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摘 要: UPS是数据中心中最常用的供电保障设施,提高数据中心机房UPS供电系统的可靠性有重大意义。基于此，文章全面分析了当前UPS设备及供电系统技术现状，并根据数据中心的需求,分析并确定了系统实际运行情况下UPS系统的需要系数,为确保数据中心机房可靠运行提供数据支持。
关键词:数据中心；机房；UPS供电系统；功率变换器件；机房建设维护
UPS是为关键负载提供交流电源并保证电源供应连续的电力电子装置。在现代社会的发展之中，信息数据成为我们生产和发展中必不可少的因素，数据中心也应用而生，这成为很多企事业单位建设的核心问题。由于数据中心工作性质的特殊性，对供电系统的要求很高。数据中心的供电系统必须安全可靠，能为数据中心提供稳定可靠的电能。UPS 供电系统符合数据中心的用电需求，可以为其提供相应的电能，以此来保障数据中心的正常工作，逐渐成为数据中心的核心动力系统。因此，在企事业单位信息化建设过程中,其完善、合理与否日益成为业务发展的关键制约因素。
1 数据中心UPS供电系统运行现状
UPS 供电系统可以有效的保障用电安全，增加供电系统的可靠性，有着重要的意义和价值。UPS不间断供电系统作为数据中心供电保障的核心部分，在保证高供电可靠性的前提下，现有UPS供电系统过高的冗余配置，较低的负荷水平、系统效率等问题也逐渐显现，存在一定工程投资，局房、电力等资源的浪费。在当前国家大力提倡节能减排及数据中心业务飞速发展的大背景下，更为合理的使用数据中心机房及电力系统资源，优化UPS系统配置，增加经济效益，节约投资成本，为数据中心UPS系统的建设及优化提供新思路。
1.1 数据中心UPS供电系统模式
目前，大型数据中心多采用2N双总线UPS系统为重要IT设备提供双路不间断交流电源。该系统是指由两套或多套UPS系统组成的冗余系统，每套UPS系统N台UPS设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载，完全是彼此隔离的两条供电线路，也就是说，在供电的整个路径中所有环节和设备都是冗余配置的，正常运行时，每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式，克服单电源系统存在的单点故障瓶颈，对于大中型机房只有少数单电源设备的情况，可通过安装小型STS设备，保证重要电源设备的供电可靠性，采用“2N”配置系统可用性得到明显提高，如图1所示。
图1 2N配置系统
“2N”系统正常运行时，两套UPS系统同时工作，各承担总负荷的1/2左右。双总线供电系统的2套UPS系统交流输入引自不同低压母线段，保证整套系统具有最高的可靠性和可维护性。双总线冗余系统中任意1套UPS系统故障、停止输出或输出总开关及输出分支开关发生故障时，双电源负载或配置STS的单电源关键负载供电不中断，接故障UPS组的单电源负载供电中断。
(1)系统优点
两套系统独立供电，无单故障点，系统容错性强，不存在两个总线中的UPS同频、同相和均分负载问题，也没有并机环流，两套UPS系统完全独立运行、相互隔离，可靠性大幅提高；无需将负载转到旁路模式，即可对UPS、开关装置和其它配电设备进行维护。
(2)系统缺点
系统冗余组件数量多，成本高；供电设备容量利用率低，系统效率低。
1.2 提高UPS负荷率的意义
根据本文前篇对UPS设备运行现状调研，经过对采集数据的分析，可见提高UPS负荷率对数据中心的整个供电系统，以及数据中心的建设、挖潜、维护、发展等具有至关重要的意义。
提高UPS负荷率不仅增加了UPS带载设备的容量与数量、经济效益、避免资源浪费，同时也提升了UPS设备的效率与输入功率因数、降低了UPS设备对市电的谐波影响，减少谐波污染，更加绿色节能。
2 数据中心UPS系统的需要系数
2.1 调研需要系统的必要性
从前文分析可以看出，数据机房UPS的负荷率普遍不高，远达不到UPS设计时的理想负荷情况，而UPS系统常年处于低负荷率情况下运行，对UPS设备容量及能源都是一种浪费。
UPS系统负荷率低的影响因素有很多，既有机房中的机架尚未全面运行，机架工艺负荷与实际负荷之间存在较大差异的原因，也有上限功率限制的维护管理模式要求等原因。
因此，为了充分发挥配套UPS系统供电能力，避免资源浪费，更好地确定UPS系统容量，应在负荷计算中合理取订IT机架的需要系数Kx，提高IT负荷在局房的供电负荷占比，提升实际装机能力，同时UPS系统的负荷率也有所提高，使UPS设备容量得到充分利用，使设备能够在更为经济，系统效率更高的状况下稳定运行。
2.2 需要系数的调研
通过对某运行9年的数据中心24个数据机房的实际负荷运行情况进行数据采集，其主要客户为大型互联网企业，有少部分散户及自有业务。
调研数据与各数据机房建设初期的工艺设计负荷相比，机房现有负荷率均不超过工艺设计负荷的80％。
通过负荷率占比分析，其中16％的机房在50％以下的设计负荷容量运行，50％～70％的占38％，70％～80％的占46％。即使是负荷率最高的机房，也不超过设计容量的80％，因此，在现网运行的机房中普遍存在20％～50％设计容量的浪费。
选取负荷率较高的某大型互联网企业租用的4个机房为例，4个数据机房共有机架573架，由2套300kVA“3＋3”UPS双总线供电系统及1套300kVA“2＋2”UPS双总线系统供电，供电能力为1680kW。
经对实际测量负荷进行分析，573架2.57kW的IDC机架实际运行负荷为1140kW左右，需要系数为0.77，而UPS实际平均负荷率为26.41％，远没有达到设计负荷率。这是因为在配置UPS时，由于UPS设备功率段的划分，导致实际配置的容量略大于需要容量。本次调研数据见表1、表2。
表1 高负荷率机房的需要系数
此次调研数据中，中小型企业散户及一部分自用机房的需要系数较低，仅为0.35。
此类用户机房在数据中心中广泛存在，占用了过多可用资源，有较大的可利用空间，具有进一步优化的潜力。
2.3 需要系数的确定
结合数据调研的情况可以看出，目前需要系数Kx主要是由租用客户的类型及运行使用特点决定的，如对于普遍负荷率较高的大型互联网企业，如BAT，其46％的IDC机房需要系数在0.7～0.8之间，即便负荷率最高的机房也不超过0.8，对于大型互联网企业的需要系数Kx初期可拟按0.85取定。而对于中小企业客户，初期需要系数Kx也可拟取订在0.7。
对于自用机房，经过调研，实际运行负荷率较低，大量可用资源利用不足。因此自用机房建设维护人员可以根据服务器设备的实际运行情况，通过提高单机架功率或增加机架数量的方式，对数据机房剩余可用容量进行挖潜，节约成本、增加效益、提高资源利用率。
3 结论
总之，UPS供电系统在数据中心机房中得到了十分广泛的应用,对保证数据中心安全可靠运行起着至关重要的作用。因此，在现代数据中心建设中,UPS供电系统的可靠性受到了数据中心运行维护人员的普遍重视，本研究对UPS负荷率的控制提出的相关建议，具有一定价值。
参考文献：
[1]张钰.数据中心机房UPS供电系统可靠性研究与应用[J].通讯世界, 2016(5):119-120.
[2]吴亮.探讨大型数据中心电源与UPS配电系统的设计[J].城市建设理论研究, 2012(24).
论文作者:陈国钦
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/19
标签：数据中心论文; 负荷论文; 供电系统论文; 系统论文; 机房论文; 设备论文; 系数论文; 《防护工程》2017年第16期论文;