数据中心供配电系统节能减排设计(二)

2017/12/20 10:13:22 来源:DTDATA 作者: 分类:特别报道

即使有了节能的设备,如果没有合理的连接和配置也不会得到高可靠性和节能效果。


一、不合理的连接和解决办法


误区1:某广电单位有12台60KVA由UPS及两路市电供电,市电1接到所有UPS输入整流器上,市电2接到所有UPS的Bypass,如图4-12所示。这种连接的想法是一主一备,整流器的市电1为主路,打旁路时Bypass就是备用的一路,这就符合了一主一备的要求,一路供电一路备用。



图4-12 两路市电都连接到UPS上


(1)误区所在。不知道这种接法不是一主一备,而是两路市电都同时用上了,失去了一主一备的初衷。原因是UPS输出电压的频率和相位一直在跟踪输入电压,但原设计不是直接跟踪整流器的输入电压,而是跟踪Bypass电压。这是因为原设计Bypass和整流器同时接在同一个电压上而不是分开。


(2)这种接法导致的负面作用。因为UPS输出电压在这里跟踪的是市电2,整流器输入的电压是市电1。原设计是:当Bypass电压故障时就代表整个输入市电故障,UPS马上转电池模式工作。但这种接法也会出现这种情况,Bypass电压故障(市电2)了,但市电1还在正常供电,这时是应该转电池模式还是不转?当然不能转,怎么办?供应商当场修改控制电路。但修改后由于好多问题没有考虑到,结果异常现象频频出现:一会状旁路Bypass,一会什么信号灯不正常闪动了,一会有警告等。搞得用户精神一直处于紧张之中。


另外,假如市电1故障,这时正常转电池模式。但当双路市电供电时,一般电池的后备时间都选在30min左右,电池放光了就要转到市电2供电。由于市电1是一个主路,由电缆和断路器构成,这两种东西不易出故障。一旦故障往往一两天甚至更长时间不能恢复。这期间负载一直由市电2供电,失去了稳压和滤波器保护的功能,因此陷负载与不安全用电之中,故障风险大增。


误区2:当双路供电时,如果由两台并联的UPS供电,有的就将两台UPS分别接到两路市电上,如图4-13所示。



图4-13两路市电带两台UPS并联情况


误区所在:首先不知道并联连接的UPS在转旁路时它们的旁路开关STS是同时开通的,再就是两路市电的两个变压器输出电压一般都不是相等。一旦UPS转旁路就会形成庞大的环流i3,如图4-13所示。如果两个变压器之间的压差比较大形成的环流就会将STS烧毁或电缆起火,这个隐患不得不考虑。



图4-14 双市电正确的连接


所以上述两种接线方法都不可取,还是应当采用图4-14的连接方法,使负载设备永远处于UPS的保护之下。系统可靠了才可以节能,否则频频故障就会造成人力、物力和财力的损失,也不会节能了。


二、不节能的配置和解决方案


有一种误解认为配置的设备越多系统越可靠。图4-15是某国际金融公司数据中心供配电系统的配置连接原理图。UPS1和UPS2都是100KVA的高频机模块化UPS,采用双路供电方式。设计者为了“隔离干扰”在UPS输出端配置了两台100KVA变压器。负载由双电源输入和单电源IT设备构成。为了一路供电故障时另一路仍能正常运行,所以又配置了两台100KVA容量的STS。



图4-15 某国际金融公司数据中心供配电系统配置连接原理图


如前所述,UPS所加的两台变压器不但“无的放矢”而且多了三个串联故障点(变压器控制柜输入输出断路器和变压器本身)和耗电负载STS也是三个串联故障点(STS输入输出断路器和STS本身),这样就多了六个故障点和四台耗电设备,实际上,稍加改变即可以获得更好的效果[见图4-15(b)]。这里首先取消了两台串联变压器,为了达到上述一路供电故障时另一路仍能正常运行的目的,采用了一个互联开关,这一个改变带来的好处是:


(1)设备量显著减少了,节约了投资。如图4-15(c)所示,原来STS1和STS2共用了24只晶闸管,而互联开关只用了同容量的6只晶闸管,减少了18只。


(2)减少了功耗。无论两台UPS出于什么状态,STS1和STS2每一路设备都一直有6只晶闸管导通,共12只晶闸管导通,导通就有功耗。而互联开关在两台UPS正常运行时是开路的,不导通,所以没功率损耗。而这种状态是长期的,所以节能也是长期的。互联开关只有在一台UPS故障时才导通,将两台UPS并联,使得后面所有负载设备不间断运行,达到了和图4-15(a)同样的效果。


三、不可靠的配置和解决方案


这里是以可靠性为前提的配置,实际上也和节能联系在一起。如图4-16(a)所示为某空管局原来的配置方案示意图。UPS为两台630KVA容量的设备。设计者没有将两台UPS并联使用,而是用双路供电的方式,对单电源设备经STS供电。设计者给配置了10台STS,图4-16(a)所示。问题是每台STS价格50万元(RMB),用户无法承受,最后通过采用图4-16(b)的方法得到了解决。



图4-16 不可靠的配置及解决方案



(1)设备量减少了,节约了投资。原来的方案单电源的数量并不多,但采用的STS容量却是UPS容量的十分之一,这是非常不合理的;采用图4-16(b)所示的方案后,将大功率STS改用了小功率(5KVA)产品,投资由500万元人民币缩减到不足20万。


(2)提高了可靠性。原来的方案中每一台STS要为一组设备供电,一旦这台STS故障,这一组设备全部停机;而图4-16(b)所示的方案是每一台小STS只对应一台IT设备,及时这台STS故障了,影响的就一台设备,无关大局。


(3)降低了功耗。从原来的方案中可以看出,无论两台UPS处于什么状态,都同时有60只晶闸管导通,导通就有压降,有压降就有功耗,这种长年累月的功耗将是惊人的。而图4-16(b)所以方案中的执行器件是继电器,而继电器触点闭合时的压降为零,所以没有功率损耗,将原来的大量功耗减到零,肯定节能了。


(4)减少了占地面积。将原来的STS机柜设备改用了高度为IU的机架式结构,可以直接插到标准机架上,省去了原来大功率STS设备的占地面积。


四、在满足要求的前提下简化系统


在满足供电要求的前提下系统越简单越好,因为设备越多必然伴随着功耗增多、温度升高会降低可靠性。根据阿累纽斯定律,温度每升高10℃,电子设备(包括电池)的寿命减半,如按照25℃设计为10年寿命的电子设备,在35℃时寿命缩短为5年,在45℃时寿命缩短为2.5年,在55℃时寿命缩短为1.25年。


1、双总线供电系统的负面影响


任何事物都有它的两面性,双总线供电系统也不例外。为了提高用电的可靠性,厂家大都把服务器等设备配置了双电源输入口。这样一来供电系统也就出现了双总线供电方式,就以此为例看一下能量的利用情况。图4-17(b)所示是100KVA的负载用三台60KVA的UPS并联成2+1的方式供电,每台UPS带载率约为55%(33KVA),设机器本身的功耗为10%(6KW),粗算,为了有一个大概的印象这里将KVA都算成KW,功率为η1就是:



图4-17 两种供电方式的结构原理图


若双总线供电,如图4-16(b)所示,此时每台UPS带载率约为27.5%(16.5KW),此时的效率是多少呢?60KVA的27.5%为16.5KW,此时机器的总效率η2为:




效率降低了11%。尽管如此,看来效率还不错。但是由于UPS带载率的降低导致UPS的输入功率因数也降低了。编者在上海环球金融中心某外国银行验收时,某公司100KVA高频机UPS的带载率约20%,但机器的输入功率因数低到了0.65。


2、双总线供电的更好场合


当可靠性与容量出现矛盾时,在权衡利弊的情况下可酌情采用双总线(强制性要求除外),举例如下。




可满足了要求,但容量却不够了,只有2400KVA。如果此时的真实负载小于此值,以后又没有增容计划,这种结构是可以的。但2400KVA是强制性要求,就只好用2组7+1作双总线连接。但此若要再用大功率STS切换,可靠性就又不够了,因又多了一个串联环节,即多了一个故障点。


从上述可以看出,双总线有它的有点(供电可靠性提高了),其负面影响也随之而来(效率降低、输入功率因数降低、花费增加一倍多、占地面积和自重也增加到原来的2倍多,1.5的PUE也难以达到了,尤其是再用工频机UPS那就更困难了)。

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