数据中心UPS 交流电源接入方案的探讨

王东方

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 引 言

随着信息化时代的到来，数据已经成为企业和组织运营不可或缺的重要资源，为了保证数据的安全、稳定和可靠，数据中心应运而生。数据中心作为支撑互联网和信息技术的基础设施之一，扮演着越来越重要的角色。数据中心的建设和运营需要巨大的能源支持，特别是不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）供电系统的作用尤为重要。它可以在电网异常的情况下为数据中心提供电力支持，防止数据中心因电力波动、断电等因素导致的损失和影响。因此，如何接入UPS 交流电源，以确保其符合数据中心的用电需求，具有高可靠性和安全性，成为数据中心建设和运营中的一个关键问题。

1 UPS 交流电源概述

UPS 交流电源是一种用于保护设备不受电源故障和电力质量问题影响的电源设备。它通常由电池和自动稳压器组成，能够在电网停电或电压波动时提供持续稳定的电力，以确保设备正常运行，保护设备免受电源变化、电压浪涌、瞬间停电以及短暂停电等不利影响[1]。

UPS 交流电源通常由整流器、电池组、逆变器3个部分组成。整流器将市电转化为直流电能，同时用于电池充电。电池组一般为市电正常供电时可充电、市电停电时可供电的铅酸蓄电池。逆变器将直流转换为供设备和系统用的交流电。

UPS 交流电分为离线UPS、在线式UPS、在线交互式UPS 类型。市电正常供电时，离线UPS 会直接向设备供应市电，而当市电断电时，UPS 则会自动切换为备用电池供电。在市电供电时，在线式UPS 会将市电转换为直流电，并立即转换为交流电供应装置，也会将电能储存至电池组内，在市电故障时，它仍然能保持稳定输出电力，直到电池用完。在线交互式UPS 通常是在线式UPS 和离线式UPS 的混合型，它可以在市电电压波动或停电时自动切换到电池供电状态，并可以将市电的电压调整到适合设备的水平。UPS 交流电源被广泛应用于关键性电子设备，如计算机、通信系统、工业控制系统以及医疗设备等，从而在市电停电或电压波动的情况下能够正常运行[2]。

2 UPS 交流电源的特性

UPS 交流电源是一种电源设备，其主要作用是在电网电力故障或停电时，为设备提供电力，以保证设备正常运行。UPS 交流电源工作方式如图1 所示。

图1 UPS 交流电源工作方式

UPS 交流电源主要具有以下特性：一是可靠性高，UPS 交流电源通常采用双重或三重电源系统，以确保电源的可靠性和稳定性，即使主电源中断，也能及时切换到备用电源；二是稳定性强，UPS 交流电源具有电压稳定、电流稳定、频率稳定等特点，能够为设备提供稳定的电源，从而保证设备的正常运行；三是自我诊断能力强，UPS 交流电源通常具有自我诊断功能，可以监测和诊断电源的运行状态，发现问题及时修复，从而保证电源的可靠性和稳定性；四是安全保护功能，UPS 交流电源具有过电流、过电压、欠电压以及短路等多重保护功能，能够有效地保护设备和电源，避免因电力故障而造成的损坏；五是高效节能，UPS 交流电源通常采用高效节能的设计，能够提高电源利用效率，降低能源消耗，从而节省电费和运行成本[3]。

3 数据中心对UPS 交流电源的要求

数据中心对UPS 交流电源有以下要求：一是高可靠性，数据中心的业务24 h 不间断运行，因此UPS 交流电源必须具备高可靠性，确保在任何时刻都能提供稳定的电源供应，不受外界因素的干扰；二是快速响应，UPS 交流电源能够在短时间内（通常为毫秒级别）将备用电源切换到主电源，以确保在出现电源故障时，数据中心能够持续供电，从而避免资料遗失和业务中断的情况发生；三是稳定输出，UPS 交流电源输出的电压、频率等参数必须稳定，以确保服务器、存储设备等关键设备的正常运行；四是高效节能，数据中心的用电量很大，UPS 交流电源的效率和节能性非常重要，可以减少用电成本并降低能源消耗；五是可扩展性，数据中心的规模和业务需求不断变化，UPS 交流电源需具备可扩展性，可以随着业务需求的变化进行升级和扩展；六是智能化管理，UPS 交流电源需具备智能化管理功能，可以通过网络远程监控和管理，及时掌握UPS 的运行状态，提高运维效率[4]。

4 数据中心UPS 交流电源接入考虑因素

数据中心的UPS 系统在保障数据中心电力稳定供应方面扮演着重要角色。在UPS 系统的设计中，交流电源的接入方案是至关重要的一环。以下是数据中心UPS 交流电源接入的一些常见设计考虑因素：一是系统容量和负载特点，UPS 交流电源接入方案需要考虑数据中心的总容量和各个负载设备的特点，如功率因数、波动和谐度、负载特性等；二是电源选择和接入方式，根据数据中心的负载特点和电源容量，选择合适的UPS 交流电源类型和接入方式，一般有直接接入方式和分布式接入方式2 种；三是稳定性和可靠性，UPS 交流电源接入方案需要保证电源的稳定性和可靠性，确保UPS 交流电源的输出电压、频率等参数稳定，并且保证在发生异常情况时能够自动切换至备用电源；四是安全性和可维护性，UPS 交流电源接入方案需要考虑安全性和可维护性，需要满足国家安全规定，如防雷击、防电击等，电源设备的维护和检修也需要方便和可靠；五是成本和效益，UPS 交流电源接入方案的成本和效益也是需要考虑的因素，需要评估不同方案的成本、投资回报率、维护费用等，从而选择最经济、最有效的方案。

综上所述，对于数据中心UPS 交流电源接入考虑因素，需要综合考虑系统容量和负载特点、电源选择和接入方式、稳定性和可靠性、安全性和可维护性以及成本和效益等多个方面，从而制定出最优的接入方案。

5 数据中心UPS 交流电源接入方案设计

5.1 数据中心运行环境要求

（1）UPS 电源对于数据中心核心机房互联网技术（Internet Technology，IT）设备的供电质量具有非常重要的作用，不仅需要提供高品质的电源，还要求在市电停电后15 min 内为设备提供不间断电源，从而保证数据中心机房的正常运转。

（2）在大型数据中心中，单个机柜的功耗通常在4 ～10 kW（或更高）。而对于机柜数量达到150个左右的大型数据中心机房来说，假设每个机柜功耗为8 kW，其总功耗可达到1 200 kW。因此，UPS 电源要满足数据中心机房内所有设备的需求，需要有足够的容量和输出功率。

（3）UPS 电源的系统可靠性是非常重要的指标。数据中心对UPS 电源的平均无故障时间（Mean Time Between Failure，MTBF）的要求通常都比较高，要求达到250 000 h 以上（不含电池）。

数据中心机房设计对温度和湿度环境的要求非常苛刻，必须严格控制温度和湿度，使温度和湿度范围能够持续运行。通常情况下，干球温度计应该维持在20～25 ℃，相对湿度应该维持在40%～50%。同时，最大露点应该控制在15 ℃以内，最小露点应该控制在5.5 ℃以内。此外，最大变化速度不应超过5 ℃/h。

5.2 方案设计

5.2.1 UPS 电源容量选择计算

首先需要对其容量进行精确计算，以确保UPS为数据中心提供足够的电力支持。在选型时，动力用UPS 要考虑到机房空调的感性负荷，其原因是通常情况下电动机的起动电流是额定电流的5 ～7 倍。在数据中心内，动力用UPS 主要为空调水泵供电。考虑到水泵通常采用变频启动方式，动力用UPS 的基本容量需要取最大计算负荷的1.3 倍，参照《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019）[5]。机柜用UPS在容量选取时也需要考虑一定的余量，基本容量需取机柜总计算负荷的1.2 倍，参照数据中心设计规范（GB50174—2017）[6]。

机柜用UPS 容量的计算公式为

式中：Ptotal表示机房内所有机柜的总功耗，W；Kneed是需要系数，用于考虑系统的可靠性和冗余度，一般取1.0；Kmargin是余量系数，用于考虑未来的扩展和增加负载的余地，一般取1.2；PFcabinet表示机柜的功率因数。

如果单机房机柜总功耗为1 200 kW，需要系数取0.96，机柜功率因数为0.95，则UPS 容量为1 455 kVA。最终，选择6 台500 kVA 的UPS 采用2N形式，每3 台进行并机供电。

5.2.2 方案电气原理

数据中心UPS 配电系统是保障数据中心稳定运行的重要组成部分，它由多个关键设备组成，如图2所示。UPS 内部组成如图3 所示。

图2 数据中心UPS 配电系统接入图

图3 UPS 内部组成示意

交流配电系统可以将电源从电网输送到UPS 主机，蓄电池组则是在停电等突发情况下为负载提供应急电源。UPS 主机可以根据不同情况提供不同的电源支持，保障设备在市电中断等突发情况下的连续稳定运行。电动机用变频器则是为了降低启动电流而采用的设备，能使动力UPS 的容量选择更为经济。而输出配电则是将UPS 输出的电能分配到每一个负载设备上，确保它们正常运行。当UPS 发生故障时，维修旁路在线的功能能够确保负载设备不会因为停电而受到影响，同时也提供了在线维修功能，便于及时处理故障。整个系统的设计考虑到了各种可能的情况，从而为数据中心提供了可靠的电源保障。

6 结 论

UPS 供电系统是现代科学技术的重要成果，被广泛应用于现代社会的多个领域，为电力的稳定提供了重要保障。在数据中心中，UPS 供电系统的重要性更为突出。因此，需要不断进行理论研究和技术开发，以不断提高UPS 供电系统的性能和稳定性，进一步保障数据中心的供电安全和稳定。通过不断推进UPS技术的进步，可以推动社会的发展，促进数字化转型和信息化建设的加速发展。