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　　1 電力負(fù)荷的分級(jí)及其意義

　　根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電時(shí),對(duì)人身安全、經(jīng)濟(jì)損失所造成的影響程度進(jìn)行分級(jí),負(fù)荷分級(jí)主要是從安全和經(jīng)濟(jì)損失兩個(gè)方面來(lái)確定,安全包括了人身生命安全和生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)裝備的安全。為此,國(guó)標(biāo)GB50052-2009將負(fù)荷進(jìn)行如下定義與分級(jí):

　　(1)符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷

　�、僦袛喙╇妼⒃斐扇松韨�亡時(shí);

　　②中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成重大損失時(shí);

　�、壑袛喙╇妼⒂绊懼匾�用電單位的正常工作時(shí)。

　　一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電,即負(fù)荷的電源是由兩個(gè)電路提供的,這兩個(gè)電路就安全供電而言,被認(rèn)為是互相獨(dú)立的,當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí),另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

　　在一級(jí)負(fù)荷中,當(dāng)中斷供電將造成重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸或火災(zāi)等情況的負(fù)荷,以及特別重要場(chǎng)所的不允許中斷供電的負(fù)荷,應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

　　給一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電,應(yīng)符合下列要求:

　�、俪龖�(yīng)由雙重電源供電外,還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源,并嚴(yán)禁將其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

　　備用電源與應(yīng)急電源是兩個(gè)完全不同用途的電源。備用電源是當(dāng)正常電源斷電時(shí),由于非安全原因用來(lái)維持電氣裝置或其某些部分正常運(yùn)行所需的電源;而應(yīng)急電源,又稱(chēng)安全設(shè)施電源,是用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源。此條是從安全角度考慮,其目的是為了防止其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

　�、谠O(shè)備的供電電源的切換時(shí)間,應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。石家莊ups

　　(2)符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為二級(jí)負(fù)荷

　�、僦袛喙╇妼⒃诮�(jīng)濟(jì)上造成較大損失時(shí);

　　②中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作時(shí)。

　　二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng),宜由兩條線路供電。在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時(shí),二級(jí)負(fù)荷可由一路6kV及以上專(zhuān)用的架空線路供電。

　　(3)不屬于一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷的,應(yīng)視為三級(jí)負(fù)荷

　　通過(guò)上述用電負(fù)荷分級(jí),可正確地界定不同等級(jí)的負(fù)荷對(duì)供電可靠性的要求,以便恰當(dāng)?shù)剡x擇符合實(shí)際水平的供電方式,提高投資的經(jīng)濟(jì)效益,保護(hù)人員的生命安全。有必要強(qiáng)調(diào)的是,規(guī)范中對(duì)特別重要負(fù)荷及一、二、三級(jí)負(fù)荷的供電要求是最低要求,工程設(shè)計(jì)中,用戶可以根據(jù)其本身的特點(diǎn)確定其供電方案。

　　2 數(shù)據(jù)中心負(fù)載的供電分級(jí)與UPS配置

　　數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　數(shù)據(jù)中心通過(guò)UPS供電的負(fù)載一般分為三類(lèi):無(wú)人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備、有人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備及機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。其中:

　　①無(wú)人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括小型機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信和介質(zhì)存儲(chǔ)等;

　　②有人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括總控中心機(jī)房設(shè)備、研發(fā)機(jī)房設(shè)備、測(cè)試機(jī)房設(shè)備及OA系統(tǒng)設(shè)備等;

　�、踀PS供電的應(yīng)急照明系統(tǒng)、消防控制及撤離指示系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)風(fēng)機(jī)、樓宇監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)等。

　　無(wú)人區(qū)機(jī)房IT設(shè)備的UPS供電可參照GB50174-2008的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)配置,有人區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)負(fù)載的UPS供電通常參照B級(jí)或C級(jí)來(lái)配置。此外,UPS配置還應(yīng)滿足:

　　①除主機(jī)房外,輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)IT設(shè)備,宜單獨(dú)計(jì)算與配置,避免多區(qū)域共用一套UPS系統(tǒng);若不得不共用時(shí),應(yīng)為非主機(jī)房外的設(shè)備設(shè)獨(dú)立回路,并采取完全選擇性保護(hù)的措施;

　　②調(diào)水泵、空調(diào)風(fēng)扇等非IT設(shè)備的UPS,應(yīng)單獨(dú)計(jì)算與配置;

　　③消防、監(jiān)控、安防等與生命安全相關(guān)設(shè)備的UPS或EPS,不屬于備用電源范疇,應(yīng)列入應(yīng)急電源單獨(dú)計(jì)算與配置。

　　3 數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的供電特性

　　(1) IT負(fù)載的相關(guān)供電指標(biāo)

　　數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載具有什么樣的供電特性,這是我們?cè)跀?shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮的問(wèn)題。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

　　與UPS供電系統(tǒng)相關(guān)的服務(wù)器電源指標(biāo)主要包括輸入電壓、輸入頻率、輸入電流、輸入功率、輸入功率因數(shù)等輸入數(shù)據(jù)以及輸出功率等。典型的輸入電壓范圍為AC100～240V,輸入頻率范圍為45～65Hz;隨著服務(wù)器電源技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能要求的提高,PFC技術(shù)(PowerFactorCorrected)越來(lái)越廣地被采用,輸入功率因數(shù)約為0.9;輸入電流、功率及發(fā)熱量視具體服務(wù)器而定。

　　在實(shí)際計(jì)算服務(wù)器功率時(shí)需要注意的是,服務(wù)器電源上標(biāo)注的,例如INPUT(輸入):220VAC /4A50Hz,容易讓人誤解為服務(wù)器的輸入功率就是220V×4A=880VA,就是該服務(wù)器的額定視在功率。需要特別強(qiáng)調(diào)的是,INPUT(輸入)中,220V是服務(wù)器電源額定輸入電壓,而4A指的是最大額定輸入電流能力,表征服務(wù)器電源在最低輸入工作電壓時(shí)的最大輸入電流能力。因此,直接用輸入額定電壓×輸入額定最大電流來(lái)表征額定輸入功率是不合適的,也是不正確的。

　　正確計(jì)算服務(wù)器功率的方法應(yīng)該用INPUT(輸入)功率,例如600W(MAX),這個(gè)參數(shù)才是該服務(wù)器電源的最大輸入功率,但很遺憾的是,通常服務(wù)器廠家不一定將這個(gè)參數(shù)標(biāo)識(shí)在服務(wù)器外殼上,這個(gè)參數(shù)通常只有在服務(wù)器電源銘牌上才能看到。

　　那么,接下來(lái)的問(wèn)題是負(fù)載的容量是否直接等同于服務(wù)器電源的最大功率?答案依然是否定的。

　　對(duì)應(yīng)服務(wù)器有三種工況:

　�、巽懪乒β�:指的是服務(wù)器電源銘牌功率;

　　②最大工況設(shè)置:指的是服務(wù)器系統(tǒng)工作在最大用電負(fù)荷時(shí)的耗電功率;

　�、跜PU100%利用率典型工況:CPU工作在100%利用率時(shí)的耗電功率。

　　通常服務(wù)器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%,這是因?yàn)榉��?wù)器廠家在選擇電源時(shí),放寬了大約20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%。事實(shí)上服務(wù)器正常工作時(shí)的能耗還要小于這個(gè)值。因此,在具體的設(shè)計(jì)工作中,這種裕量和工況差異也建議設(shè)計(jì)者納入考慮之中。

　　對(duì)于不同負(fù)載持續(xù)率下的額定功率或額定容量,應(yīng)換算為統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率,即設(shè)備功率Pe。IT設(shè)備功率Pe的確定,可詳參ChinaDCC發(fā)行的《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術(shù)白皮書(shū)》第3章“數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備電源用電特性”。

　　(2) IT負(fù)載電源的工作原理介紹

　　當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式,即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。

　　無(wú)論是ATX電源還是SSI電源,UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后,都必須經(jīng)四級(jí)變換,最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級(jí)變換分別為(見(jiàn)圖1):

　　第一級(jí):橋式整流器,將220V交流電變?yōu)榧s200～300V的直流電;

　　第二級(jí):高頻逆變器,將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百kHz穩(wěn)壓的高頻交流電;

　　第三級(jí):高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離;

　　第四級(jí):高頻整流器,將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

　　了解服務(wù)器電源的具體工作原理,對(duì)于我們后續(xù)進(jìn)行正確的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常必要的。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求。在數(shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載供電特性。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

　　1、高頻機(jī)UPS電源

　　高頻UPS又稱(chēng)模塊化高頻UPS，這種UPS電源主要采用采用抽屜式高智能模塊化設(shè)計(jì)，可通過(guò)增減柜內(nèi)UPS模塊來(lái)滿足功率輸出輸入及可靠性要求，具有極大的彈性，實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。具有易插拔功能，不僅可以通過(guò)增減機(jī)柜內(nèi)的模塊來(lái)滿足功率輸出及可靠性要求，只要冗余允許還可以在線進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)零維修時(shí)間。采用全數(shù)化控制技術(shù)，集中了當(dāng)今電力電子和自動(dòng)控制領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)成果，是UPS行業(yè)技術(shù)革命的一塊里程碑。

　　高頻UPS電源有體積小，重量輕;對(duì)市電電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力較強(qiáng);可以使用市電輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，使市電輸入電流的諧波含量小于5%，對(duì)市電電網(wǎng)的污染小，可以消除可聞噪聲(包括電噪聲和機(jī)械噪聲)等優(yōu)勢(shì)。

　　高頻UPS必須采用可以在20kHzUPS中工作的高頻IGBT,這種IGBT價(jià)格貴、貨源少，有嚴(yán)格的電壓、電流工作區(qū)域，抗沖擊能力差，可靠性低，故障率高。

　　2、模塊化UPS

　　從設(shè)計(jì)原理方面來(lái)講，其模塊本身就是一臺(tái)UPS電源，包括整流器、靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)及附屬的控制電路等。模塊化最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高系統(tǒng)的可靠性和可用性，一個(gè)模塊出現(xiàn)故障并不會(huì)影響其他模塊的正常工作，其可熱插拔性能夠大大縮短系統(tǒng)的安裝和修復(fù)時(shí)間。可見(jiàn)，模塊化UPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極具彈性，功率模塊的設(shè)計(jì)概念是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可隨意移除和安裝而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行及輸出，使投資規(guī)劃實(shí)現(xiàn)“隨需擴(kuò)展”，讓用戶隨業(yè)務(wù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)成長(zhǎng)”，既滿足了后期設(shè)備的隨需擴(kuò)展，又降低了初期購(gòu)置成本。用戶在預(yù)計(jì)UPS電源容量時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)低估或高預(yù)計(jì)等情況，模塊化UPS有效地解決以上問(wèn)題，幫助用戶在未來(lái)發(fā)展方向尚不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和投資。當(dāng)用戶負(fù)載需要增加時(shí)，只需根據(jù)規(guī)劃階段性的增加功率模塊。

　　模塊化UPS可以根據(jù)當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行配置，并且能夠在以后添加更多的模塊。這種系統(tǒng)的優(yōu)化能力顯著降低了總擁有成本。模塊化設(shè)計(jì)在重新配置功率以滿足不斷變化的業(yè)務(wù)需求方面，提供了極大的靈活性。在安裝、升級(jí)、重新配置或移動(dòng)模塊化系統(tǒng)時(shí)，其獨(dú)立組件、標(biāo)準(zhǔn)接口以及簡(jiǎn)單的操作既節(jié)省了時(shí)間又節(jié)省了費(fèi)用。