数据中心机房规划与建设关键技术【入门学习材料】--第二部分(P101-P203)

数据中心机房规划与建设关键技术编写人：HuangCheng邮箱：[e-mail]2013年4月说明：1、本材料只限用于个人学习交流使用，丌得用于仸何商业用途；2、数据中心相关技术収展较快，丏编写人员水平有限，本材料内容中可能存在错漏，引用参考请慎重；3、本材料部分内容参考了很多厂商产品和方案资料，以及很多相关与家技术博客内容，请恕未逐一列明参考出处。100本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途100目录数据中心发展回顾基础建筑电源系统制冷系统数据中心服务器网络系统其它系统数据中心节能设计电源容量规划设计总体配电方案传统交流UPS模块化UPS飞轮UPS高压直流油机电力布线防雷与接地101本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途101模块化UPS的优势目前在配置UPS设备时，大都按数据设备远期负荷考虑配置。这样就造成初期建设投资偏高，系统建成投产后，设备利用率又偏低。与传统UPS相比，模块化UPS最大的优点是能够提高系统的可靠性和可用性，因为一个模块出现故障并不影响其他模块的正常工作，并且可热插拔特性能够大大缩短系统的安装和修复时间。除此之外，模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性（有些产品可以不限制模块数量进行并联使用，并且相同或不同功率的模块可以任意组合），这不仅能高效的运用用户投资，也能很好的确保投资收益。同时较传统UPS来看，模块化UPS还具有便于安装运输、便于售后维护、高效节能、冗余性好等诸多优势，系统本身热损耗更低，节电率更高（约在20%以上）。102本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途102模块化UPS适用场景模块化UPS是从设计和工作的原理方面来讲的，其本身就是一台UPS。目前比较有代表性的模块化UPS结构有两类：功率模块化UPS由机架加功率模块构成，功率模块中包含传统UPS的整流、滤波、充电、逆变器等部分，静态旁通与系统的部分监控和显示共用一个机架，各模块独立控制并联运行，机架上的显示控制模块仅作为用户开关UPS主机和进行网络化监控平台。完全模块化UPS由机架加单体模块构成，每个单体模块内部都装有整个UPS电源与控制电路，包括整流器、逆变器、静态旁路开关及附属的控制电路、CPU主控板，每个UPS模块均有独立的管理显示屏。模块化UPS产品主要适用于以下场景：容量较小的机房；建设初期对远期负荷规模无法预测的机房；技术维护力量较弱，厂家支撑力度不足的地区等。103本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途103UPS整体结构区别104本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途104模块化UPS工作原理阵列中所有UPS功率模块并联工作，平均负担系统负载；任何模块发生故障，其余模块会均分负荷；负载增加时自动降低冗余量,保持系统正常运作；按需要构成N+1或N+X..系统旁路静态开关支路只有在开机或过载时导通工作。105本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途105模块化UPS目前的问题作为近十几年逐渐发展起来的新技术产品，模块化UPS也存在着一些局限性：系统成本高因模块化UPS的技术难度大，厂家研发成本高，加上需要从国外进口，导致客户投资大大增加。一般来说，模块化UPS系统的价格是国际知名品牌同样功率UPS价格的3倍左右，客户在投资的初期就要用3倍的价格来建设自己的供电系统，而后如果需要增加容量，还要购买它的功率模块，继续扩大投资。部分品牌故障率较高，客户认可度较低由于两路或者多路交流电源的并联存在同幅值、同频率、同相位、同波形等多个参数，电流本身的双向造成均流将变得非常复杂，有一些品牌的模块化UPS的故障率较高，因而目前模块化UPS在客户特别高端客户的认可度不高。其它待解决的问题如何解决各模块的故障隔离性、如何提高模块化UPS系统的抗冲击能力、功率模块散热性差、并联环流等参数的限制等问题将是日后模块化UPS需重点关注和研究的方面。106本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途106模块化UPS应用案例介绍比较项目单机UPS电源UPS电源1+1并联模块化UPS电源冗余性无1次N次可靠性低中高扩容性无困难且风险大简便零风险维护性8小时以上8小时以上5分钟维修方式厂商技术支援厂商技术支援自行模块热插拔运行效率90%85%95%热损耗中高低输入功率因数0.7～0.90.7～0.950.98～0.99前期购置综合成本中高低后期运行综合成本中高低后期扩容成本高低系统占用空间大小从上表可以看出模块化UPS相比传统UPS提高了系统的运行效率，并大大降低了投资成本和使用空间，同时运行成本也明显降低。某电信将某局维护中心数据机房的一套UPS传统型60kVA1+1冗余系统，更新为一套6³10kVA模块化UPS供电系统。通过一年多的使用，下面是从各个方面对新旧系统的分析和测试：107本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途107目录数据中心发展回顾基础建筑电源系统制冷系统数据中心服务器网络系统其它系统数据中心节能设计电源容量规划设计总体配电方案传统交流UPS模块化UPS飞轮UPS高压直流油机电力布线防雷与接地108本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途108飞轮UPS的应用背景传统UPS的缺点•效率低，损耗大超长时间备份有无必要？•为了提高电源的可靠性，确保万无一失，不断扩大冗余备份，成为人们普遍的做法。有些用户甚至将后备时间扩大到2到3个小时，这无疑会带来前期投资，以及后期维护的诸多问题。尤其在当下能源紧张状况下，UPS超长备份有无必要成为争论焦点。•市电电源的可靠性可达到3个99(99.9%)，有些重要的负载更采用双路市电供电，市电的可靠性可以说已经达到了4个9(99.99%)。万一市电中断，后备电源的可靠性也可以达到3个9，从市电到后备电源的切换，在技术上只需要10S的时间。目前，欧洲已经将这个时间定在了8秒，既然是10秒钟以内就可以满足需求，为什么要存储15分钟、30分钟甚至是两三个小时呢？从投资和运维管理角度来看，纯粹是浪费？从环保角度来看，更是一种不负责任的行为。•后备时间长短与安全性不成正比！•UPS第一个功能是电源质量的保证，即能够过滤市电或者柴油发电机的各种谐波、瞬断；UPS第二个功能是储能功能，是用来满足在可靠电源之间切换的过渡能源。市电/油机切换过程中需要多长时间，这才是决定UPS要存储多少能量的关键。•使用寿命相对短，维护量大•电池组对占地面积、机房承重等要求高。109本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途109飞轮储能原理飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。•高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。•利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。•电力电子技术的新进展，如电动／发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。飞轮储能原理•飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动／发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。•在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。110本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途110飞轮UPS种类传统的动态UPS飞轮储能：利用机械耦合的方式和柴油发电机组结合。这种技术方式出现较早、应用较多，然而，由于飞轮过于庞大，往往达到几吨重，搬运和维护困难。且噪音较大，多用于工业环境。高速飞轮UPS：其特点是线速度接近音速，转速达到每分钟6万转。这种飞轮用碳纤维作材料，质量很轻，但对于稳定性和维护要求很高，由于速度太快，一旦失速会发生爆炸。磁悬浮飞轮UPS：ActivePower的飞轮UPS专利技术是第三类技术的代表，它在飞轮的质量和速度上实现了平衡，质量为600磅，速度7700转/分钟，质量和速度都在可维护的范围内。噪音小于70分贝，符合国家机房标准。它将集成真空磁悬浮飞轮储能技术和在线互动式UPS技术结合在一起。二者结合在一起即实现了传统的飞轮储能特点还结合静态的储能特点，所以我们又叫动态储能的静态飞轮UPS。储能的单元是动态的系统，但结构是静态的UPS。这样飞轮UPS产品完全可以与传统UPS兼容。也可以再配置同样容量的传统UPS相互替换。这就提高了用户的开放性和灵活.111本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途111磁悬浮飞轮UPS工作原理飞轮储能UPS由输入保险、输入接触器、静态开关、在线电感器、输出接触器、逆变器、滤波电感器、飞轮、旁路等组成。飞轮UPS内部的拓扑结构是目前市场上并不常见的在线互动式。在正常情况下，电源经过输入接触器在滤波电感的作用下滤除有害的高次谐波，然后直接通过输出接触器直接输出给负载，在此过程中对电压进行调节,保证满足负载要求。对于持续、长时间的电力波动,通常将飞轮UPS和发电机组整合使用以提供不间断电源。飞轮保持高速运转静态开关阻断飞轮转速逐渐降低112本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途112磁悬浮飞轮UPS的优势飞轮UPS的效率非常高：可达98%。当负载在50%的情况下，效率仍然可达96%。飞轮ups更加安全可靠：飞轮UPS的原理非常简单，它是精细可测量的。据统计，UPS70%的故障是由蓄电池所引起，蓄电池已经成为了传统的UPS系统中最不可靠的组成部分。飞轮UPS”比传统的蓄电池UPS可靠性或者说用出现故障的概率来讲，减少了七倍。飞轮UPS对环境的依赖程度很低：不需要空调制冷，它的工作温度在0度到40度之间，对于数据中心来说是非常大的节省。飞轮UPS对占地的要求大大减少：最多可以为用户节约75%。举个例子来说，对2万甚至5万平米机房来说，蓄电池占地可达1000平米，这还是后备时间在15-30分钟区间的，如果后备时间达到30分钟-60分钟，就要有2000甚至更多的空间。如此大的空间为客户带来的是额外的土建成本，大量的空调制冷成本，包括整个维护成本。就是飞轮UPS的绿色环保：ActivePower飞轮UPS本身是钢制飞轮，寿命20年，无毒。一节纽扣电池会污染一平方公里的土地。生产过程中产生的铅尘也非常可怕。使用寿命长：飞轮UPS设计寿命为25年。而传统UPS设计寿命一般为10～15年，绝大多数都在7～8年后更换；蓄电池设计寿命一般为8年以上，而实际UPS蓄电池由于运行环境及维护方面因素，往往在5～6年就更换了。113本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途113磁悬浮飞轮UPS应用情况美国ActivePower公司凭借这一技术，已行销全球六大洲，在全球50多个国家销售,为超过700MW的关键负载提供电源保障。全球最大的搜索引擎和最大的软件企业的云计算中心以及VISA、3M等国际知名公司均已采用ActivePower电源保护系统。美国雅虎公司新近投产的的“鸡舍”数据中心PUE值达到1.08,与采用飞轮UPS产品大有关系。2011年由中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会(CECS)数据中心工作组主办的《数据中心供配电系统技术白皮书》中已经将飞轮UPS正式被纳入我国数据中心建设标准。114本材料仅供学习交流使用，丌得用于仸何商业用途114磁悬浮飞轮UPS应用案例北京某运营商