真度≤5%电子信息设备正常工作时零地电压<2V应满足设备使用要求允许断电持续时间0～4ms0～10ms－－－UPS输入电流谐波含量<15%一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】电子信息设备供电电源质量应根据电子信息系统机房的等级，按照附录A的相关技术要求执行。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电A级机房供电：应按照一级负荷中特别重要的负荷考虑，除应由两路电源供电〔一个电源故障时，另一个电源不应同时受到损坏〕外，还应配置柴油发电机作为备用电源。B级机房供电：按照一级负荷考虑，当不能满足两路电源供电时，应配置备用柴油发电机系统。C级机房供电：应按照二级负荷考虑。8.1.5电子信息系统机房应由专用配电变压器或专用回路供电。EMC较好的方案：采用独立的变压器分类供电。EMC可行的方案：采用公共变压器同时采用星型配电。EMC不推荐的方案：采用公共变压器直接配电。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电

电子信息系统机房低压配电系统不应采用TN-C系统。电子信息设备的配电应按设备要求确定。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电目的：从电磁兼容性和人身平安角度考虑。TN-C接地系统：保护地线PE与中性线N合为同一导体〔PEN〕，在外露导体〔设备外壳〕上会有高频电磁场辐射产生的骚扰电流流动，即电磁兼容性较差。TN-S接地系统那么正好相反，不仅具有对人身较好的防止间接触电的作用，而且具有较好泄放漏电流的能力，电磁兼容性较好，因此对IT负载的供电都要求采用TN-S的接地方式。从主低压变压器引出后，经过一级或两级的配电，进入UPS，再从UPS的输出端经过一级或数级配电，到达IT负载输入端，都是采用TN-S接地形式。电子信息设备应由不间断电源系统〔UPS〕供电。UPS应有自动和手动旁路装置。选择UPS容量时应留有余量。UPS的容量可按下式计算：E≥1.2P(8.1.7-1)式中E——UPS的根本容量(不包含备份UPS设备)〔kW/kVA〕； P——电子信息设备的计算负荷〔kW/kVA〕。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电UPS电源的输出质量决定了电子信息设备的供电质量，本标准采用了现行行业标准《通信用不间断电源－UPSYD/T1095-2008》中有关UPS电源质量的指标。电子信息设备专用配电箱〔柜〕宜配备浪涌保护器(SPD)、电源监测和报警装置，并提供远程通信接口。当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时，宜配备隔离变压器。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电零地电压：过高时将引起硬件故障、设备损坏；引发控制信号误动作；影响通信质量，延误或阻止通信的正常进行。配备隔离变压器：是降低零地电压的有效方法。选择隔离变压器的保护断路器时，应注意隔离变压器加电时的励磁电流〔励磁涌流〕。远程通信接口：将各路电源的运行状况反映到机房设备监测系统中，便于运维人员掌握设备运行状况。A级电子信息系统机房应配置应急柴油发电机系统，系统结构是N+1，当市电发生故障时，应急柴油发电机应能够承担全部应急负荷的需要。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电柴油发电机：作为A级机房两路供电的后备电源，其作用是实现“故障容错”功能，因此应具有N+X的结构型式〔X=1~N〕。

市电与柴油发电机的切换应采用具有旁路功能的自动转换开关，自动转换开关检修时，不应影响市电与柴油发电机的切换。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电三相对称性负载理论上中性线电流为零；实际上可能约有10%相电流。中性线N=1/2相线截面积(不包括相线<

16mm²的情况)。机械负载(ex:电热器)相线截面积16mm²中性线N=相线截面积含有谐波的负载

(ex:H3)取决于谐波失真度等级：

L115%<L233%<L311111111/211111/21.45一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电

配电线路中的中性线截面积不应小于相线截面积。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电

配电线路中的中性线截面积不应小于相线截面积。电子信息设备：属于单相非线性负载，含有H3次谐波〔THDI=15%〕。H3次谐波：在中性线N上代数叠加使得中性线电流约等于50%相电流。负载不平衡电流：在实际运行中是不可防止的，尽可能平衡。8.1.19单相负荷应均匀地分配在三相线路上。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.1节供配电电流不平衡度：以相电流作为比较的基准2. 电压不平衡度：以相电压或线电压为比较的基准。 电子信息系统机房的防雷和接地设计应满足人身平安及电子信息系统正常运行的要求。设计除应符合本标准的相关规定外，尚应符合现行国家标准《建筑物防雷设计标准》GB50057和《建筑物电子信息系统防雷技术标准》GB50343的有关规定。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.4节防雷与接地防雷：指建筑物应采取的防止直击雷和雷电波侵入的措施。在TN-S系统中，防雷接地与强电系统、弱电系统接地共用接地极，综合接地电阻不大于1欧姆。接地：指电源系统的保护性接地和功能性接地。保护性接地包括：防雷、防电击、防静电、屏蔽等；功能性接地包括：交流工作地、直流工作地、信号地等。机房接地原那么：〔1〕公共接地 〔2〕等电位接地供电系统1供电系统2计算机1计算机2电源工作地信号地屏蔽地等电位连接公共接地一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】8.4.2 保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置，其接地电阻应按其中最小值确定。第8章电气技术

第8.4节防雷与接地

对功能性接地有特殊要求需单独设置接地线的电子信息设备，接地线应与其它接地线绝缘；供电线路与接地线宜同路径敷设。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.4节防雷与接地功能性接地单独设置的电子信息设备：例如直流接地或信号接地。供电线路与接地线同路径敷设：防止电磁骚扰。 电子信息系统机房内的电子信息设备必须进行等电位联结，并根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息系统机房的等级和规模确定，可采用S〔星〕型、M〔网〕型或SM混合型。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.4节防雷与接地对电子信息设备进行等电位联结：是保障人身平安、保证电子信息设备正常运行、防止电磁干扰的根本要求。电子信息设备接地：一是为电气平安而设置的保护接地，二是为实现功能性而设置的信号接地。在TN-S系统中，设备外壳的保护性接地与信号接地都是通过连接PE线实现接地。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】Star型等电位联结：从配电箱〔柜〕的PE母线放射形引出，同时实现保护接地和信号接地。适用于100m2以下的小型C级机房。Mesh型等电位联结：适用于大多数电子信息设备机房。S+M混合型等电位联结方式：设置一个等电位联结网格，以满足高频和低频信号接地的要求；再以单点接地方式连接到同一接地装置，以满足低频信号的接地要求。

电子信息系统机房内的电子信息设备必须进行等电位联结，并根据电子信息设备易受干扰的频率及电子信息系统机房的等级和规模确定，可采用S型、M型或SM混合型。

一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.4节防雷与接地S型等电位联结为星形结构、单点接地：适用于易受干扰的频率为0~300kHz的设备信号接地。M型等电位联结为网形结构、多点接地：适用于易受干扰的频率大于300kHz的设备信号接地。电子信息设备除了连接PE线之外，还应采用两条〔或以上〕不同长度的导线尽量短直地与设备下方的等电位网格连接。SM混合型等电位联结方式：是单点接地和多点接地的组合，可同时满足高频和低频信号的接地要求。 采用M型或SM混合型等电位联结方式时，主机房应设置等电位联结网格，网格四周设置等电位联结带，通过等电位联结导体将等电位联结带就近与接地汇流排、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等进行屡次连接。每台电子信息设备〔机柜〕采用两根不同长度的等电位联结导体就近与等电位联结网格连接。一、UPS电源系统的技术标准：【GB50174-2008】第8章电气技术

第8.4节防雷与接地要求两根不同长度等电位联结方式的原因是：当连接导体的长度等于干扰频率波长的1/4或奇数倍时，其阻抗为无穷大，相当于一根天线，可接收或辐射干扰信号；而采用两根不同长度的连接导体，可防止这种现象，为高频干扰信号提供一个低阻抗的泄放通道。A级电子信息系统机房：定义：电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失；电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。国家气象台；国家级信息中心、