1 电力负荷的分级及其意义

　　根据国标GB50052-2009《供配电系统设计规范》的要求,电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电时,对人身安全、经济损失所造成的影响程度进行分级,负荷分级主要是从安全和经济损失两个方面来确定,安全包括了人身生命安全和生产过程、生产装备的安全。为此,国标GB50052-2009将负荷进行如下定义与分级:

　　(1)符合下列情况之一时,应视为一级负荷

　　①中断供电将造成人身伤亡时;

　　②中断供电将在经济上造成重大损失时;

　　③中断供电将影响重要用电单位的正常工作时。

　　一级负荷应由双重电源供电,即负荷的电源是由两个电路提供的,这两个电路就安全供电而言,被认为是互相独立的,当一路电源发生故障时,另一路电源不应同时受到损坏。

　　在一级负荷中,当中断供电将造成重大设备损坏或发生中毒、爆炸或火灾等情况的负荷,以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷,应视为一级负荷中特别重要的负荷。

　　给一级负荷中特别重要的负荷供电,应符合下列要求:

　　①除应由双重电源供电外,还应增设应急电源,并严禁将其它负荷接入应急供电系统。

　　备用电源与应急电源是两个完全不同用途的电源。备用电源是当正常电源断电时,由于非安全原因用来维持电气装置或其某些部分正常运行所需的电源;而应急电源,又称安全设施电源,是用作应急供电系统组成部分的电源。此条是从安全角度考虑,其目的是为了防止其它负荷接入应急供电系统。

　　②设备的供电电源的切换时间,应满足设备允许中断供电的要求。

　　(2)符合下列情况之一时,应视为二级负荷

　　①中断供电将在经济上造成较大损失时;

　　②中断供电将影响较重要用电单位的正常工作时。

　　二级负荷的供电系统,宜由两条线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时,二级负荷可由一路6kV及以上专用的架空线路供电。

　　(3)不属于一级和二级负荷的,应视为三级负荷

　　通过上述用电负荷分级,可正确地界定不同等级的负荷对供电可靠性的要求,以便恰当地选择符合实际水平的供电方式,提高投资的经济效益,保护人员的生命安全。有必要强调的是,规范中对特别重要负荷及一、二、三级负荷的供电要求是最低要求,工程设计中,用户可以根据其本身的特点确定其供电方案。

　　2 数据中心负载的供电分级与UPS配置

　　数据中心作为现代电力系统的重要而特殊的负荷之一,其供电保障方式的配置必须既符合GB50052-2009的要求,又必须满足GB50174-2008的定义及条款要求,其对应关系如表1所示。

　　数据中心通过UPS供电的负载一般分为三类:无人区机房的IT设备、有人区机房的IT设备及机房基础设施设备等。其中:

　　①无人区机房的IT设备包括小型机、服务器、存储、网络通信和介质存储等;

　　②有人区机房的IT设备包括总控中心机房设备、研发机房设备、测试机房设备及OA系统设备等;

　　③UPS供电的应急照明系统、消防控制及撤离指示系统、机房空调风机、楼宇监控系统、综合布线系统等。

　　无人区机房IT设备的UPS供电可参照GB50174-2008的分级标准来配置,有人区和基础设施区负载的UPS供电通常参照B级或C级来配置。此外,UPS配置还应满足:

　　①除主机房外,辅助区、支持区和行政管理区IT设备,宜单独计算与配置,避免多区域共用一套UPS系统;若不得不共用时,应为非主机房外的设备设独立回路,并采取完全选择性保护的措施;

　　②调水泵、空调风扇等非IT设备的UPS,应单独计算与配置;

　　③消防、监控、安防等与生命安全相关设备的UPS或EPS,不属于备用电源范畴,应列入应急电源单独计算与配置。

　　3 数据中心IT负载的供电特性

　　(1) IT负载的相关供电指标

　　数据中心IT负载具有什么样的供电特性,这是我们在数据中心UPS备用电源配置时,需要首先考虑的问题。而服务器是数据中心IT负载中占比最大的设备,所以服务器电源的供电特性是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点。

　　与UPS供电系统相关的服务器电源指标主要包括输入电压、输入频率、输入电流、输入功率、输入功率因数等输入数据以及输出功率等。典型的输入电压范围为AC100～240V,输入频率范围为45～65Hz;随着服务器电源技术的发展以及节能要求的提高,PFC技术(PowerFactorCorrected)越来越广地被采用,输入功率因数约为0.9;输入电流、功率及发热量视具体服务器而定。

　　在实际计算服务器功率时需要注意的是,服务器电源上标注的,例如INPUT(输入):220VAC /4A50Hz,容易让人误解为服务器的输入功率就是220V×4A=880VA,就是该服务器的额定视在功率。需要特别强调的是,INPUT(输入)中,220V是服务器电源额定输入电压,而4A指的是最大额定输入电流能力,表征服务器电源在最低输入工作电压时的最大输入电流能力。因此,直接用输入额定电压×输入额定最大电流来表征额定输入功率是不合适的,也是不正确的。

　　正确计算服务器功率的方法应该用INPUT(输入)功率,例如600W(MAX),这个参数才是该服务器电源的最大输入功率,但很遗憾的是,通常服务器厂家不一定将这个参数标识在服务器外壳上,这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到。

　　那么,接下来的问题是负载的容量是否直接等同于服务器电源的最大功率?答案依然是否定的。

　　对应服务器有三种工况:

　　①铭牌功率:指的是服务器电源铭牌功率;

　　②最大工况设置:指的是服务器系统工作在最大用电负荷时的耗电功率;

　　③CPU100%利用率典型工况:CPU工作在100%利用率时的耗电功率。

　　通常服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%,这是因为服务器厂家在选择电源时,放宽了大约20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的能耗还要小于这个值。因此,在具体的设计工作中,这种裕量和工况差异也建议设计者纳入考虑之中。

　　对于不同负载持续率下的额定功率或额定容量,应换算为统一负载持续率下的有功功率,即设备功率Pe。IT设备功率Pe的确定,可详参ChinaDCC发行的《数据中心供配电系统技术白皮书》第3章“数据中心IT设备电源用电特性”。

　　(2) IT负载电源的工作原理介绍

　　当前IT负载内部的输入电源模块基本采用两种制式,即ATX标准和SSI标准。

　　无论是ATX电源还是SSI电源,UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后,都必须经四级变换,最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压,提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”使用。这四级变换分别为(见图1):

　　第一级:桥式整流器,将220V交流电变为约200～300V的直流电;

　　第二级:高频逆变器,将直流电再转换成几十到几百kHz稳压的高频交流电;

　　第三级:高频隔离变压器,将高频交流电降压并隔离;

　　第四级:高频整流器,将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(或5V、3.3V)输出。

　　了解服务器电源的具体工作原理,对于我们后续进行正确的供电系统设计是非常必要的。

　　4 结束语

　　数据中心作为现代电力系统的重要而特殊的负荷之一,其供电保障方式的配置必须既符合GB50052-2009的要求,又必须满足GB50174-2008的定义及条款要求。在数据中心UPS备用电源配置时,需要首先考虑数据中心IT负载供电特性。而服务器是数据中心IT负载中占比最大的设备,所以服务器电源的供电特性是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点。

　　UPS经过检查,有过载和变换器故障报警。经过测试后,启动UPS运行正常,UPS设备没有损坏。电池柜分为五层,其中四层放置电池,一层放置电池开关。电池组检查,共有4块电池损坏,发生在电池柜内同一层(第三层)。设备投入生产几个月,现场分析,电池底部开裂使电解液流出造成电池回路与地短路。

　　②某科研单位的一台200kVAUPS,一块电池爆炸,造成UPS内部起火,将UPS烧坏。

　　2 事故分析

　　在UPS设计和施工安装时,通常是将电池架或电池柜的架体与地线连接,以保证电气安全。可是当电池外壳开裂电解液流出时,会造成电池对地线构成回路,致使发生电池组和UPS故障,甚至严重故障。

　　当电池漏液不严重时,会造成整流器电流过载,整流器关闭,逆变器停机,UPS转旁路工作,不会造成断电。一般情况下清除故障,并且更换新电池后,设备可以恢复正常工作。但电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地的短路,就会造成大事故。

　　下面按不同电路和拓扑结构,对造成事故的因果关系进行分析。

　　(1) SCR结构整流器

　　SCR结构整流器的原理图如图2所示。

　　当电池漏液严重,并且电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路,发生因电流太大致使整流器的SCR被击穿,无法关闭回路,引起交流电流流入直流系统,造成电解电容器(Cx)损坏,并使电解电容器的电解液喷出,因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大使其损毁,严重时设备内部发生着火。

　　SCR整流器(相控),都是角形工作方式,当全波整流时，标准电压380V整流得到540V左右的直流电压。而当电池组中间某一点与地线短路，增加新的电流回路(如图2中的实线电流所示)，则整流器的接线方式就变成星形工作方式，而整流器输出为622V左右的直流电压，这种升压的结果将造成电池组和电解电容器过压，进而引起严重的过电流。SCR击穿后将无法关闭整流器，并且交流电流会流入直流电路中，这就会使电池因过电压充电而损坏甚至起火或爆炸。直流电解电容器也会因电压升高而损坏，并使电解电容器的电解液喷出，因电解电容器中电解液的导电性引起UPS内部电气的短路,故障扩大，致使其损毁,更严重时设备内部着火。

　　(2) IGBT结构整流器

　　IGBT结构整流器的原理图如图3所示。

　　图中TB1、TB2、TB3构成整流电路,C1x和C2x为滤波电容器,提供直流供电,而TB4构成一个Buck/Boost电路结构,电路在市电正常时供给电池组充电(电路工作在Buck方式)。当市电故障时,电池组向C1x和C2x供电,并保障直流母线电压的稳定(电路工作在Boost方式)。

　　在市电正常工作情况下,电池漏液严重并有电池内部极板、板栅出问题,造成对地短路时,增加了新的电流回路(如图3中的实线电流所示),就会有大电流经过TB4(电路工作在Buck方式),LM检测到超过设定电流时,将会通过控制逻辑电路关闭TB4中IGBT的工作,使其构不成电流的回路。从而降低电池组和UPS设备损坏的程度。

　　在电池漏液严重造成对地短路时,因TB4的二极管的存在,电池组与逆变器及滤波回路放电回路构成电流通路,因此在一些UPS制造商设计时考虑到此,设计输入/输出及电池开关时采用接触器或空气开关安装脱扣器,便于电路异常时,分断回路,保护设备的安全。在电路中有异常时,有效地转换到旁路工作,不使后端负荷设备断电。这样的设计可以对UPS进一步进行保护。

　　3 电池架或电池柜安装问题

　　为电气和人身安全考虑,所有的电气设备外壳均接地线。下面提供几种电池架或电池框的安装方式。处理好电池安装及运行维护保养的工作很重要。

　　①早在上世纪70年代引进的UPS配套的电池柜,每四块电池固定在一个电池托盘(绝缘材料制成)。这样,电池致使产生漏液也不会造成对地短路的问题。

　　②XX国大使馆的UPS电池柜的每层托板为绝缘材料制成,电池不与金属架体接触,有效地解决了电池漏液所造成的对地短路问题。

　　③多数供应商和一些使用者,因各种原因将电池直接放在铁架上,这样一来,电池漏液或电池的短路开裂,会使电池组的部分电极与地线连接,造成事故。

　　④也有电池架体上放置绝缘材料或架体不接地线。