1 電力負(fù)荷的分級(jí)及其意義

根據(jù)國標(biāo)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電時(shí),對(duì)人身安全、經(jīng)濟(jì)損失所造成的影響程度進(jìn)行分級(jí),負(fù)荷分級(jí)主要是從安全和經(jīng)濟(jì)損失兩個(gè)方面來確定,安全包括了人身生命安全和生產(chǎn)過程、生產(chǎn)裝備的安全。為此,國標(biāo)GB50052-2009將負(fù)荷進(jìn)行如下定義與分級(jí):

(1)符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷

①中斷供電將造成人身傷亡時(shí);

②中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成重大損失時(shí);

③中斷供電將影響重要用電單位的正常工作時(shí)。

一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電,即負(fù)荷的電源是由兩個(gè)電路提供的,這兩個(gè)電路就安全供電而言,被認(rèn)為是互相獨(dú)立的,當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí),另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞。

在一級(jí)負(fù)荷中,當(dāng)中斷供電將造成重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸或火災(zāi)等情況的負(fù)荷,以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷,應(yīng)視為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

給一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電,應(yīng)符合下列要求:

①除應(yīng)由雙重電源供電外,還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源,并嚴(yán)禁將其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

備用電源與應(yīng)急電源是兩個(gè)完全不同用途的電源。備用電源是當(dāng)正常電源斷電時(shí),由于非安全原因用來維持電氣裝置或其某些部分正常運(yùn)行所需的電源;而應(yīng)急電源,又稱安全設(shè)施電源,是用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源。此條是從安全角度考慮,其目的是為了防止其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

②設(shè)備的供電電源的切換時(shí)間,應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。

(2)符合下列情況之一時(shí),應(yīng)視為二級(jí)負(fù)荷

①中斷供電將在經(jīng)濟(jì)上造成較大損失時(shí);

②中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作時(shí)。

二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng),宜由兩條線路供電。在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時(shí),二級(jí)負(fù)荷可由一路6kV及以上專用的架空線路供電。

(3)不屬于一級(jí)和二級(jí)負(fù)荷的,應(yīng)視為三級(jí)負(fù)荷

通過上述用電負(fù)荷分級(jí),可正確地界定不同等級(jí)的負(fù)荷對(duì)供電可靠性的要求,以便恰當(dāng)?shù)剡x擇符合實(shí)際水平的供電方式,提高投資的經(jīng)濟(jì)效益,保護(hù)人員的生命安全。有必要強(qiáng)調(diào)的是,規(guī)范中對(duì)特別重要負(fù)荷及一、二、三級(jí)負(fù)荷的供電要求是最低要求,工程設(shè)計(jì)中,用戶可以根據(jù)其本身的特點(diǎn)確定其供電方案。

2 數(shù)據(jù)中心負(fù)載的供電分級(jí)與UPS配置

數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

數(shù)據(jù)中心通過UPS供電的負(fù)載一般分為三類:無人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備、有人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備及機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。其中:

①無人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括小型機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信和介質(zhì)存儲(chǔ)等;

②有人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括總控中心機(jī)房設(shè)備、研發(fā)機(jī)房設(shè)備、測試機(jī)房設(shè)備及OA系統(tǒng)設(shè)備等;

③UPS供電的應(yīng)急照明系統(tǒng)、消防控制及撤離指示系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)風(fēng)機(jī)、樓宇監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)等。

無人區(qū)機(jī)房IT設(shè)備的UPS供電可參照GB50174-2008的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來配置,有人區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)負(fù)載的UPS供電通常參照B級(jí)或C級(jí)來配置。此外,UPS配置還應(yīng)滿足:

①除主機(jī)房外,輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)IT設(shè)備,宜單獨(dú)計(jì)算與配置,避免多區(qū)域共用一套UPS系統(tǒng);若不得不共用時(shí),應(yīng)為非主機(jī)房外的設(shè)備設(shè)獨(dú)立回路,并采取完全選擇性保護(hù)的措施;

②調(diào)水泵、空調(diào)風(fēng)扇等非IT設(shè)備的UPS,應(yīng)單獨(dú)計(jì)算與配置;

③消防、監(jiān)控、安防等與生命安全相關(guān)設(shè)備的UPS或EPS,不屬于備用電源范疇,應(yīng)列入應(yīng)急電源單獨(dú)計(jì)算與配置。

3 數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的供電特性

(1) IT負(fù)載的相關(guān)供電指標(biāo)

數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載具有什么樣的供電特性,這是我們?cè)跀?shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮的問題。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

與UPS供電系統(tǒng)相關(guān)的服務(wù)器電源指標(biāo)主要包括輸入電壓、輸入頻率、輸入電流、輸入功率、輸入功率因數(shù)等輸入數(shù)據(jù)以及輸出功率等。典型的輸入電壓范圍為AC100～240V,輸入頻率范圍為45～65Hz;隨著服務(wù)器電源技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能要求的提高,PFC技術(shù)(PowerFactorCorrected)越來越廣地被采用,輸入功率因數(shù)約為0.9;輸入電流、功率及發(fā)熱量視具體服務(wù)器而定。

在實(shí)際計(jì)算服務(wù)器功率時(shí)需要注意的是,服務(wù)器電源上標(biāo)注的,例如INPUT(輸入):220VAC /4A50Hz,容易讓人誤解為服務(wù)器的輸入功率就是220V×4A=880VA,就是該服務(wù)器的額定視在功率。需要特別強(qiáng)調(diào)的是,INPUT(輸入)中,220V是服務(wù)器電源額定輸入電壓,而4A指的是最大額定輸入電流能力,表征服務(wù)器電源在最低輸入工作電壓時(shí)的最大輸入電流能力。因此,直接用輸入額定電壓×輸入額定最大電流來表征額定輸入功率是不合適的,也是不正確的。

正確計(jì)算服務(wù)器功率的方法應(yīng)該用INPUT(輸入)功率,例如600W(MAX),這個(gè)參數(shù)才是該服務(wù)器電源的最大輸入功率,但很遺憾的是,通常服務(wù)器廠家不一定將這個(gè)參數(shù)標(biāo)識(shí)在服務(wù)器外殼上,這個(gè)參數(shù)通常只有在服務(wù)器電源銘牌上才能看到。

那么,接下來的問題是負(fù)載的容量是否直接等同于服務(wù)器電源的最大功率?答案依然是否定的。

對(duì)應(yīng)服務(wù)器有三種工況:

①銘牌功率:指的是服務(wù)器電源銘牌功率;

②最大工況設(shè)置:指的是服務(wù)器系統(tǒng)工作在最大用電負(fù)荷時(shí)的耗電功率;

③CPU100%利用率典型工況:CPU工作在100%利用率時(shí)的耗電功率。

通常服務(wù)器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%,這是因?yàn)榉?wù)器廠家在選擇電源時(shí),放寬了大約20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%。事實(shí)上服務(wù)器正常工作時(shí)的能耗還要小于這個(gè)值。因此,在具體的設(shè)計(jì)工作中,這種裕量和工況差異也建議設(shè)計(jì)者納入考慮之中。

對(duì)于不同負(fù)載持續(xù)率下的額定功率或額定容量,應(yīng)換算為統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率,即設(shè)備功率Pe。IT設(shè)備功率Pe的確定,可詳參ChinaDCC發(fā)行的《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術(shù)白皮書》第3章“數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備電源用電特性”。

(2) IT負(fù)載電源的工作原理介紹

當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式,即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。

無論是ATX電源還是SSI電源,UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后,都必須經(jīng)四級(jí)變換,最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級(jí)變換分別為(見圖1):第一級(jí):橋式整流器,將220V交流電變?yōu)榧s200～300V的直流電;

第二級(jí):高頻逆變器,將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百kHz穩(wěn)壓的高頻交流電;

第三級(jí):高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離;

第四級(jí):高頻整流器,將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

了解服務(wù)器電源的具體工作原理,對(duì)于我們后續(xù)進(jìn)行正確的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常必要的。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求。在數(shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載供電特性。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

作者簡介

王偉,伊頓電氣集團(tuán)電能質(zhì)量業(yè)務(wù)部技術(shù)總監(jiān),中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)信息通信專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)中心工作組專家,本刊編委。

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