金融業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS設備整機更換方案研究方案
金融業(yè)數(shù)據(jù)中心APCUPS設備整機更換方案研究方案
隨著業(yè)務量逐年增加，數(shù)據(jù)中心機房的計算機設備數(shù)量不斷增多，用電量持續(xù)增大。目前，部分UPS系統(tǒng)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、APCUPS系統(tǒng)前后級供電架構(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)，每組裝機容量為1600kVA，采用雙母線2N冗余供電架構(gòu)，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(tǒng)前級兩路市電輸入來自不同變壓器，均配備柴油發(fā)電機組，市電中斷或電壓波動時柴油發(fā)電機組可自動啟動。此外，每組UPS系統(tǒng)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(guān)、四個800A輸入開關(guān)，且每臺UPS主機配備了一組蓄電池（180AH、128節(jié)）。單組APCUPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
單組UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
二、UPS設備目前存在的問題
1、設備老化
上述APCUPS設備于2007年初正式投產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)定性。
2、設備容量不足
隨著業(yè)務量逐年增加，數(shù)據(jù)中心機房的計算機設備數(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(shù)據(jù)中心在實現(xiàn)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(xiàn)有基礎環(huán)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APCUPS系統(tǒng)架構(gòu)設計較早，采用了中央集中旁路并機架構(gòu)模式。在此模式下，在旁路柜發(fā)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(fā)生波動或中斷，可能影響后級計算機設備供電質(zhì)量，維護風險較大。
4、UPS機組輸入功率因數(shù)低、運行效率低
上述UPS機組為十多年前生產(chǎn)的工頻機型，輸入功率因數(shù)僅為0.9，滿載時最大輸出功率因數(shù)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(shù)0.99以上，最大輸出功率因數(shù)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(fā)熱量較大，需配備相應的空調(diào)機組，從而造成了非必要的資源浪費。
三、優(yōu)化方案及實施建議
針對上述難點，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，提出了一種通過搭建備用UPS供電鏈路實現(xiàn)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(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)的上級輸入電源，而備用UPS系統(tǒng)的輸出經(jīng)輸出柜通過電纜輸送至待更換UPS系統(tǒng)對應的后級母排接插開關(guān)輸出端，之后對接插開關(guān)按序依次進行割接操作，將待更換UPS系統(tǒng)后級負載切換至備用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，再對待更換UPS系統(tǒng)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(tǒng)鏈路如圖2所示。
備用UPS系統(tǒng)鏈路示意
2、備用UPS系統(tǒng)場地規(guī)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(tǒng)計劃部署在原UPS機房北側(cè)電池間中間過道空地。同時，鑒于需要更換的UPS系統(tǒng)單組預計最大負載約1600kVA，故備用UPS系統(tǒng)容量按2000kVA配置，備用UPS系統(tǒng)計劃由4臺500kVA高頻UPS機組并機組成，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（開關(guān)容量1000A×4）、并機輸出柜1個（開關(guān)容量4000A）、蓄電池688節(jié)（43節(jié)×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(tǒng)滿載發(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，因此無需額外增加空調(diào)資源，也可滿足備用UPS系統(tǒng)運行環(huán)境要求。
3、備用UPS系統(tǒng)輸入鏈路
在搭建備用UPS系統(tǒng)的過程中，通過評估數(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(tǒng)負載容量要求，且該變壓器輸出開關(guān)柜配有ATS系統(tǒng)，可與柴油發(fā)電機聯(lián)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(tǒng)輸入電源的條件。
4、備用APCUPS系統(tǒng)輸出鏈路
目前，上述數(shù)據(jù)中心機房UPS輸出通過母排連接至機房強電間內(nèi)對應的母排接插開關(guān)，接插開關(guān)再通過電纜連接至各機房區(qū)域配電柜，進而可為機房內(nèi)計算機設備供電。同時，考慮到接插開關(guān)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(yōu)化方案選擇接插開關(guān)下樁頭與機房區(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，從而將待更換UPS系統(tǒng)供電鏈路隔離斷開，直接與機房區(qū)域配電柜輸入電纜連接，為后級計算機設備供電。
5、原APCUPS系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，新裝UPS機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，所對應的后級機房計算機設備在切換到備用UPS系統(tǒng)供電和恢復為新UPS系統(tǒng)供電的過程中，后級部分相關(guān)設備需兩次處于單路UPS供電運行狀態(tài)（每次約2小時），其他時間則均保持雙路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UPS系統(tǒng)全部相關(guān)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(guān)柜等。從成效來看，更換后UPS機組容量、效率和穩(wěn)定性得到顯著提升，為后級機房安全運行和后續(xù)擴容提供了可靠保障。
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