數(shù)據(jù)機(jī)房UPS蓄電池配置研究

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總則計(jì)算機(jī)機(jī)房是數(shù)據(jù)匯總、計(jì)算、傳輸?shù)闹行?，也是?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的核心場(chǎng)所。對(duì)于計(jì)算機(jī)的供電一般采用市電雙電源的供電系統(tǒng)，并配以高質(zhì)量的UPS電池組供電，在市電出現(xiàn)故障時(shí)由UPS供電來(lái)確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，防止因斷電造成重要損失，由此可見(jiàn)，UPS是供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，如何選擇、配置UPS，使機(jī)房供電系統(tǒng)絕對(duì)安全可靠是至關(guān)重要的。做好機(jī)房?jī)?nèi)的配電設(shè)置，需要確定以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：1）機(jī)房?jī)?nèi)需要UPS供電的設(shè)備容量。2）計(jì)算UPS的容量及電池的配置。3）機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的布置及間距要求。2

計(jì)算數(shù)據(jù)機(jī)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(jì)算受多方面影響，主要因素有以下幾點(diǎn)：需UPS供電的負(fù)載容量、負(fù)載的類型、UPS的容量使用率、環(huán)境條件、UPS的類型及實(shí)際負(fù)載能力、UPS后期擴(kuò)容裕量等。2.1.1需UPS供電的負(fù)載容量對(duì)于大型數(shù)據(jù)機(jī)房一般采用集中式供電，負(fù)載容量應(yīng)為機(jī)房?jī)?nèi)所有由UPS提供電源的負(fù)載功率之和。確定負(fù)載容量是計(jì)算UPS容量的基本要素。2.1.2負(fù)載的類型不同的負(fù)載類型會(huì)影響UPS的容量選擇，UPS需向負(fù)載同時(shí)提供足夠的有功功率和無(wú)功功率，阻性、感性、容性負(fù)載功率因數(shù)(cosφ)和匹配系數(shù)(K1)各不相同。純阻性或感性負(fù)載功率因數(shù)一般為1，阻性負(fù)載匹配系數(shù)一般為0.7，感性負(fù)載匹配系數(shù)一般為0.3；容性負(fù)載的功率因數(shù)一般為0.6~0.7，匹配系數(shù)為1。在計(jì)算負(fù)載容量時(shí)，對(duì)以有功功率（P）值表現(xiàn)功率的負(fù)載，應(yīng)折算成視在功率（S）值并考慮匹配系數(shù)的影響，S=P/（K1×cosφ）。2.1.3UPS容量使用率由于計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備很多為非線性負(fù)載，負(fù)載沖擊電流大，若供電UPS容量過(guò)小，長(zhǎng)期重載運(yùn)行，容易出現(xiàn)波形失真，且重載會(huì)引起較大的發(fā)熱量，對(duì)UPS設(shè)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(fēng)和海拔等的影響，一般工作溫度應(yīng)控制在0~40℃范圍內(nèi)，若溫度過(guò)高、通風(fēng)條件不好，會(huì)影響設(shè)備散熱，長(zhǎng)期在此環(huán)境下工作會(huì)造成設(shè)備損壞。另外海拔高度對(duì)設(shè)備也有影響，高度超過(guò)1000m后每升高1000m，UPS應(yīng)降額5%使用。2.1.5UPS的類型及實(shí)際負(fù)載能力UPS一般分為工頻機(jī)和高頻機(jī)，不同類型的UPS其帶載能力有所不同。工頻機(jī)的輸出能力較好，一般為高頻機(jī)的實(shí)際帶載能力的1.1倍。2.1.6UPS后期擴(kuò)容裕量選擇UPS容量時(shí)應(yīng)留有一定裕量以便滿足后期擴(kuò)容需求。另外，盡量選用具有并機(jī)功能的機(jī)型，必要時(shí)可通過(guò)UPS并機(jī)成倍擴(kuò)大輸出容量。同時(shí)，在配置UPS的輸入輸出配電柜時(shí)，應(yīng)將電纜和斷路器留有一定裕量，方便日后擴(kuò)容，當(dāng)然也要通過(guò)計(jì)算滿足整定值和上下級(jí)匹配問(wèn)題，不能盲目過(guò)大選擇。2.2UPS容量的計(jì)算2.2.1需要UPS供電的負(fù)載容量的確定1）機(jī)房的負(fù)載多為計(jì)算機(jī)設(shè)備，有功和無(wú)功功率對(duì)UPS的選擇均會(huì)產(chǎn)生影響，一般功率因數(shù)：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(jì)算時(shí)應(yīng)按視在功率，一般參數(shù)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(shè)備容量清單。3）設(shè)備的銘牌或說(shuō)明書(shū)上均標(biāo)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(fù)載匹配系數(shù)，阻性負(fù)載的K1=0.7，感性負(fù)載的K1=0.3，容性負(fù)載的K1=1。（1）標(biāo)明額定功率的可以直接采用，若為有功功率P（W），則通過(guò)公式S=P/cosφ折算為視在功率S（VA）；（2）標(biāo)明額定電壓和電流的，視在功率S=UI，通常U值取220V；4）計(jì)算所有負(fù)載總和ΣS=S1+S2+……+Sn，Sn為各設(shè)備功率，單位VA。2.2.2UPS容量Pups的計(jì)算UPS的容量選擇應(yīng)以滿足機(jī)房實(shí)際負(fù)載需求為基礎(chǔ)，適當(dāng)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(shù)，與溫度、海拔有關(guān)，一般取1；K4為UPS負(fù)載系數(shù)，工頻機(jī)取1，高頻機(jī)取0.9；K5為擴(kuò)容系數(shù)，一般可取值0.6~0.8，如不考慮擴(kuò)容則取值1。2.2.3單相或三相UPS的選擇中心機(jī)房的負(fù)載功率一般較大，如果功率大于10kVA，應(yīng)考慮到三相的平衡問(wèn)題，應(yīng)配置三相輸入三相輸出的UPS；功率小于10kVA時(shí)，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(jī)和多機(jī)冗余供電方式。對(duì)于小型計(jì)算機(jī)機(jī)房而言，需UPS供電的設(shè)備不多且重要性不是特別高，一般采用單臺(tái)UPS供電即可滿足要求。對(duì)于中大型計(jì)算機(jī)機(jī)房，重要設(shè)備較多、負(fù)載大、斷電損失嚴(yán)重，單機(jī)運(yùn)行可靠性無(wú)法滿足要求，需要采用多機(jī)冗余供電的方式。數(shù)據(jù)機(jī)房UPS主要有三種冗余方式：串聯(lián)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(lián)供電方式（如圖3所示），對(duì)大型數(shù)據(jù)機(jī)房而言，采用第三種方式較多。圖1串聯(lián)備份從電方式圖2輸出主從備份方式圖3冗余并聯(lián)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(jī)房UPS配置的電池多為免維護(hù)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(hù)水平和電池的配置有直接關(guān)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(shù)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，工作壽命降低，進(jìn)而影響整機(jī)的可靠性。電池容量C=放電電流（A）×放電終止時(shí)間（h）,電池容量C用安時(shí)數(shù)（Ah）表示。電池的可利用容量與放電電流有直接關(guān)系，據(jù)有關(guān)資料介紹：在溫度為20℃時(shí)，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(yīng)大于0.1C。3

舉例說(shuō)明數(shù)據(jù)機(jī)房UPS及電池的配置假如機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備容量為200kW，要求供電1h，P=200kW，根據(jù)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(jì)算負(fù)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(jù)UPS產(chǎn)品常用規(guī)格，應(yīng)選取大于550kVA的UPS,本例中應(yīng)選容量為600kVA的UPS。

3.2計(jì)算電池的配置大型數(shù)據(jù)及放過(guò)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(jì)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(jù)蓄電池產(chǎn)品的常用規(guī)格，選用電池容量要比計(jì)算容量大一些，本案例選擇8個(gè)200Ah蓄電池并聯(lián)，即共選用8組32塊12V電池組。3.3驗(yàn)證UPS持續(xù)運(yùn)行時(shí)間8組32塊12V容量為200Ah的電池總?cè)萘緾ups=8×32×12×200VAh=614400VAh，機(jī)房?jī)?nèi)負(fù)荷容量為286kVA，則運(yùn)行時(shí)間h=Cups/S=614400VAh/308000VA=1.99h，大于所要求的1h，因此滿足要求。4

數(shù)據(jù)機(jī)房UPS配電框圖及配電系統(tǒng)圖機(jī)房配電一般包括電源進(jìn)線柜、UPS柜、電池柜、UPS輸出柜、服務(wù)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(jìn)線配電柜如圖5所示（僅供參考），進(jìn)線配電柜為雙電源進(jìn)線，輸出回路至UPS機(jī)柜、普通照明、空調(diào)、插座、風(fēng)機(jī)等回路。圖5進(jìn)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(wǎng)絡(luò)機(jī)柜PDU、消防負(fù)荷、應(yīng)急照明、門(mén)禁、監(jiān)控等重要負(fù)荷。圖6UPS輸出配電柜系統(tǒng)圖5

數(shù)據(jù)機(jī)房的布置UPS放置環(huán)境要求：1)勿放置在太陽(yáng)直射區(qū)及靠近熱源處；2)勿放置于近水及濕度過(guò)高處，避免向UPS潑灑液體；3)盡量保持環(huán)境溫度25℃以下。據(jù)統(tǒng)計(jì)25℃以上每升高10℃，電池組壽命將縮短一半。UPS主機(jī)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(shè)備散熱及維護(hù)維修的方便。根據(jù)電源柜、UPS柜電池柜、空調(diào)柜