UPS电源系统在数据中心应用分析

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2021年4月23日
N°3
前言：IDC背景与前景
前景资料：
> 随着我国信息化的深入推进，信息产业蓬勃发展和互联网用户的急剧增加 ，互联网信息平台和数据通信业务得到了广泛使用与快速增长，推动了数 据中心（IDC）建设和运营的发展高潮。
> 数据机房能源需求和能源成本的急剧增大，引起了业界的高度重视。为此 ，在规划设计数据中心（IDC）不断加大功能的同时，如何提高设备或系 统的可用性、效率、以及节约能耗，如何保障系统设备以及客户信息数据 的安全性，成为规划设计者、建设维护者和终端用户共同考虑的问题。
2021年4月23日
2000 W/m2 250Kcal/m2.h
1000 W/m2 500 W/m2
125Kcal/m2.h
N°18
参考指南：服务
维护人员
Tier I
工作时间现场 响应，其它时间按
照客户要求
预防性维护
无
设备培训计划
无
维修、维护 基础设施停机
集中的电源和场
地监测和控制系
No
统 (PEMCS)
第1 节 UPS电源系统 在数据中心的应用
UP
目录
数据中心UPS电源系统的技术规范： > 《ANSI-TIA 942》标准的规范 > 《GB 50174》标准的规范
数据中心UPS电源系统的应用案例
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2021年4月23日
N°2
前言：IDC背景与前景
背景资料：
> IDC的发展史可追朔到1997年，美国和欧洲先后开始了数据中心的建设， 最初称之为Server Farm；
电源系统 UPS + 发电机
系统冗余性
供电路径的数量
最终功率总额 W / m²
维修性
基础设施引起的 IT 年平均宕机时间
基础设施的 可用性
Tier I
单系统 非强制性
N 1
200 – 300 按照需要 28.8小时
99,671%
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电源系统的主要特征
Tier II
单系统 非强制性
N+1 1
Tier II
系统+1设备冗余
单路电源 向空调供电 冗余供电， UPS向空调供电
Tier III
空调应具有足够的 备份数量，以便在 部分电源停电或检 修时，满足关键负
载制冷的需求
多路电源形成 交错分布，向
空调供电 冗余供电, UPS向空调供电
Tier IV
空调应具有足够的 备份数量，以便在 部分电源停电或检 修时，满足关键负
楼宇集中监控
(BMS)
No
Tier II
工作时间现场响应 ，其它时间按照客
户要求
无
无 按照程序 停止设备
No
No
Tier III
24小时现场响应, 节假日电话呼叫
按照保养 合同约定 全面的培训计划 按计划不需要中 断硬件设备运行
15-20 1985
Tier IV
单独的 24小时值守
90% N 500-600 1500+
YES 100ƟkV 无 + 人为错误
15-20 1995
$2,400/m2 $11,000/kW
$2,400/m2 $20,000/kW
$2,400/m2 $22,000/kW
【ANSI/TIA –942-2005(数据中心通信基础设施标准)】：
> 由美国通信工业协会（TIA）TR- 42.2 委员分会制定、由美国国家标准学 会（ANSI）和美国通信工业协会（TIA）于2005 年4 月颁布。
> 数据中心的分类： – 小型数据中心； – 企业数据中心； – 国际互联网数据中心(IDC)。
Tier I
租赁 无要求 100% N 200-300 200-300 不需要 20% 300mm
地板承重kg/m2 (典型值)
400
市电电压
单点故障点
建设周期(月)
第一次建成的年代
建造成本 ( ±30%) 活动地板
UPS可用输出
380 很多 + 人为错误
3 1965
$2,400/m2 $10,000/kW
> 如何打造既具有高可信度又节能的绿色数据中心？数据中心的规划设计单 位、咨询服务公司、系统集成商以及机房环境的主要配套设备供应商都提 出了各自的理念，IT服务商也提出了“IT基础设施管理的解决方案”。
数据中心是“互联网的房地产”，存在着巨大的商机
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2021年4月23日
N°4
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
双路，每路
双路，每路
100%供电能力 100%供电能力 100%供电能力
Yes
Yes
Yes
24小时
72小时
96小时
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2021年4月23日
N°13
电气设计指南：UPS
Tier I
Tier II
Tier III
Tier IV
UPS冗余方式
N
N+1
N+1
2N，2(N+1)
• 单机 UPS拓扑结构
400 – 500 按照需要 22.0小时
99,749%
Tier III
单系统 强制性 每条路径N + 1 1主用，1备用
1000 – 1500 预防性+计划性
1.6小时
99,982%
Tier IV
双系统 强制性 2 (N+1) 两路同时主用
> 1500 预防性+计划性
0.4小时
99,995%
2021年4月23日
运行中允许
同时维护
No
IT和通讯设备
单路
的供电 100%供电能力
发电机与UPS 容量匹配
Yes
发电机燃油 储备(满载)
8小时
电气设计指南：总则
Tier II
1 单路供电
Tier III
1个主供电 1个备份供电
双路供电
Tier IV
2个主供电 同时供电 双路供电 来自两个变电站
No
Yes
Yes
双路，每路
•阀控铅酸电池 (VRLA) • 开口铅酸电池
每列电池组
相互隔离
No
Yes
Yes
Yes
电池满载 测试、检查
每2年
每2年
每2年
每1年
电池监测系统 由UPS集中监测
由UPS集中监测
由UPS集中监测
电池逐只监测: 温度、电压、内阻
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2021年4月23日
N°15
设计指南：UPS和电池室
检修通道的宽度 到计算机房的距离
• 非冗余并联
• 冗余并联 • 分布式冗余
• 冗余并联 • 分布式冗余 • 模块化冗余
• 冗余并联 • 分布式冗余 • 模块化冗余
UPS维修旁路
主路、旁路取自 同一路市电
主路、旁路取自 同一路市电
主路、旁路取自 同一路市电
主路、旁路取自 不同母线的
UPS专用供电
计算机和通讯设
备的专用配电柜
No
No
Yes
定义3：N+2冗余
➢ N+2冗余系统提供在满足最低需求的基础上增加两个额外的 设备、模块、路径或系统，以便在任意两个设备、模块、 路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。
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2021年4月23日
N°7
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
定义4：2N冗余
(不少于2hs)
No
No
Yes
Yes
Yes
Yes
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2021年4月23日
N°16
设计指南：精密空调HVAC的供电
水冷式： Water-Coole 冷冻水式： Chilled Water 风冷式： Air-Cooled
Tier I
无需设备冗余
空调机组的供电
单路电源 向空调供电
精密空调控制 单路电源向空调 系统的供电 控制系统供电
Tier I
Tier II
Tier III
Tier IV
各UPS采用 公共电池组
Yes
No
No
No
最小满载 后备时间
5 min
10 min
15 min
15 min
•阀控铅酸电池 电池类型 (VRLA)
• 开口铅酸电池
•阀控铅酸电池 (VRLA) • 开口铅酸电池
•阀控铅酸电池 (VRLA) • 开口铅酸电池
数据中心的基本属性
Tier II
租赁 1人可替换
100% N 400-500 400-500 不需要
30% 450mm
480
380 很多 + 人为错误
3-6 1970
Tier III
单独的 1人可替换
90% N 400-600 1000-1500
可能 80-90% 750-900mm
750
12-15kV 一些 + 人为错误
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2021年4月23日
N°6
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
定义1：N – 基本需求
冗余的定义(1/2)
➢ 系统仅满足最基本的使用需要并且没有冗余。
定义2：N+1冗余
➢ N+1冗余系统提供在满足最低需求的基础上增加一个额外的 设备、模块、路径或系统，以便在任意一个设备、模块、 路径或系统出现故障时或维修时，不影响正常运行。
第IV等级: 故障容错型（可用性99.995%）
> 系统具有冗余能力； > 具有多条供电路径同时满足系统所有设备的运行。
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2021年4月23日
N°10
楼宇类型 员工配置 关键负载使用率 初期功率总额 W / m2 终期功率总额 W / m² 不间断制冷 活动地板使用率 活动地板高度 (典型值)
> 1999年国内开始第一次大规模的IDC建设； > 2000年国外进入低谷，Uptime Institute进行理论化和系统化总结。
> 到2005年，美国出台TIA942标准，IDC走向成熟和 理性；
> 2006～2008是中国的第二 次IDC建设高潮，由专业 IDC公司向各个行业、企 业和各个领域扩展。
> 数据中心的分级： – I 级数据中心－基本型； – II级数据中心－部分冗余型； – III级数据中心－可同时维护型； – IV级数据中心－故障容错型。
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2021年4月23日
N°5
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
基本内容：数据中心通讯基础设施的最低需求(九个方面) > 基础设施体系结构； > 系统冗余和基础设施等级分类； > 环境和机械设备(HVAC精密空调)； > 电气设计； > 布线系统； > 电源管理； > 门禁和安全； > 环境控制； > 灾难防护 (火灾、洪水、台风……)
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2021年4月23日
N°8
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
第I等级：基本型（可用性99.671%）
➢任意部件的故障都将影响系统运行； ➢预防性的维护需要系统停机。
分级的定义(1/2)
第II等级：部件冗余型（可用性99.741%）
➢部分设备具有冗余的能力； ➢供电路径上的故障可能引起系统停机。
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2021年4月23日
N°9
一、UPS电源系统的技术规范：【ANSI / TIA - 942】
分级的定义(2/2)
第III等级：可同时维护型（可用性99.982%）
> 组成结构是冗余的； > 具有多条供电的路径； > 有计划的维护活动不会影响系统的运行； > 无计划的活动可能会中断系统的运行。
Tier I
无要求 无要求
防火与计算机房和 按照最低需求
其它区域分离
分离
电池室门上安装防
爆玻璃视孔
No
电池开关安装在
电池室之外
Yes
Tier II
无要求 无要求
按照最低需求 分离
Tier III
Tier IV
最小距离：1m 最小距离：1.2m
尽可能临近
按照最低需求 分离
(不少于 1h)
尽可能临近
按照最低需求 分离
Yes
负载总线同步
控制器LBS
No
No
Yes
Yes
PDU内置K-系数 变压器
是，但如果采用了 谐波抑制变压器则
可以不用
是，但如果采用了 谐波抑制变压器则
可以不用
是，但如果采用了 谐波抑制变压器则
可以不用
是，但如果采用了 谐波抑制变压器则
可以不用
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2021年4月23日
N°14
电气设计指南：电池
载制冷的需求
多路电源形成 交错分布，向
空调供电 冗余供电, UPS向空调供电
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2021年4月23日
N°17
设计指南：精密空调HVAC
温度与温升时间的关系（分钟） 55℃ = 停机
500Kcal/m2.h
平均机房温度 [°F]
37.7ºC
无冗余系统停机后的时间（分钟）
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冗余的定义(2/2)
➢ 2N冗余系统提供两套完整的设备、模块、路径或系统，
每一套设备、模块、路径或系统都能够满足系统的基本
需求。其中的一套设备、模块、路径或系统出现故障时
或维修时，都不会影响正常运行。
定义5：2(N+1)冗余 ➢ 2 (N+1)冗余提供两套完整的(N+1) 设备、模块、路径或 系统，即使一套设备、模块、路径或系统出现故障时或 维修时，都不会影响正常运行。
N°12
“9”的 位数
1 2 3 4 5 6 7
可用性
90% 99% 99.9% 99.99% 99.999% 99.9999% 99.99999%
年平均 宕机时间
36.5 天 3.7 天 8.8 小时 52.6 分钟 5.3 分钟 31.5 秒钟 3.15 秒钟
供电路径数量
Tier I
1
市电引入 单路供电