IDC機房高可用性雙總線供電結構的技術研究
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近年來，由于UPS系統的冗余不一定全部解決配電系統的單電源瓶頸，追求數據中心機房（IDC）的供配電系統高可用性越來越被人們重視。然而，隨著供配電器件的安全系數和參數定義發生翻天覆地的變化，讓建設下一代高可用性IDC機房的供電系統成為可能。本文就上海電信某投產近10年的IDC機房配電系統改造實例，談談單電源回路系統實現在線改造為雙總線供電結構的方案，以研究舊配電系統合理改造的有效途徑，從而為高可用IDC機房的供電方案做有益的探索。
二.實例分析
1. 上海電信A機房作為IDC數據中心始建于2001年初，其機房基礎設施概況見下表1：
機房區 面積 | 機架 數量 | 電力區 面積 | UPS配置 | 理論后備時間 | 市電配置 | 空調 數量 | 制冷量 |
570m2 | 237只 | 150m2 | 12P-300KVA*2+1 | 36min | 2*1600KVA | 17臺 | 約900kw |
2. 業務概況：該機房主要業務為大型游戲網站及其計費系統、教育及政府性的信息網站。
3. 原UPS設備及負載參數的情況見下表2：
空調能耗功率 | UPS輸入 | UPS輸出 | Ups效率 | 空調能效比 | ||||||||
視在 功率 | 有功 功率 | THDU | THDI | COSΦ | 視在 功率 | 有功 功率 | THDU | THDI | COSΦ | |||
310KW | 580kva | 420kw | 3.4% | 7.4% | 0.72 | 425kva | 349kw | 0.6% | 17.1% | 0.82 | 73% | 0.89 |
4. 原蓄電池的配置見下表3：
電池品牌 | 電池規格型號 | 電池總數 | 單UPS配置方式 | 現負載下支撐時間 | 出廠時間 |
GNB-S6 | 6V-180Ah | 576節 | 3*64=192 | 小于25min（實測） | 01年3月 |
對電池總體情況評價：電池運行超過8年后，其溫升、漏液、內阻增大或開路、短路等現象時有出現，所以，將電池全面淘汰更新勢在必行！
5. 故障分析：該機房自2001年投入運行到2007年，未發生過具有重大影響的電力事故，但08年以來，以UPS為主的電力事故不斷。其事故的表面原因，多為UPS設備及電池老化、性能下降、輸配電器件誤動作等引起的故障，但究其實質還是單電源、單回路的配電結構沒有對負載形成真正的冗余回路所致，并由此使小故障升級為大事故。
三.舊系統的結構及缺陷
1. 舊系統的配電回路結構簡圖（圖1）：
圖1
2. 單路徑的缺陷分析：從上圖1可看出，該機房UPS的整個供配電回路結構上存在著嚴重的單點故障隱患，分析如下：
1) ATS1的單點性：從市電輸入側看，雖然市電1、2形成了雙路輸入，但ATS1就是一個單點故障點，一旦其故障，油機能支撐的時間和可靠性便讓人擔憂；
2) ATS2的單點性：雖然由ATS1轉換后的兩路市電與柴油機組通過ATS2形成了有效的回路備份，但ATS2的單點故障性將使3路電源的備份形同虛設；
3) UPS總輸出開關柜的單點性：雖然在UPS輸入柜中的各分機主輸入和旁路輸入端都都設置了分路開關，看上去與2+1的UPS設備已經形成了有效分路備份，但卻在總輸出開關柜中將所有UPS的輸出通過母排并接在一個總容量為1250A的電子開關（K1）的上樁頭，無疑是一個致命的單點故障點，如果該開關故障或者誤動作，將會使整個的后端負載失電（08年其中一次大的斷電事故便是由此開關受諧波干擾后誤動作引起的）；
4) 下游的單點性：從UPS總輸出柜K1的下端直至機房內的配電尾端——機架，可以看出所有的路徑均是單路徑的單點配電結構，其中任何一個中間器件故障都會影響其下級設備的正常運行，只是不同點位的故障影響范圍有所區別罷了（一般情況下，開關故障需要更換時，還影響其上級配電，否則就必須帶電操作）；
3. UPS設備老化的缺陷分析：從表2數據輸入功率因數0.77，輸入輸出效率73%可知，其UPS的運行參數已遠遠偏離了其高效節能的合理區間。該UPS設備在日常運行中，時常出現誤告警、實際運行參數和顯示參數不一致、誤轉或拒轉旁路、逆變器IGBT擊穿、交直流電容泄露等嚴重的故障現象，所以更新該套UPS設備也屬必然！
4. 下走線的缺陷：該機房服務器裝置在機架內，采用活動地板下走線、下送風、上回風的送風方式，線纜嚴重制約了空調的制冷和送風效果，致使空調系統的能效占比高、效率低（表2數據中，空調能耗與UPS有功輸出比為0.89），從節能減排的角度出發，對本系統改造下走線為上走線，避免空調送風與線纜沖突也是迫切需要的。
四.改造方案解析
1. 改造目標：
? 將低效能的舊UPS及蓄電池系統在線更新；
? 將單回路供電模式改造為雙總線結構的供電模式；
? 地板下綜合布線的走線方式改為上走線方式；
2. 改造原則：改造全過程不能中斷或影響業務的正常運行，盡量利用原系統的輸入輸出配電柜和可用線路，節約投資；
3. 高可用雙總線結構的UPS供電系統：
目前，業內比較流行和公認的“高可用雙總線UPS供電系統”結構由三部分組成：
? 前級輸入：兩路以上的市電（AC）、油機（M）及適當數量的ATS組成的輸入配電系統，系統組成為（2*AC+M）*ATS；
? 不間斷電源設備：采用2*N或2*（N+1）UPS+電池系統，組成不間斷供電系統；
? 后級輸出：由若干數量的靜態開關組成的不間斷自動切換裝置，內容為K*STS。
對于不同的機房系統，其三級組成結構會稍有差異，系統的冗余度、冗余結構和冗余形式也各不一樣，不同的冗余方式會直接影響系統的投資和系統的可用性。但其基本的結構形式示意圖大致如下圖2：
圖2
4. 改造方案（備注：紅色線代表市電1、綠色線代表市電2、黑色線代表柴油機電力）：
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