市电与模块化UPS双路直供技术的应用

顾 超

（宁夏通信规划设计院有限责任公司，宁夏 银川 750011）

0 引 言

为降低数据中心电源系统建设维护成本，在数据机房建设中引入新的市电直供供电系统。该供电结构中，主用供电分路使用市电直接供给服务器电源单元设备，热备供电分路使用UPS作为保障供电电源。从国内外数据中心的发展来看，市电直供技术已经获得了大量应用。

随着数据中心中市电与UPS直供技术应用的成熟，通信运营商设备池化，一类市电通信机房日益增多，通信机房的用电成为企业的沉重负担。市电与UPS直接给设备供电是一个可选方案，能够大大减少通信电力系统的能耗，同时减少企业电力系统投资，提高电力机房的空间利用率[1]。

1 应用背景

1.1 特色业务需求

宁夏某运营商全区新增宽带CDN业务。CDN的全称是Content Delivery Network，即内容分发网络[2]。CDN是构建在网络之上的内容分发网络，依靠部署在各地的边缘服务器，通过中心平台的负载均衡、内容分发和调度等功能模块，使用户就近获取所需内容，降低网络拥塞，提高用户访问响应速度和命中率。在可靠性上，CDN在结构上实现了多点冗余，即使某一个节点由于意外发生故障，对网站的访问也能够被自动导向其他健康节点进行响应。

依据CDN业务部署，银川作为核心节点，其他四地市分别为边缘节点。五个地市新增服务器用电均为交流，但是地市老局通信UPS系统容量无法满足中期业务需求，需新增UPS配电系统。

1.2 节能降耗

根据国家相关规范要求，数据中心全年平均PUE值应降低到1.5以下。目前，区内通信机房的PUE值在1.8左右。以区内某个通信机房（业务负载功耗400 kW）为例，PUE值每降低0.1，年省电约25万元。降低PUE指标主要考虑两个方面：一是提升空调的运行效率，积极推广使用水冷空调，进一步提升机房装机率；二是提升机房内UPS和通信电源的效率（本文重点介绍UPS效率）。具体UPS系统配置效率，如图1所示。

图1 系统配置与系统效率对应图

用户在预计UPS容量时，时常会出现低估或高估情况。模块化UPS电源可有效解决以上问题，帮助用户在未来发展方向尚不明确的情况下分阶段进行建设和投资。当用户负载需要增加时，只需根据规划，阶段性地增加功率模块。

从设计和工作的原理方面来讲，模块化UPS包括整流器、逆变器、静态旁路开关、附属的控制电路和CPU主控板等[3]。模块化最大的优点是能够提高系统的可靠性和可用性。任何一个模块出现故障，并不会影响其他模块的正常工作，且可通过热插拔特性缩短系统的安装和修复时间。此外，模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性，也为用户的投资起到了很好的保护作用。

1.3 运营保障

任何种类的UPS，不管是传统的在线双变换交流UPS，还是谷歌的12 V挂电池，亦或是facebook开放平台的48 V定制电源，原理都是利用电池做好市电掉电下的掉电保护，差别只是实现方式的不同。当然，UPS的作用不仅是实现掉电保护，而且能滤除电网的电压抖动、脉冲和浪涌等。每一个服务器电源出厂需要在各种极限情况下做各种测试，规范和标准要求IT设备电源需要满足各种恶劣电网下的适应性、防雷、浪涌和闪断等测试，从技术上保证正常情况下市电供电没有问题。近年来，随着国家电网配电系统的进一步优化完善，供电质量进一步提升，特别是城市的配电电网供电质量越来越高。正常市电各项指标均可满足设备的可靠运行，完全可以直接给设备供电。

众所周知，电路越简单越可靠。串接在供电路径上的UPS自身也是个故障点，有太多在市电正常时因UPS自身故障而导致机房设备停电的案例。因为UPS电容只有5年寿命[4]，漏液短路或者大电流下会爆炸燃烧，加上需要相同频率、相位和幅度等复杂的并机，经常会出现问题。若采用2N甚至2（N+1）的冗余配置，系统效率很低，投资成本太高。假如能够提出一种新的供电结构做好市电供电下的掉电保护，那么就可以省略UPS冗余配置环节。

2 应用案列

2.1 工作原理

本期试点选取固原老局（CDN边缘节点，多点冗余）。该局市电等级为一类市电，低压配电系统配置后备柴油发电机组（15 min自启动）。

新增CDN服务器支持双路供电，安装在4楼CDN专用机房交流通用标准机柜，机柜配置A/B路引电，A路备用-UPS供电，B路主用-市电直供。具体供电系统结构，见图2。

图2 供电系统结构图

2.2 系统配置

2.2.1 模块化UPS系统配置

CDN初期交流用电需求30 kW，中期60 kW，远期100 kW。本期模块化UPS系统容量依据GB 50174-2017《数据中心设计规范》8.1.7条规定，不间断电源系统的基本容量计算为[5]：

其中，E为不间断电源系统的基本容量（kW/kVA），P为电子信息设备的计算负荷（kW/kVA）。

计算的本期模块化UPS系统远期容量不低于120 kW，但需大于140 kW。考虑到后续业务发展的不确定性，设备集成化，功耗需求越来越大，考虑冗余。

本期新增1台200 kVA模块化UPS架体，满配4×50 kVA模块。根据近期30 kW需求，模块N+1配置，配置2块50 kVA模块。依据该运营商企业标准，UPS后备电池时间配置（30 min）。

一楼电力室新增1架模块化UPS、1架交流输出屏和2组后备蓄电池组，占用400 A低压抽屉2路。

2.2.2 市电引入配置

现场高低压配电室与4楼CDN专用机房距离超过100 m，便于后期加电和电缆敷设。在4楼机房，新增1架市电分配屏（图中交流列头柜2）。依据远期100 kW用电需求，本期市电列头柜配置250 A塑壳开关，由1路250 A低压抽屉直接引接。

2.3 系统在网运行

市电与模块化UPS系统与2018年3月投产，系统运行正常。目前，业务负荷较低，6月现网负荷情况详见表1。

表1 系统现网负荷情况表

3 应用分析

3.1 节投资分析

采用市电与模块化UPS系统双路直接供电（下文简称该系统），可少投资1套200 kVA-UPS系统（包含主机、配电屏及蓄电池组）。按照运营商集采标准配置价格，约节少投资25万元。

3.2 节空间分析

采用该系统，电力室可节省1套200 kVA-UPS系统安装空间。依照现有机房配置空间计算，预计可节省20 m2安装空间，同时可以节约配套空调设备安装面积，可少占用1路低压配电系统400 A抽屉开关[6]。

3.3 节成本分析

（1）依据现网系统运行负荷计算，考虑现有UPS输出负荷/UPS输入负荷（只考虑有功），得出UPS实际运行效率为0.83；

（2）市电现有负荷÷0.83（折合UPS输入负荷）-市电负荷=1.6 kW（1 h）；

（3）中期、远期计算效率选取0.83，预测负荷按照市电、UPS各50%计算；

（4）电费按照0.7元/（kW·h）计算。

具体计算结果见表2。

采用该系统，系统节电率在10%以上，远期负荷情况下，一年节约电费8万元。

表2 节电分析表

4 结 论

综上所述，在一类局房电力室空间不足、投资成本控制、节能减排方面，市电与模块化UPS双路直供技术具有推广意义，可促进运营商降本增效。但是，运营商业务种类繁多，保障等级不同，关于市电直供无相关国家、行业规范要求，直供配电系统配置仍有很大改进空间，节能降耗还可进一步提高。