3.1.3 数据中心UPS供电特点及负载

1.数据中心UPS供电的特点

① 对供电要求高靠性。数据中心面对的用户一般都是企业级用户，有的甚至为门户网站，若负载中断，则数据中心业务提供者，将会面临巨大损失，所以对供电的可靠性要求很高。

② 负载容量大。数据中心建设投入巨大，并且会考虑到未来几年的业务增长，所以其要能承接足够大的业务量。一般一个机房放置50～100个机架，每个机架的负载容量约为几千瓦，所示一个机房的负载容量为几百到上千千瓦。

③ 相对集中的供电方式。为了分担风险，同时又考虑到集中供电的方便管理性，一般按一个机房的负载容量来考虑，负载容量为几百到上千千瓦。

④ 对设备的谐波污染要求高。随着国家对节能、环保的要求越来越高，谐波污染已是供电单位的重点关注对象，也是今后供电系统发展的趋势。

2.确定数据中心所需的电源容量与关键负载

无论何种规模的数据中心，在准备提高其电源容量前，都必须首先进行需求评估。需求评估基本可以确定由IT设备负责的业务应用的可用性需求。可以将时间不紧迫或分批处理性质的业务流程的负载功率和空调系统设置为N型拓扑结构配置，没有内部冗余提高可用性。时间紧迫的工作可能需要关键系统中有某种程度的冗余，使用N+1型拓扑结构配置，每个关键系统元件都有一个冗余设备，这样如果某个单元出现故障，则系统仍然可以维持IT关键负载的正常运行。要求绝对可用性的最关键数据中心应用环境应使用2N型拓扑结构，这样关键系统就拥有完全冗余，虽然某个关键系统会出现故障，但是另一个系统会保持负载的正常运行。这也提供了某种程度的可同步维护性，可以在另一个系统承担负载时对该系统进行维护。

无论实际UPS系统设计是何种配置（N、N+1、2N），其核心问题都是如何为关键负载提供充足电力并对其进行冷却。对所需容量估计不足可能会导致将来被迫中断电力以增大容量，而估计过高则会导致额外的初始成本及高额的运行维护费用。

大多数数据中心机房都位于大型建筑物内，在计算功率容量需求时，稳定状态功率和峰值功率之间的差值十分关键。如果所安装的空调系统或备用发电机等关键组件需要公用或需要为数据中心之外的设施提供负载，估算系统容量需要进行更为全面而复杂的分析。

图3-1说明了电力容量在数据中心各种负载间的典型分配比例。该细分图假设数据中心的面积为465m2，初始稳定状态关键负载为50kW，未来稳定状态负载再增加50kW，假定制冷系统为直接膨胀（DX）式，并且市电电压为450V交流电。

不论是单机架环境还是完整规模的数据中心，正确规划数据中心的第一步就是确定要为其供电并提供保护的关键负载的容量。关键负载是指构成IT业务架构的所有IT硬件组件，如服务器、路由器、计算机、存储设备、通信设备等，还包括保护它们的安全系统、消防和监控系统。这个过程首先需要列出所有这些设备，包括它们的铭牌额定功率、电压要求及是单相设备还是三相设备；然后必须调整铭牌信息以反映预期的真实负载。在绝大多数情况下，该值远远高于预期的运行功率水平。大多数IT设备的铭牌额定值至少超出实际运行负载33%。美国国家电气标准（NEC）和类似的国际规范组织都已认识到这一事实，允许在电气系统设计中累加预期负载的铭牌数据，再乘以不同的系数，来计算实际运行的负载。计算步骤如下。

① 累加预期负载的铭牌功率。如果设备上没有列出功率，可以将电流和设备电压相乘得到视在功率，该值近似等于设备消耗的功率。

② 将预期的视在功率乘以0.67，以计算负载的实际功率，以瓦（W）计。

③ 将这个数字除以1000就得到预期关键负载的千瓦（kW）级负载数值。

数据中心的负载不是一成不变的，在建成后的数据中心生命周期内，IT设备几乎一直处于一种不断变化的状态中。IT设备更新至少每3年一次，到时候就会添加新的、功能更强大或效率更高的设备，或者替换初始规划列表上的设备。

想要更合理地规划数据中心，尽可能减小电力设施方面的损耗，应该对IT设备将来的变化和升级的范围和时间做出切实的评估，这样可以正确规划最初确定的功率需求。对于电源和配电系统的元器件，可以根据目前和未来的负载情况进行扩展或调整。

必须充分估算为数据中心供电的电力线路的容量以承担已知初始负载和未来负载，或者可以在不造成停机这一严重影响可用性故障的前提下增大功率容量。在估算出未来负载容量后，将其加到上面算出的基本负载信息上，就可以得到以kW表示的电源关键负载容量。

假设需求评估中的可用性确定工作得出需要 UPS的容量，那么总负载功率必须考虑UPS系统的效率损耗及蓄电池充电所需的额外功率。UPS效率随产品型号的不同而各异，而且受UPS负载的影响很大。实际上，UPS的效率约为88%。

蓄电池充电也需要消耗大量电力，但不会连续消耗。在蓄电池已充满电的正常工作状态下，可忽略蓄电池充电负载。但是，当蓄电池已部分或完全放电后，蓄电池的充电功率可占额定UPS负载的20%。尽管这样的负载极少出现，但在估算发电机和线路容量时必须包含该负载。

照明设施负载包括建筑物的部分照明设施和数据中心的全部照明设施，此类型负载可采用经验公式估算，即每平方英尺2W或每平方米21.5W。

有关数据中心制冷负载，首先计算要冷却IT设备所产生热量必需的制冷量，然后选择制冷设备可获得制冷负载的功率。

3.估算电源系统的容量

在上述方法中，已经确定了两个重要数字，它们可用来估算为数据中心供电的电源系统的容量：总关键负载和总制冷负载。一般而言，电源供给必须足以支持这两个负载之和，另外加上数据中心的相关照明设施负载。

数据中心内负载的稳态功耗决定了用于计算电力成本的功耗。但是，为数据中心供电的电力线路和备用发电机组的容量不能按稳定状态值估算。这些电源必须按负载峰值功耗估算，再加上标准或工程惯例所规定的降额系数或裕度。实际上，这会导致电力线路和发电机的设计容量大于期望值。

按照上述过程以kW为单位估算出总电源容量后，就可以进行两项关键计算：首先是估算为数据中心供电所需的电力线路的容量，其次是估算为达到预期可用性所需的所有备用发电机组的容量。

4.确定电力线路的容量

电力线路的容量可按照以下方式计算：以kW为单位获得所需的总电源容量，并乘以125%以满足电气标准和类似规范的要求。确定供电公司提供的线路入口三相交流电电压后，可采用下面的公式确定为数据中心供电的电力线路电流，以A为单位。

图3-2所示为典型100kW关键负载的额定与稳态电力线路功率，通过比较额定（峰值）功率和稳态功率的电力线路需求，强调了这二者间的重要区别。必须注意，这仅是估计值，而最终线路容量的确定在很大程度上取决于准确的详细信息。

5.备用发电机组的容量

确定了电力线路的容量后，就可以估算相应备用发电机组的容量，以便在市电发生故障时能够提供备用电源从而提高数据中心的可用性。典型发电机系统图如图3-3所示。在图3-3中，假设数据中心是唯一的负载，而且该负载受到备用电源的完全保护。因此，图3-3只是电力系统的一个子集。该子集是为关键IT负载供电的数据中心部分。

有些负载需要通过转换开关附加到发电机上，必须考虑这些负载的特性。例如，电动机负载需要大启动电流，而且还会产生谐波电流，这会影响发电机提供所需电力容量的能力。如果UPS没有在大输入功率因数下运行，那么其本身可能会导致这样的问题，而且如果它将超前功率因数施加到发电机上，那么还可能导致发电机故障。

某些UPS的拓扑结构（如Delta变换）对于发电机供电系统是十分理想的，不会产生具有容性输入特性UPS（传统双变换结构）的不良运行特性。在选择 UPS时，仅是拓扑结构就会对所需的发电机容量产生重大影响，通常系数为3（典型双变换UPS的发电机会是Delta变换UPS的发电机的1.75倍到3倍）。

在选择发电机时，为了方便，一般根据发电机的额定功率（kW）进行选择。但要注意，发电机是以小于1的功率因数（通常为0.8）来运行负载的。这意味着电流和电压的相位会不同，发电机必须能够承受这个差异。一个1000kW的发电机，如果运行负载的功率因数为0.8，那么其额定功率为1200kVA。不要将发电机的 kVA额定值和实际功率相混淆，后者总是以kW来计算的。典型100kW关键负载的额定与稳态发电机功率如图3-4所示。

对数据中心中的关键负载所需的电源功率进行评估，在满足最终用户可用性预期的设备开发过程中十分重要。通过使用上述过程，可以做出功率需求的合理估算。这有助于确定供电系统组件的容量，以达到需求评估所确定的可用性。在做出了初步估算之后，可进行初步设计和工程设计。根据上述功率需求评估过程确定的容量和可用性配置，便可进行投资估算。