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    金融業數據中心UPS設備整機更換方案研究

    來源:數據中心基礎設施運營管理 作者:Harris編輯 更新時間:2022/5/19 7:21:53

    摘要:隨著業務量逐年增加,數據中心機房的計算機設備數量不斷增多,用電量持續增大。目前,部分UPS系統容量已無法滿足設備用電需求,甚至成為了后級機房的擴容瓶頸。

    隨著業務量逐年增加,數據中心機房的計算機設備數量不斷增多,用電量持續增大。目前,部分UPS系統容量已無法滿足設備用電需求,甚至成為了后級機房的擴容瓶頸。
      
      一、UPS系統前后級供電架構分析
      
      以金融業某大型數據中心為例,目前該數據中心在特定區域部署了6組UPS系統,每組裝機容量為1600kVA,采用雙母線2N冗余供電架構,分為A/B兩路,且每個機房均有A/B兩路UPS電源輸入。同時,每組UPS系統前級兩路市電輸入來自不同變壓器,均配備柴油發電機組,市電中斷或電壓波動時柴油發電機組可自動啟動。此外,每組UPS系統包含了4臺UPS主機、蓄電池以及配套的電源輸入柜、集中輸出旁路柜,并配備了一個3200A輸入總開關、四個800A輸入開關,且每臺UPS主機配備了一組蓄電池(180AH、128節)。單組UPS系統結構如圖1所示。
      
      單組UPS系統結構示意
      
      二、UPS設備目前存在的問題
      
      1、設備老化
      
      上述UPS設備于2007年初正式投產運行,至今已超過14年,運行期間于2016年對部分部件(包括電容、電源板和散熱風扇等)進行了更新,于2018年底完成了配套膠體蓄電池的更新。然而,隨著該UPS設備使用年限的增長,設備不斷老化、設備故障率逐漸升高,運行風險也隨之逐步加大。為保障后級生產用電安全,急需對原有UPS進行整機更換,以提高UPS設備運行的穩定性。
      
      2、設備容量不足
      
      隨著業務量逐年增加,數據中心機房的計算機設備數量不斷增多,用電量持續增大。目前,上述UPS系統容量已無法滿足設備用電需求,甚至成為了后級機房的擴容瓶頸。對此,數據中心在實現UPS設備更新的同時,需要對UPS設備進行擴容,以充分利用其他現有基礎環境剩余資源,進一步提升機房容量。
      
      3、集中旁路柜存在故障隱患
      
      由于該UPS系統架構設計較早,采用了中央集中旁路并機架構模式。在此模式下,在旁路柜發生故障后,UPS將無法自動切換到旁路,存在單點故障隱患,且對旁路柜進行維護時,需要將UPS切換至維修旁路模式下運行,此時后級計算機設備由市電供電,如果市電發生波動或中斷,可能影響后級計算機設備供電質量,維護風險較大。
      
      4、UPS機組輸入功率因數低、運行效率低
      
      上述UPS機組為十多年前生產的工頻機型,輸入功率因數僅為0.9,滿載時最大輸出功率因數僅為0.8,整機運行效率較低(約90%),大幅低于目前主流高頻UPS機組的性能水平(輸入功率因數0.99以上,最大輸出功率因數1,整機效率95%以上),不僅無法充分利用上級變壓器容量,而且發熱量較大,需配備相應的空調機組,從而造成了非必要的資源浪費。
      
      三、優化方案及實施建議
      
      針對上述難點,本文根據目前該數據中心供電系統架構和電力資源使用現狀,提出了一種通過搭建備用UPS供電鏈路實現UPS整機更換的可行方案。
      
      1、整體更換方案
      
      對于有類似難題的數據中心而言,可考慮利用富余可用電力資源(包括有富余容量的變壓器及其備用輸出開關)構建一條備用UPS系統供電鏈路,即將富余變壓器作為備用UPS系統的上級輸入電源,而備用UPS系統的輸出經輸出柜通過電纜輸送至待更換UPS系統對應的后級母排接插開關輸出端,之后對接插開關按序依次進行割接操作,將待更換UPS系統后級負載切換至備用UPS系統供電,直至待更換UPS系統從現有供電鏈路中整體斷電隔離,再對待更換UPS系統設備依次實施整體更換。此外,對于一般用戶而言,如果在以上各方面都缺乏相應資源,還可考慮利用原有旁路,通過多次割接、騰挪置換的方案。備用UPS系統鏈路如圖2所示。
      
      備用UPS系統鏈路示意
      
      2、備用UPS系統場地規劃
      
      在本文所述案例中,考慮場地空間、散熱條件和UPS輸入輸出電纜距離等因素,新搭建的一組備用UPS系統計劃部署在原UPS機房北側電池間中間過道空地。同時,鑒于需要更換的UPS系統單組預計最大負載約1600kVA,故備用UPS系統容量按2000kVA配置,備用UPS系統計劃由4臺500kVA高頻UPS機組并機組成,采用分散式旁路架構,包括備用UPS系統配置輸入柜1個(開關容量1000A×4)、并機輸出柜1個(開關容量4000A)、蓄電池688節(43節×4組×4臺)。其中,雖然500kVA高頻UPS效率可達95%以上,但上述4臺備用UPS系統滿載發熱量總體不高于100kW,而該處電池間空調制冷剩余量為120kW,因此無需額外增加空調資源,也可滿足備用UPS系統運行環境要求。
      
      3、備用UPS系統輸入鏈路
      
      在搭建備用UPS系統的過程中,通過評估數據中心現有10kV/0.4kV變壓器容量使用情況,筆者發現目前4號變電站的8號變壓器存在剩余容量,可充分滿足后級備用UPS系統負載容量要求,且該變壓器輸出開關柜配有ATS系統,可與柴油發電機聯動,在市電中斷或電壓波動時也可完成自動切換,因此認定該變壓器具備作為備用UPS系統輸入電源的條件。
      
      4、備用UPS系統輸出鏈路
      
      目前,上述數據中心機房UPS輸出通過母排連接至機房強電間內對應的母排接插開關,接插開關再通過電纜連接至各機房區域配電柜,進而可為機房內計算機設備供電。同時,考慮到接插開關上樁頭與UPS輸出母排相連接,而母排拆裝的施工時間長、難度和風險大,因此優化方案選擇接插開關下樁頭與機房區域配電柜輸入電纜連接處作為備用UPS系統輸出鏈路的接入點,從而將待更換UPS系統供電鏈路隔離斷開,直接與機房區域配電柜輸入電纜連接,為后級計算機設備供電。
      
      5、原UPS系統整機更換
      
      在更換過程中,上述方案選擇在負載全部切換至備用UPS后,對原UPS系統進行下電并拆除,施工過程中后級機房由備用UPS維持兩路UPS供電,因此對施工時間無特殊要求,且有充分時間對新裝UPS機組進行安裝和測試。此外,計劃更新為4個500kVA高頻機組,采用分散旁路結構,新裝UPS機組較更換前容量提升25%,發熱量降低50%。值得注意的是,在每組UPS系統整體更換期間,所對應的后級機房計算機設備在切換到備用UPS系統供電和恢復為新UPS系統供電的過程中,后級部分相關設備需兩次處于單路UPS供電運行狀態(每次約2小時),其他時間則均保持雙路UPS供電狀態。
      
      綜上所述,基于上述優化方案,金融數據中心可對UPS系統全部相關配套設備進行整體更換,包括輸入柜、旁路柜、UPS主機、蓄電池及其開關柜等。從成效來看,更換后UPS機組容量、效率和穩定性得到顯著提升,為后級機房安全運行和后續擴容提供了可靠保障。
      
      編輯:Harris
      
      UPS,UPS電源,UPS應用,UPS供電系統

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