隨著業(yè)務(wù)量逐年增加，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的計(jì)算機(jī)設(shè)備數(shù)量不斷增多，用電量持續(xù)增大。目前，上述UPS系統(tǒng)容量已無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備用電需求，甚至成為了后級(jí)機(jī)房的擴(kuò)容瓶頸。

01
UPS系統(tǒng)前后級(jí)供電架構(gòu)分析 　　
　　以金融業(yè)某大型數(shù)據(jù)中心為例，目前該數(shù)據(jù)中心在特定區(qū)域部署了6組UPS系統(tǒng)，每組裝機(jī)容量為1600kVA，采用雙母線(xiàn)2N冗余供電架構(gòu)，分為A/B兩路，且每個(gè)機(jī)房均有A/B兩路UPS電源輸入。同時(shí)，每組UPS系統(tǒng)前級(jí)兩路市電輸入來(lái)自不同變壓器，均配備柴油發(fā)電機(jī)組，市電中斷或電壓波動(dòng)時(shí)柴油發(fā)電機(jī)組可自動(dòng)啟動(dòng)。此外，每組UPS系統(tǒng)包含了4臺(tái)UPS主機(jī)、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(gè)3200A輸入總開(kāi)關(guān)、四個(gè)800A輸入開(kāi)關(guān)，且每臺(tái)UPS主機(jī)配備了一組蓄電池（180AH、128節(jié)）。單組UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 

02
UPS設(shè)備目前存在的問(wèn)題

1 ?設(shè)備老化 　　
　　上述UPS設(shè)備于2007年初正式投產(chǎn)運(yùn)行，至今已超過(guò)14年，運(yùn)行期間于2016年對(duì)部分部件（包括電容、電源板和散熱風(fēng)扇等）進(jìn)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(shè)備使用年限的增長(zhǎng)，設(shè)備不斷老化、設(shè)備故障率逐漸升高，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也隨之逐步加大。為保障后級(jí)生產(chǎn)用電安全，急需對(duì)原有UPS進(jìn)行整機(jī)更換，以提高UPS設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 ?設(shè)備容量不足

　　
　　隨著業(yè)務(wù)量逐年增加，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的計(jì)算機(jī)設(shè)備數(shù)量不斷增多，用電量持續(xù)增大。目前，上述UPS系統(tǒng)容量已無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備用電需求，甚至成為了后級(jí)機(jī)房的擴(kuò)容瓶頸。對(duì)此，數(shù)據(jù)中心在實(shí)現(xiàn)UPS設(shè)備更新的同時(shí)，需要對(duì)UPS設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)容，以充分利用其他現(xiàn)有基礎(chǔ)環(huán)境剩余資源，進(jìn)一步提升機(jī)房容量。

3 ?集中旁路柜存在故障隱患

　　
　　由于該UPS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)較早，采用了中央集中旁路并機(jī)架構(gòu)模式。在此模式下，在旁路柜發(fā)生故障后，UPS將無(wú)法自動(dòng)切換到旁路，存在單點(diǎn)故障隱患，且對(duì)旁路柜進(jìn)行維護(hù)時(shí)，需要將UPS切換至維修旁路模式下運(yùn)行，此時(shí)后級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備由市電供電，如果市電發(fā)生波動(dòng)或中斷，可能影響后級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備供電質(zhì)量，維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大。

4 ?UPS機(jī)組輸入功率因數(shù)低、運(yùn)行效率低

　　
　　上述UPS機(jī)組為十多年前生產(chǎn)的工頻機(jī)型，輸入功率因數(shù)僅為0.9，滿(mǎn)載時(shí)最大輸出功率因數(shù)僅為0.8，整機(jī)運(yùn)行效率較低（約90%），大幅低于目前主流高頻UPS機(jī)組的性能水平（輸入功率因數(shù)0.99以上，最大輸出功率因數(shù)1，整機(jī)效率95%以上），不僅無(wú)法充分利用上級(jí)變壓器容量，而且發(fā)熱量較大，需配備相應(yīng)的空調(diào)機(jī)組，從而造成了非必要的資源浪費(fèi)。

03
優(yōu)化方案及實(shí)施建議

　　
　　針對(duì)上述難點(diǎn)，本文根據(jù)目前該數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)和電力資源使用現(xiàn)狀，提出了一種通過(guò)搭建備用UPS供電鏈路實(shí)現(xiàn)UPS整機(jī)更換的可行方案。

1 ?整體更換方案

　　
　　對(duì)于有類(lèi)似難題的數(shù)據(jù)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(kāi)關(guān)）構(gòu)建一條備用UPS系統(tǒng)供電鏈路，即將富余變壓器作為備用UPS系統(tǒng)的上級(jí)輸入電源，而備用UPS系統(tǒng)的輸出經(jīng)輸出柜通過(guò)電纜輸送至待更換UPS系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的后級(jí)母排接插開(kāi)關(guān)輸出端，之后對(duì)接插開(kāi)關(guān)按序依次進(jìn)行割接操作，將待更換UPS系統(tǒng)后級(jí)負(fù)載切換至備用UPS系統(tǒng)供電，直至待更換UPS系統(tǒng)從現(xiàn)有供電鏈路中整體斷電隔離，再對(duì)待更換UPS系統(tǒng)設(shè)備依次實(shí)施整體更換。此外，對(duì)于一般用戶(hù)而言，如果在以上各方面都缺乏相應(yīng)資源，還可考慮利用原有旁路，通過(guò)多次割接、騰挪置換的方案。備用UPS系統(tǒng)鏈路如圖2所示。
 

2 ?備用UPS系統(tǒng)場(chǎng)地規(guī)劃

　　
　　在本文所述案例中，考慮場(chǎng)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(tǒng)計(jì)劃部署在原UPS機(jī)房北側(cè)電池間中間過(guò)道空地。同時(shí)，鑒于需要更換的UPS系統(tǒng)單組預(yù)計(jì)最大負(fù)載約1600kVA，故備用UPS系統(tǒng)容量按2000kVA配置，備用UPS系統(tǒng)計(jì)劃由4臺(tái)500kVA高頻UPS機(jī)組并機(jī)組成，采用分散式旁路架構(gòu)，包括備用UPS系統(tǒng)配置輸入柜1個(gè)（開(kāi)關(guān)容量1000A×4）、并機(jī)輸出柜1個(gè)（開(kāi)關(guān)容量4000A）、蓄電池688節(jié)（43節(jié)×4組×4臺(tái)）。其中，雖然500kVA高頻UPS效率可達(dá)95%以上，但上述4臺(tái)備用UPS系統(tǒng)滿(mǎn)載發(fā)熱量總體不高于100kW，而該處電池間空調(diào)制冷剩余量為120kW，因此無(wú)需額外增加空調(diào)資源，也可滿(mǎn)足備用UPS系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求。

3 ?備用UPS系統(tǒng)輸入鏈路

　　
　　在搭建備用UPS系統(tǒng)的過(guò)程中，通過(guò)評(píng)估數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有10kV/0.4kV變壓器容量使用情況，筆者發(fā)現(xiàn)目前4號(hào)變電站的8號(hào)變壓器存在剩余容量，可充分滿(mǎn)足后級(jí)備用UPS系統(tǒng)負(fù)載容量要求，且該變壓器輸出開(kāi)關(guān)柜配有ATS系統(tǒng)，可與柴油發(fā)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，在市電中斷或電壓波動(dòng)時(shí)也可完成自動(dòng)切換，因此認(rèn)定該變壓器具備作為備用UPS系統(tǒng)輸入電源的條件。

4 ?備用UPS系統(tǒng)輸出鏈路

　　
　　目前，上述數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS輸出通過(guò)母排連接至機(jī)房強(qiáng)電間內(nèi)對(duì)應(yīng)的母排接插開(kāi)關(guān)，接插開(kāi)關(guān)再通過(guò)電纜連接至各機(jī)房區(qū)域配電柜，進(jìn)而可為機(jī)房?jī)?nèi)計(jì)算機(jī)設(shè)備供電。同時(shí)，考慮到接插開(kāi)關(guān)上樁頭與UPS輸出母排相連接，而母排拆裝的施工時(shí)間長(zhǎng)、難度和風(fēng)險(xiǎn)大，因此優(yōu)化方案選擇接插開(kāi)關(guān)下樁頭與機(jī)房區(qū)域配電柜輸入電纜連接處作為備用UPS系統(tǒng)輸出鏈路的接入點(diǎn)，從而將待更換UPS系統(tǒng)供電鏈路隔離斷開(kāi)，直接與機(jī)房區(qū)域配電柜輸入電纜連接，為后級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備供電。

5 ?原UPS系統(tǒng)整機(jī)更換

　　
　　在更換過(guò)程中，上述方案選擇在負(fù)載全部切換至備用UPS后，對(duì)原UPS系統(tǒng)進(jìn)行下電并拆除，施工過(guò)程中后級(jí)機(jī)房由備用UPS維持兩路UPS供電，因此對(duì)施工時(shí)間無(wú)特殊要求，且有充分時(shí)間對(duì)新裝UPS機(jī)組進(jìn)行安裝和測(cè)試。此外，計(jì)劃更新為4個(gè)500kVA高頻機(jī)組，采用分散旁路結(jié)構(gòu)，新裝UPS機(jī)組較更換前容量提升25%，發(fā)熱量降低50%。值得注意的是，在每組UPS系統(tǒng)整體更換期間，所對(duì)應(yīng)的后級(jí)機(jī)房計(jì)算機(jī)設(shè)備在切換到備用UPS系統(tǒng)供電和恢復(fù)為新UPS系統(tǒng)供電的過(guò)程中，后級(jí)部分相關(guān)設(shè)備需兩次處于單路UPS供電運(yùn)行狀態(tài)（每次約2小時(shí)），其他時(shí)間則均保持雙路UPS供電狀態(tài)。
　　　　
　　綜上所述，基于上述優(yōu)化方案，金融數(shù)據(jù)中心可對(duì)UPS系統(tǒng)全部相關(guān)配套設(shè)備進(jìn)行整體更換，包括輸入柜、旁路柜、UPS主機(jī)、蓄電池及其開(kāi)關(guān)柜等。從成效來(lái)看，更換后UPS機(jī)組容量、效率和穩(wěn)定性得到顯著提升，為后級(jí)機(jī)房安全運(yùn)行和后續(xù)擴(kuò)容提供了可靠保障。

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