金融业数据中心APCUPS设备整机更换方案研究方案

随着业务量逐年增加，数据中心机房的计算机设备数量不断增多，用电量持续增大。目前，部分UPS系统容量已无法满足设备用电需求，甚至成为了后级机房的扩容瓶颈。
　　
　　一、APCUPS系统前后级供电架构分析
　　
　　以金融业某大型数据中心为例，目前该数据中心在特定区域部署了6组UPS系统，每组装机容量为1600kVA，采用双母线2N冗余供电架构，分为A/B两路，且每个机房均有A/B两路UPS电源输入。同时，每组UPS系统前级两路市电输入来自不同变压器，均配备柴油发电机组，市电中断或电压波动时柴油发电机组可自动启动。此外，每组UPS系统包含了4台UPS主机、蓄电池以及配套的电源输入柜、集中输出旁路柜，并配备了一个3200A输入总开关、四个800A输入开关，且每台UPS主机配备了一组蓄电池（180AH、128节）。单组APCUPS系统结构如图1所示。
　　
　　单组UPS系统结构示意
　　
　　二、UPS设备目前存在的问题
　　
　　1、设备老化
　　
　　上述APCUPS设备于2007年初正式投产运行，至今已超过14年，运行期间于2016年对部分部件（包括电容、电源板和散热风扇等）进行了更新，于2018年底完成了配套胶体蓄电池的更新。然而，随着该UPS设备使用年限的增长，设备不断老化、设备故障率逐渐升高，运行风险也随之逐步加大。为保障后级生产用电安全，急需对原有UPS进行整机更换，以提高UPS设备运行的稳定性。
　　
　　2、设备容量不足
　　
　　随着业务量逐年增加，数据中心机房的计算机设备数量不断增多，用电量持续增大。目前，上述UPS系统容量已无法满足设备用电需求，甚至成为了后级机房的扩容瓶颈。对此，数据中心在实现UPS设备更新的同时，需要对UPS设备进行扩容，以充分利用其他现有基础环境剩余资源，进一步提升机房容量。
　　
　　3、集中旁路柜存在故障隐患
　　
　　由于该APCUPS系统架构设计较早，采用了中央集中旁路并机架构模式。在此模式下，在旁路柜发生故障后，UPS将无法自动切换到旁路，存在单点故障隐患，且对旁路柜进行维护时，需要将UPS切换至维修旁路模式下运行，此时后级计算机设备由市电供电，如果市电发生波动或中断，可能影响后级计算机设备供电质量，维护风险较大。
　　
　　4、UPS机组输入功率因数低、运行效率低
　　
　　上述UPS机组为十多年前生产的工频机型，输入功率因数仅为0.9，满载时最大输出功率因数仅为0.8，整机运行效率较低（约90%），大幅低于目前主流高频UPS机组的性能水平（输入功率因数0.99以上，最大输出功率因数1，整机效率95%以上），不仅无法充分利用上级变压器容量，而且发热量较大，需配备相应的空调机组，从而造成了非必要的资源浪费。
　　
　　三、优化方案及实施建议
　　
　　针对上述难点，本文根据目前该数据中心供电系统架构和电力资源使用现状，提出了一种通过搭建备用UPS供电链路实现UPS整机更换的可行方案。
　　
　　1、整体更换方案
　　
　　对于有类似难题的数据中心而言，可考虑利用富余可用电力资源（包括有富余容量的变压器及其备用输出开关）构建一条备用UPS系统供电链路，即将富余变压器作为备用UPS系统的上级输入电源，而备用UPS系统的输出经输出柜通过电缆输送至待更换UPS系统对应的后级母排接插开关输出端，之后对接插开关按序依次进行割接操作，将待更换UPS系统后级负载切换至备用UPS系统供电，直至待更换UPS系统从现有供电链路中整体断电隔离，再对待更换UPS系统设备依次实施整体更换。此外，对于一般用户而言，如果在以上各方面都缺乏相应资源，还可考虑利用原有旁路，通过多次割接、腾挪置换的方案。备用UPS系统链路如图2所示。
　　
　　备用UPS系统链路示意
　　
　　2、备用UPS系统场地规划
　　
　　在本文所述案例中，考虑场地空间、散热条件和UPS输入输出电缆距离等因素，新搭建的一组备用UPS系统计划部署在原UPS机房北侧电池间中间过道空地。同时，鉴于需要更换的UPS系统单组预计最大负载约1600kVA，故备用UPS系统容量按2000kVA配置，备用UPS系统计划由4台500kVA高频UPS机组并机组成，采用分散式旁路架构，包括备用UPS系统配置输入柜1个（开关容量1000A×4）、并机输出柜1个（开关容量4000A）、蓄电池688节（43节×4组×4台）。其中，虽然500kVA高频UPS效率可达95%以上，但上述4台备用UPS系统满载发热量总体不高于100kW，而该处电池间空调制冷剩余量为120kW，因此无需额外增加空调资源，也可满足备用UPS系统运行环境要求。
　　
　　3、备用UPS系统输入链路
　　
　　在搭建备用UPS系统的过程中，通过评估数据中心现有10kV/0.4kV变压器容量使用情况，笔者发现目前4号变电站的8号变压器存在剩余容量，可充分满足后级备用UPS系统负载容量要求，且该变压器输出开关柜配有ATS系统，可与柴油发电机联动，在市电中断或电压波动时也可完成自动切换，因此认定该变压器具备作为备用UPS系统输入电源的条件。
　　
　　4、备用APCUPS系统输出链路
　　
　　目前，上述数据中心机房UPS输出通过母排连接至机房强电间内对应的母排接插开关，接插开关再通过电缆连接至各机房区域配电柜，进而可为机房内计算机设备供电。同时，考虑到接插开关上桩头与UPS输出母排相连接，而母排拆装的施工时间长、难度和风险大，因此优化方案选择接插开关下桩头与机房区域配电柜输入电缆连接处作为备用UPS系统输出链路的接入点，从而将待更换UPS系统供电链路隔离断开，直接与机房区域配电柜输入电缆连接，为后级计算机设备供电。
　　
　　5、原APCUPS系统整机更换
　　
　　在更换过程中，上述方案选择在负载全部切换至备用UPS后，对原UPS系统进行下电并拆除，施工过程中后级机房由备用UPS维持两路UPS供电，因此对施工时间无特殊要求，且有充分时间对新装UPS机组进行安装和测试。此外，计划更新为4个500kVA高频机组，采用分散旁路结构，新装UPS机组较更换前容量提升25%，发热量降低50%。值得注意的是，在每组UPS系统整体更换期间，所对应的后级机房计算机设备在切换到备用UPS系统供电和恢复为新UPS系统供电的过程中，后级部分相关设备需两次处于单路UPS供电运行状态（每次约2小时），其他时间则均保持双路UPS供电状态。
　　
　　综上所述，基于上述优化方案，金融数据中心可对UPS系统全部相关配套设备进行整体更换，包括输入柜、旁路柜、UPS主机、蓄电池及其开关柜等。从成效来看，更换后UPS机组容量、效率和稳定性得到显著提升，为后级机房安全运行和后续扩容提供了可靠保障。