传统的数据中心配电架构

　　在传统的配电系统当中，数据中心的主进线先至配电柜(配电柜一般额定功率为50~500kW)，配电柜一般配有大型电力变压器用以转换电压或改善电力质量。然后，配电柜将主进线分配成一定数量的分支电路(一般额定功率为1.5~15kW)为IT设备配电。每台IT机柜使用一条或多条分支电路。IT机柜的布线通常要求使用硬管或软管，一般部署在高架地板之下。

　　在传统的配电系统推出之时数据中心内仅有数量非常少的大型IT设备。那时，除了对IT设备进行重要升级时执行计划宕机外，很少会对此进行变更。

　　面临的挑战

　　当下，数据中心用电方面已然发生了巨大变化，特别是面临着功率密度升高、独立IT设备数量不断增加、需要在现有IT设施部署的基础上添减设备等难题，而这些难题给传统的配电系统带来了很大的挑战。较之过去数据中心内寥寥数个大型IT设备，现代数据中心内可能装有上千台带有独立电源线的插接设备，这就需要更多的电源插座。

　　在数据中心生命周期内，机柜内的IT设备更换频繁，常常需要更改功率或在机柜处增减插座。由于功率需求的变化，处于运作中的数据中心时常要在不*附近IT负载的情况下添加电路。单位机柜功率密度显著提高，单位机柜内部的支电路数量也相应增多，大量电线导管充塞地板下的通风空间，会导致气流阻塞，也加大了更改布线的难度。分支电路断路器连接的IT设备数量常常远不只一台，这就很难估算分支电路尺寸或判断是否临界过载。现代数据中心普遍安装双路供电系统，必须确保所有电路负载均不超过50%.

　　然而，目前尚没有任何办法对其进行监控或规划。虽然人们已经普遍意识到了这些问题，市场上也出现了各种相应的产品，但由于仍使用了传统的配电架构，导致一些新建的数据中心处于以下窘境：数据中心操作员不得不带电更换电路(热作业);操作员无法判断哪些电路临界过载，或当一条电路断电时哪些电路可能过载;地板下的供冷空间被大量的缆线阻塞，减少了现代IT设备的通风量;配电柜的占地面积过大，对地板承重能力要求过高;由于没有足够的分支电路，配有大型变压器的配电柜无法得到充分利用;配有大型变压器的配电柜产生大量废热，必须对其制冷，导致数据中心效率降低。

　　优化配电架构以应对数据中心发展需求

　　优化目标

　　通过优化，可打造高效、可扩展、可重新配置的数据中心配电架构，其具备以下特征：可在运行的系统中安全新增或变更电路;无需在地板下敷设缆线;可对所有的电路功率进行监控;可远程监控所有断路器状态;可随时对IT区域或相关配电区域进行部署;IT机柜仅通过一根线缆满足所有功率需求;IT人员可自行更换使用IT机柜上的插座型号;可对每条支电路的容量及冗余进行管理;无需使用过量的铜线;效率高。

　　大型数据中心场景

　　对于较大的数据中心，在安装一组机柜时，小型的模块化配电柜也会被同时安装，并插接上方的母线槽。不同于传统断路器面板的导线线头事先未经过处理，模块化配电柜使用的是安装有预先端接防电击断路器模块的背板。模块化配电柜内起初并未安装分支电路模块。从模块化配电柜到IT机柜的电源电路均使用软线缆连接，这些线缆需在现场插接到模块化配电柜的正面，以满足每台机柜的不同需要。IT机柜的分支电路线缆为预先端接，同时配有可插接模块化配电柜防电击背板的断路器模块。对于需要使用专门分支电路的设备而言，例如大多数的刀片服务器，一根配电柜线缆内含有1～3个分支电路，这些线路直接插接刀片服务器，无需额外机柜级配电柜(比如配电盘)。当机柜内的设备进行混合部署时，可使用提供额定电流且可更换插座的机柜式配电柜。在该系统中，新增IT机柜行配备有配电柜以及所有配套分支电路电线、条形机柜插座，可在1h内安装完成，无需任何切线或端接操作。

　　小型数据中心场景

　　300kW以下的小型数据中心可采用简化架构，其组成元件及工作原理与大型数据中心相同。对于只允许使用一到两个配电柜的小型数据中心，用传统导管及电线将模块化配电柜直接连接至关键母线的方法往往更加经济。小型数据中心也可以采取一种更为简化的方案，即将模块化配电柜直接集成于UPS系统，构成一个可安放于IT房间并与IT机柜排成一行的紧凑部署方案。这样便可省去利用主母线布线环节，同时也无需额外准备电源安置空间。至于很小的数据中心或形状不规则的数据中心，采用小型模块化配电单元则极为适合。

　　改造、升级应用场景

　　现有数据中心的升级往往涉及许多个数据中心项目，扩容或安装高密度区域项目是其中最为普遍的。相比安装传统配电柜，模块化配电系统的安装过程要来得简单方便许多，尤其适用于这些改造项目。在为现有数据中心安装新的传统配电柜时会面临一连串挑战，而模块化配电系统却可将多数的挑战难题一并“解决”。随着数据中心的发展，模块化配电柜可与现有传统配电柜共处运行。在这些改造方案中，传统配电柜的安装常常受限于各种历史局限，不使用吊顶母线槽元件，每个配电柜均由传统管道及电线连接至主母线。模块化配电柜在升级传统数据中心时最重要的优势为：由于线缆均置于吊顶线缆槽之内，其安装不会加剧地板下气流阻塞现象。

　　配电监控

　　在数据中心配电系统中，可能有数以百计的断路器处于负载状态。而经过优化的配电系统采用更高容量的机柜供电，其断路器数量较之一般系统减少20%～40%.即使这样，系统中仍存在诸多电路，这些电路可分为4个级别：UPS主母线、配电柜输入、分支电路、插座。模块化配电系统采用内置电流及能源监控，可对各个级别的每条线路做到了如指掌。除此之外，配电柜的分支电路断路器也处于监控之中，以便实时掌握其工作状态。所有监控均通过简单网络管理协议(SNMP)公开标准协议进行通讯。容量管理软件可对系统中每条电路实施监控，增强安全系数，验证冗余并对现有容量进行确认。①XX企业的二台30kVAUPS,电池是12V/65Ah,其中一台发生电池起火冒烟。烟雾非常大,整个配电室全是烟雾,电气工作人员带防毒用具进入配电室进行操作,因未见明火,消防队到现场没有处置,由电气工作人员进行操作,用风机排烟。现场情况是UPS转旁路工作,有几块电池烧坏。图1为电池烧坏的场景。

　　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。

　　4 结束语

　　随着时代的进步,电路的设计更加先进全面,但像电池漏液与地构成短路这种小概率的事故也要重视。否则,发生事故会造成很大的损失。为此,提出如下建议:

　　①在设计方案时,把这些因素考虑进去,可以从绝缘和电气控制保护等多种方法并用,特别是大型数据中心,更要重视;

　　②电池的老化是事故的主因之一,控制好电池工作的环境温度,使电池不要因温度过高而提前老化,订好制度提前进行更换;

　　③重视运行保障工作,对所用设备功能了解清楚,电池底部的漏液不易发现,细小的变化会引发大的故障。