數據機房UPS蓄電池配置研究

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總則計算機機房是數據匯總、計算、傳輸的中心，也是計算機網絡的核心場所。對于計算機的供電一般采用市電雙電源的供電系統(tǒng)，并配以高質量的UPS電池組供電，在市電出現故障時由UPS供電來確保計算機系統(tǒng)的正常運行，防止因斷電造成重要損失，由此可見，UPS是供電系統(tǒng)的核心設備，如何選擇、配置UPS，使機房供電系統(tǒng)絕對安全可靠是至關重要的。做好機房內的配電設置，需要確定以下幾個方面的問題：1）機房內需要UPS供電的設備容量。2）計算UPS的容量及電池的配置。3）機房內設備的布置及間距要求。2

計算數據機房UPS的容量及電池的配置2.1影響UPS容量確定的因素UPS容量的計算受多方面影響，主要因素有以下幾點：需UPS供電的負載容量、負載的類型、UPS的容量使用率、環(huán)境條件、UPS的類型及實際負載能力、UPS后期擴容裕量等。2.1.1需UPS供電的負載容量對于大型數據機房一般采用集中式供電，負載容量應為機房內所有由UPS提供電源的負載功率之和。確定負載容量是計算UPS容量的基本要素。2.1.2負載的類型不同的負載類型會影響UPS的容量選擇，UPS需向負載同時提供足夠的有功功率和無功功率，阻性、感性、容性負載功率因數(cosφ)和匹配系數(K1)各不相同。純阻性或感性負載功率因數一般為1，阻性負載匹配系數一般為0.7，感性負載匹配系數一般為0.3；容性負載的功率因數一般為0.6~0.7，匹配系數為1。在計算負載容量時，對以有功功率（P）值表現功率的負載，應折算成視在功率（S）值并考慮匹配系數的影響，S=P/（K1×cosφ）。2.1.3UPS容量使用率由于計算機機房設備很多為非線性負載，負載沖擊電流大，若供電UPS容量過小，長期重載運行，容易出現波形失真，且重載會引起較大的發(fā)熱量，對UPS設備及系統(tǒng)供電可靠性不利。一般建議UPS容量使用率控制在0.6~0.8。2.1.4環(huán)境條件UPS的工作環(huán)境受溫度、通風和海拔等的影響，一般工作溫度應控制在0~40℃范圍內，若溫度過高、通風條件不好，會影響設備散熱，長期在此環(huán)境下工作會造成設備損壞。另外海拔高度對設備也有影響，高度超過1000m后每升高1000m，UPS應降額5%使用。2.1.5UPS的類型及實際負載能力UPS一般分為工頻機和高頻機，不同類型的UPS其帶載能力有所不同。工頻機的輸出能力較好，一般為高頻機的實際帶載能力的1.1倍。2.1.6UPS后期擴容裕量選擇UPS容量時應留有一定裕量以便滿足后期擴容需求。另外，盡量選用具有并機功能的機型，必要時可通過UPS并機成倍擴大輸出容量。同時，在配置UPS的輸入輸出配電柜時，應將電纜和斷路器留有一定裕量，方便日后擴容，當然也要通過計算滿足整定值和上下級匹配問題，不能盲目過大選擇。2.2UPS容量的計算2.2.1需要UPS供電的負載容量的確定1）機房的負載多為計算機設備，有功和無功功率對UPS的選擇均會產生影響，一般功率因數：cosφ=0.6~0.7，一般取cosφ=0.65。則P=S×cosφ=0.65S

（1）Q=S×sqr[1-(cosφ)2]=0.76S（2）計算時應按視在功率，一般參數提供的為有功功率，需將有功功率折算為視在功率。2）列出需UPS供電的設備容量清單。3）設備的銘牌或說明書上均標有額定功率或額定電壓電流。將其折算成視在功率S。S=VA/K1（3）式中，K1為負載匹配系數，阻性負載的K1=0.7，感性負載的K1=0.3，容性負載的K1=1。（1）標明額定功率的可以直接采用，若為有功功率P（W），則通過公式S=P/cosφ折算為視在功率S（VA）；（2）標明額定電壓和電流的，視在功率S=UI，通常U值取220V；4）計算所有負載總和ΣS=S1+S2+……+Sn，Sn為各設備功率，單位VA。2.2.2UPS容量Pups的計算UPS的容量選擇應以滿足機房實際負載需求為基礎，適當留有一定的裕量，以備后期發(fā)展。Pups=ΣS/(K2×K3×K4×K5)

（4）式中，K2為容量使用率，取0.6~0.8；K3為環(huán)境系數，與溫度、海拔有關，一般取1；K4為UPS負載系數，工頻機取1，高頻機取0.9；K5為擴容系數，一般可取值0.6~0.8，如不考慮擴容則取值1。2.2.3單相或三相UPS的選擇中心機房的負載功率一般較大，如果功率大于10kVA，應考慮到三相的平衡問題，應配置三相輸入三相輸出的UPS；功率小于10kVA時，可配置單相UPS。2.3UPS工作方式的選擇UPS的工作方式一般分為單機和多機冗余供電方式。對于小型計算機機房而言，需UPS供電的設備不多且重要性不是特別高，一般采用單臺UPS供電即可滿足要求。對于中大型計算機機房，重要設備較多、負載大、斷電損失嚴重，單機運行可靠性無法滿足要求，需要采用多機冗余供電的方式。數據機房UPS主要有三種冗余方式：串聯備份從電方式（如圖1所示），輸出主從備份方式（如圖2所示）和冗余并聯供電方式（如圖3所示），對大型數據機房而言，采用第三種方式較多。圖1串聯備份從電方式圖2輸出主從備份方式圖3冗余并聯供電方式2.4UPS蓄電池容量的配置蓄電池的配置是UPS配置的核心，機房UPS配置的電池多為免維護蓄電池，一般UPS的故障中有70%是蓄電池故障，這與電池的維護水平和電池的配置有直接關系。特別是在大功率UPS中，由于逆變器的直流工作電壓高，電池配置的數量多，有的廠商為降低成本，在電池容量的配置上有欠缺，使電池組超負荷運轉，工作壽命降低，進而影響整機的可靠性。電池容量C=放電電流（A）×放電終止時間（h）,電池容量C用安時數（Ah）表示。電池的可利用容量與放電電流有直接關系，據有關資料介紹：在溫度為20℃時，放電到終止電壓值可放出的容量為：20h放電率可放出額定容量的100%；10h放電率可放出額定容量的90%；4h放電率可放出額定容量的75%；1h放電率可放出額定容量的50%。為充分利用電池的額定容量，建議電池正常放電電流不應大于0.1C。3

舉例說明數據機房UPS及電池的配置假如機房內設備容量為200kW，要求供電1h，P=200kW，根據上述要求，cosφ一般取0.6~0.7，本例中按0.65選擇，UPS配置如下：3.1計算負載視在功率及選擇UPS容量視在功率S=P/cosφ=200kW/0.65=308kVAUPS容量Pups=ΣS/(K2×K3×K4×K5)式中，K2取0.7；K3取值1；K4取1；K5取0.8。則Pups=ΣS/(K2×K3×K4×K5)=308kVA/（0.7×1×1×0.8）=550kVA根據UPS產品常用規(guī)格，應選取大于550kVA的UPS,本例中應選容量為600kVA的UPS。

3.2計算電池的配置大型數據及放過選擇三相輸入三相輸出的UPS，UPS電源輸出電壓選用384VDC，故每組至少需配置32塊12V蓄電池才能保證其輸出電壓為384V。按UPS供電1h計算，電池的容量為：C=Pups×h/NU=600000×1VAh/（32×12V）=1563Ah蓄電池的常用規(guī)格有7，17，24，38，65，100，120，150，200Ah。根據蓄電池產品的常用規(guī)格，選用電池容量要比計算容量大一些，本案例選擇8個200Ah蓄電池并聯，即共選用8組32塊12V電池組。3.3驗證UPS持續(xù)運行時間8組32塊12V容量為200Ah的電池總容量Cups=8×32×12×200VAh=614400VAh，機房內負荷容量為286kVA，則運行時間h=Cups/S=614400VAh/308000VA=1.99h，大于所要求的1h，因此滿足要求。4

數據機房UPS配電框圖及配電系統(tǒng)圖機房配電一般包括電源進線柜、UPS柜、電池柜、UPS輸出柜、服務器配電列頭柜、普通電源箱等，配電框如圖4所示。圖4配電框圖進線配電柜如圖5所示（僅供參考），進線配電柜為雙電源進線，輸出回路至UPS機柜、普通照明、空調、插座、風機等回路。圖5進線配電柜系統(tǒng)圖UPS輸出配電柜如圖6所示（僅供參考），UPS輸出配電柜配出回路至網絡機柜PDU、消防負荷、應急照明、門禁、監(jiān)控等重要負荷。圖6UPS輸出配電柜系統(tǒng)圖5

數據機房的布置UPS放置環(huán)境要求：1)勿放置在太陽直射區(qū)及靠近熱源處；2)勿放置于近水及濕度過高處，避免向UPS潑灑液體；3)盡量保持環(huán)境溫度25℃以下。據統(tǒng)計25℃以上每升高10℃，電池組壽命將縮短一半。UPS主機與電池柜之間，及與左右、后面的墻面或物體之間必須留有至少300mm距離，前方至少保留600mm的空間，利于UPS設備散熱及維護維修的方便。根據電源柜、UPS柜電池柜、空調柜