福清核电数据中心UPS系统可靠性分析与设计优化探究

周 娟

（福建福清核电有限公司，福建 福清 350318）

0 引 言

在福清核电数据中心内，最基本的工作内容是确保UPS系统稳定运行。为了能够实现这一目标，确保UPS系统运行的可靠性，必须对其进行优化设计。重点关注数据中心的建设水平，确保UPS系统可以高质量运行，这对整个福清核电数据中心正常工作的开展具有非常积极且重要的作用。

1 数据中心机房UPS系统的概念分析

1.1 数据中心机房布置概述

福清核电档案馆数据中心机房是为整个公司提供办公网络、语音电话等系统数据交换的物理场所。机房内设置核心网络机房、电信间以及UPS间等功能区域。核心机房主要包括的设备有服务器、路由器、网络交换机以及储存设备等；电信间为早期BA主办公楼和调试综合楼等多个子项提供电话语音设备；UPS间配置2套125 kW UPS供配电系统，系统包括模块化热插拔UPS主机柜、静态旁路和系统控制柜、输入输出总配电柜、模块化电池系统以及设备监控等。

根据不同设备使用的电源形式差异性，可以将数据中心的机房设备具体划分为单电源设备和冗余电源设备两种。对于冗余电源设备运行过程中涉及到的多个电源模块，如果其中的某一个电源模块出现问题，则会影响整个系统的运行。对于单电源设备来说只有一个电源模块，虽然可靠性较高，但是一旦发生电源问题，则会使整个系统无法正常启动与运行。

1.2 UPS系统

UPS是Uninterruptible Power Supply的英文缩写，即不间断电源，也称不停电电源，是一种含有储能装置并以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的电源设备。该系统可以为一些特定的设备提供长时间且不间断的电源支持，因此适用于对供电设备要求较高的负荷场合。福清核电档案馆数据中心机房采用双路市电供电，并配置自动与静态旁路切换且供电无间断的UPS电源，向机房内的负载提供稳压精度高、稳频、波形失真度小的高质量电源，确保核心设备由足够的后备电力支持正常的系统应急操作，因此对UPS系统供电可靠性有较高的要求。为了能够满足核电站数据中心内UPS系统稳定运行的相关条件，应根据实际情况设计多种不同的运行模式，以满足不同系统的要求，弥补各个系统之间差距较大这一电源需求，向机房内的负载提供稳压精度高、稳频、波形失真度小的高质量电源，确保核心设备由足够的后备电力支持正常的系统应急操作。核心设备运行率不低于99.99%，核心网络设备运行率则为100%。

2 福清核电档案馆数据中心UPS系统可靠性相关分析

档案馆为优化UPS电源稳定性可以结合可靠性进行分析。一般UPS系统的冗余供电模式主要包括并联单总线供电模式、双总线供电模式以及串联单总线供电模式3种。

2.1 并联单总线供电模式

实际工作中，技术工作人员可以采用并联方法，将2台或2台以上的UPS设备设置成为输出处理，从而形成N+1的冗余供电并联系统。在这种工作环境下，利用负载可以对整个系统进行供电。如果其中某一环节发生问题，UPS设备能够与整个供电联系网分离，而后针对逆变器的比例进行重新设计。在UPS系统内，并联单总线冗余模式的稳定性非常高，可以为后端提供对应的负载力。技术人员也可以根据操作流程设置负载，这样能够实现连续供电的目的。

2.2 并联双总线

在双总线供电设备中有一个静态装换开关，这样在电源出现供电故障问题时，可以切换备用电源进行应用，以保证系统运行的稳定性。从可靠性方面进行分析，双总线供电模式能够实现对多种供电模式的合理组合，有效提高供电可靠性。目前，这一供电模式在数据中心机房中具有比较广泛的应用。也就是说，这一供电模式在数据中心机房UPS供电模式中的应用可靠性相对较高，能够实现较高的应用效果。

2.3 串联单总线供电模式

采用UPS系统进行工作时，将它设置成为主机和备机两种形式，能够更好地满足冗余供电需求。就静态旁路电源来说，可以让备机正常运行，这一工作环节被称作为冗余供电需求。主机运行时，可以自由切换负载，确保其能够在主机旁路的状态下稳定运行，使备用机器可以为负载提供充足的电量。当UPS系统处于运行状态时，可以优化串联单总线这一供电模式，从而实现冗余的工作模式。在UPS系统中保存静态旁路出入口时，应充分发挥备机冗余供电具有的性能。技术人员也可以根据实际情况选择不同的产品，并针对其设计针对性的供电模式，确保二者能够互相对应。

3 档案馆数据中心机房UPS系统的设计方案以及相关功能分析

3.1 模块化SYPX 250kVA UPS供配电系统

比如，每套原装进口模块化SYPX 250kVA UPS供配电系统包括4个柜体，即强电柜、静态旁路和控制柜、功率柜、电池开关柜[1]。柜体之间连接图如图1所示。

4个柜体之间以母排或线缆相连。强电柜包括UPS系统的总输出开关、输出分配电盘、静态旁路输入开关以及手动维修旁路开关。其中，静态旁路柜中的Q1为UPS主输入开关，强电柜中的Q3为手动维修旁路开关，强电柜中的Q5为静态旁路输入开关，强电柜中的Q2为UPS输出开关，Q2后面有1个800 A配电盘，配置4个100 A开关和2个225 A开关，最多可以配16个输出分开关（63～225 A）。此外，设计了特别的适配器和监控套件，可对每个开关实现电流和状态监控。

图1 柜体之间连接图

3.2 强电柜

强电柜400 mm宽、1 070 mm深、2 000 mm高，在侧面进行操作。它含400 A UPS总输出开关、400 A静态旁路输入开关以及400 A手动维修旁路开关。800 A的输出配电盘框架，最多16个带电流监控和状态监控的输出分配电柜开关（63～225 A）。各主开关含辅助触点，互锁，并与UPS主机进行通信。

3.3 静态旁路和操作控制柜

静态旁路和操作控制柜600 mm宽，包括10英寸触摸图形显示器、系统总输入开关、静态旁路模块、2块冗余的控制模块、1个网卡、3个通信插槽以及2个冗余的控制用低压电源模块。所有模块均可热插拔更换，两条CAN BUS总线与功率柜体进行通信，形成冗余的通信和控制系统。它通过铜排与强电柜和功率模块柜连接，具有黑匣子日志功能，可存储10 000条日志。250 kVA静态旁路模块可直接插入控制柜，热插拔更换，不需要走手动旁路。配置2个冗余热插拔风机，可在线更换。静态旁路模块配置软开关，方便启动、停止或更换静态旁路模块。图形化操作非常简便，可直接查看每个模块和部件的运行数据和状态。

3.4 功率模块柜

功率模块柜600 mm宽，通过铜排与静态旁路控制柜和电池开关柜连接。它可安装10个在线热插拔25 kVA/kW功率模块，共计250 kVA/kW。功率模块为三相全IGBT功率模块，25 kVA/25 kW，含IGBT带PFC功能整流器、三电平IGBT逆变器和充电器，含与背板进行热插拔的柔性安德森连接器，含与主回路输入输出和电池母线连接的高速继电器，含2个可调速的、冗余配置的、可热插拔的在线更换的轴流风机。功率模块配置软开关，可方便启动和停止以及更换功率模块。正常情况下，每个风机能耗与噪音都非常低。

3.5 电池开关柜

电池开关柜600 mm宽，具有多功能电池保护系统，含500 A DC电池开关、保险丝、防反接二极管、2路电池温度传感器，并与EPO电路联动。铜排预留了4组电池连接电缆接口，上走线。辅助电路板和静态旁路控制柜进行通信，以随时监测电池系统的状态。注意的是，在电池间每组电池还配置了电池开关，满足南方电网在UPS侧和电池侧均配置电池开关的要求。

4 提高UPS系统可靠性的措施分析

4.1 外包策略

当UPS使用期限达到年限或者日常充放电试验时发现性能下降等情况时，需要对旧设备进行优化、改造和升级等。此提升需要综合考虑成本，选择性价比较优的方案。其中，首先需考虑是否升级现有设备，以及是否新建或外包给云/托管服务供应商（或两者兼有）。当现有数据中心拥有可用供电、制冷和空间时，决策通常显而易见。而当数据中心满负载或接近满负载时，必须对IT设备的放置地点作出决策。第171号白皮书《自建还是外包数据中心物理基础设施的考虑因素》介绍了满足新IT扩容要求的方法，并探讨了作出明智决策而必须考虑的因素。虽然10年期成本分析通常会得出升级或新建数据中心优于外包的结果，但对现金流的敏感度、收支平衡点、部署时间表、数据中心预期寿命以及其他战略因素等，也会对最终决定产生重要作用。可借助TradeOff Tool在线权衡工具13《数据中心新建与托管总拥有成本计算器》输入自有设施的属性和成本，以确定自建和将IT设备外包给零售托管供应商的10年期总拥有成本估计值。

4.2 内部设计标准评估

现代UPS系统的运行范围94%～99%，而旧UPS在相同的负载范围内为85%～92%[2]。福清核电数据中心施耐德UPS及蓄电池从2013年启用运行至今已经7年，蓄电池已经老化，原设计后备时间约10 h，目前放电测试后备时间已不足7 h，已经低于额定容量的80%，且原蓄电池的设计使用寿命为6年，已超过设计使用寿命。UPS及蓄电池制造商可提供更新部件和模块或更新改造旧UPS及蓄电池的服务，将使用寿命延长数年。

5 UPS系统的优化与建议

5.1 明确更换时间

因为蓄电池属于消耗品，有一定的寿命周期，所以需要综合考虑使用条件、环境温度等因素的影响，在到达蓄电池设计使用寿命前用新电池予以更换，充分保证电源系统安全、正常运行。

5.2 更新部件、改造旧UPS以及蓄电池服务

UPS及蓄电池制造商可提供更新部件和模块或更新改造旧UPS及蓄电池的服务，将使用寿命延长数年。这些服务通常带有质量保证（典型情况下为1年）和服务条款，能够延长传统UPS及蓄电池寿命，进一步降低运行风险。UPS及蓄电池中可以升级或更换的部件取决于制造商和型号。一般来说，UPS及蓄电池设计的标准化和模块化程度越高，可用的升级方案就越多，实施这些改进将更容易或更少断电。在UPS及蓄电池的生命周期内可以多次更换或升级部件和子系统类型。

5.3 更换部分或全部项目

一些更新部件（如逆变器模块和风扇组件）也可以提高电源效率。除了宕机风险降低之外，这种益处也应该纳入决策考虑因素。即使对于高度模块化的UPS及蓄电池系统，仍有至少从成本效益角度来看通常不需更换的组件。

6 结 论

综上所述，在核电数据中心内的UPS系统中，该系统运行的稳定性与可靠性是确保整个数据中心正常运行的基本条件。因此，在实际工作过程中，应对UPS系统的可靠性进行优化设计，在成本目标的基础上，进一步提高系统运行的安全性与可靠性。