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1、 数据中心配电系统可靠性改造与替载冲击测试 摘要:配电系统是数据中心正常运行的生命线，提高配电系统的可靠性一直是数据中心相关研究的重点。本文分析了数据中心配电系统典型环节的可靠性计算方法，由计算公式得出并联系统可靠性比串联系统更高；对现今常用的UPS配电方式以及替载冲击进行了分析，并根据UPS的一些缺点提出提高数据中心配电系统可靠性的方法，包括采用高压直流配电系统，引入自动预警技术等。关键字：数据中心；配电系统；UPS；可靠性引言随着信息技术的飞速发展，企业数据中心的业务量持续增加，由此产生大量的应用系统以及承载这些系统所需的服务器和交换机，尽管每个服务器和交换机的功率很小，但大量设备同时工作
2、时会消耗大量电能；同时机房内存在消防用电设备和精密空调设备等大功率设施，这些都对配电系统提出了较高的工作要求；一旦数据中心的配电系统发生故障，会造成计算机数据丢失，设施损坏等不可估计的严重后果，2008年我国发布了电子信息系统机房设计规范和数据中心基础设施施工及验收规范对数据中心配电系统做出规范。因此数据中心配电系统的可靠性成为整个数据中心系统关键业务正常运行的必要条件。1.数据中心配电系统典型环节的可靠性计算在分析配电系统和设备的可靠性时，一般采用等效原理框图来反映构成复杂配电系统的各个元件可靠性的相互联系，通常可以将复杂配电系统看作是一系列串联系统、并联系统的组合，因此分析简单的串并联系统
3、的可靠性是分析复杂配电系统的基础。1.1串联系统可靠性计算由两种连接方式的可靠度计算可知，并联连接方式系统的可靠度要明显高于串联连接系统，对于其他复杂的系统均可以简化为这两种最简单的连接方式进行分析。1.3供电系统分析本文结合近年来接触到的实际项目为例，对大型数据中心的配电系统的可靠性改造。此次项目改造对数据中心的配电系统进行分类，改造主要包括了供电线路经过高压系统、发电系统、低压系统后的机架配电。从机房可靠性改造的角度，主要分析了不间断电源系统（UPS）。1.3.1应急电源系统一般都是使用柴油发电机，发电机的配置一般选择N+1的型号，这种发电机能够供大型数据中心使用。柴油发电机的作用是为供电
4、设备做电源储备。数据中心运行的过程中，需要有10kv的电源为其提供电量，当电源停止供电后，柴油发电机开始工作，继续为其供电。关于应急电源系统的设置，一般设置在室内，也可以设置在室外，没有固定位置的限制，具体放置的位置需要看建筑的设计情况，室内设计位置比较小的情况下，就可以放置在室外，可以有效提升建筑的面积利用率。图4UPS系统工作原理图1.4供电方式（1）输出主从备份方式图5为输出主从备份方式，这种供电方式具有主从两台UPS，冗余转换器可以利用两台UPS同时为数据中心供电；当市电正常时，主UPS经过冗余转换器对数据中心设备进行供电，当主UPS发生故障时，由备份UPS为数据中心设备供电；当主UP
5、S故障得到解决与冗余转换器正常连接后，冗余转换器将负载重新切换回主UPS上。这种供电方式较旁路主从备份方式可靠性较高，但仍没有解决主备机老化速度不同的问题。图6冗余并联供电方式1.5容量计算在UPS容量设计时必须考量冗余。一般在最初设计时就应该考虑未来5年左右负载的增长需求，如果没有长远规划考量冗余，在数据中心设备增加后不得不重新购买UPS，重新设计连接方式甚至整个配电系统，这些都会耗费大量开支。另外，由于数据中心的负载具有非线性，会产生电流波动，一般电流波形为周期性的非正弦波。当负载增加时，电流波形进行叠加，叠加后其峰值因数可能会高于一般UPS的的峰值因数，这时UPS就不能满足工作要求，输出
6、电流波形也有可能产生畸变。因此需要提高UPS的电流输出能力，计算容量时必须考量冗余。下面给出UPS的容量计算公式。式中PU为UPS的功率容量，S为数据中心各负载的额定功率，A1是容量使用率，一般取0.60.8；A2是负载匹配系数，容性负载取1、阻性负载取0.7、感性负载取0.3；A3是UPS负载系数，工频机取1，高频机取0.9；A4是环境系数，一般取1；A5是扩容系数，具体数值根据数据中心的扩容计划来确定。在长期的发展应用中，UPS的技术技术方案愈加成熟，它具有输出交流电，不易拉弧等优点；但UPS配电变换级数多，效率较低，能耗大，系统设计复杂，单点故障率高，一点的故障容易引起整个系统的瘫痪，所
7、以本文将提出一系列的改进措施以提高配电系统的可靠性。2.替载冲击分析据有关报道，在造成数据中心瘫痪的原因中，因UPS供电系统的产品或可用性级别的选配欠妥。所以对替载冲击的测试尤为重要。对近年来多起事故的分析发现，导致UPS供配电系统的故障的诱因是：抗瞬态输入过电压保护的能力变差。通过在用户现场所捕捉到的输入故障波形以及在所搭建的故障模拟平台上所检测到的数据可见，因输入瞬态过电压而致使传统高频机UPS和模块化UPS的的典型故障类型有：因电池组异常放电所诱发的电池组使用寿命缩短;在UPS供配电系统的输出端发生输出闪断或“被损环”的事故。此外，随着模块化UPS内部所并联的电源模块的数量的不断增多，其
8、内部环流必然会随之增大。由此所带来的新故障现象是：当用户因故对这种模块化UPS执行停电维修操作后）再重新执行开机操作时，易发生UPS输出闪断或电源模块被损坏的事故。3.配电系统可靠性改造3.1采用高压直流配电系统图7高压直流配电系统原理如图7所示为高压直流配电系统，这一系统由蓄电池、配电、电池、电流检测等模块构成，由图7的系统原理图能够看出其具体的组成。当该系统运行的过程中，整流模块中的电压会转换为220V，与此同时给蓄电池进行充电，在运行的过程中，如果出现了故障，就可以启动蓄电池，通过蓄电池给用电设备提供电能。与UPS供电模式相比高压直流配电系统的显著优点就是可靠性高。UPS各组件大多是串联
9、关系，冗余备份仅存在于并联主机，而高压直流配电系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，对比式（2）和（4）可知串联系统的故障率要远高于并联系统，所以高压直流配电系统更安全。另外高压直流配电系统经过整流模块给负载提供直流电，也就不存在相位与频率以及谐波干扰的问题。3.2完善自动预警技术随着计算机与信息技术的发展，自动化装置越来越多的应用于工程实践之中，在数据中心的故障检测方面也可以引入自动化预警技术。即通过对各个元件以及它们的工作状态进行实时监测，对可能出现的故障问题进行控制。可以检测系统的局部电流超负荷，元件与线路温度过高等情况。预警工作，不仅能够降低系统故障的发生频率，还可为电力系统的
10、实际运行控制提供安全防护作用，有效保证系统安全运行的可靠性，使配电系统故障问题得到高效控制。4.结语本文计算了数据中心串联和并联配电系统的可靠性，对于复杂的配电系统均可以通过网络变换化简为简单的串并联关系，通过计算得知，并联系统的可靠性要高于串联系统。第四节则分析了现今最常用的UPS配电方式，分析了该配电方式的工作原理，连接形式以及引用场景和优缺点，并提出两种提高配电系统可靠性的方法，包括采用高压直流配电系统，引入自动预警技术等。参考文献:1黄国彬,郑琳.大数据信息安全风险框架及应对策略研究J.图书馆学研究,2015(13):24-29.2李峰.数据中心供配电系统设计J.通信技术,2010,43(6):227-231.3任红.数据中心供配电系统可靠性的研究C/中国.2012.4童佩.配电系统的可靠性分析J.科技与创新,2014,17(22):41-41.5李科.简析数据中心机房供配电系统设计J.深圳土木&建筑,2014(1):47-51. -全文完-
