UPS 系统节能运行模式的探讨与应用

【摘要】如何降低机房的运营成本和电能消耗成为提高数据中心运行效率的关键指标。数据中心核心设备均由 UPS 供电，因此关注 UPS 高效率、低辐射、低污染绿色节能的新概念成为节能的新方向。本文就中国石油数据中心（克拉玛依）UPS 容量选择、运行模式、并机方案选择等问题提出一些理解和认识。

【关键词】UPS 系统；运行模式；效率

中国石油数据中心（克拉玛依）（简称数据中心）的主要配电系统设计依据 Uptime Tier4 标准，参照 TIA942 标准，UPS 配电系统采用 2N 的冗余备份模式，做到各系统之间物理隔离，解决了单点故障的问题，具有系统高容错能力，高可靠性，系统稳态可用性达到 99.998715%（每年允许非计划宕机时间为 0.8 小时）。数据中心机房供电系统要求可同时维护性和容错性，项目中除正常照明外所有负荷都属于一级负荷，设置 UPS 不间断电源，为全部 IT 设备及精密空调、冷冻水二次泵、弱电设备提供 15min不间断电源。本文对中国石油数据中心 UPS 运行的几个问题进行探讨。

1UPS 的各种运行模式

1.1 在线并联运行条件下双转换的工作原理

正常在线并联模式运行条件下，每台 UPS 分别将市电通过整流、逆变，最终并联后为负载供电，负载电流均分到每台 UPS。同时每台 UPS 为其自身蓄电池组进行浮充电。本数据中心 UPS 采用2N 冗余并联系统，每路（N）分别选用四台 500kVA UPS 直接并联，组成的 3+1 冗余并联系统。依据 GB50174 要求，每路最大负荷，不超过 UPS 总容量的 80%。在 1N 正常模式工作条件下，四台 500kVAUPS 并联后总容量为 2000kVA，可承担的总负荷最大为 1600kVA，均分到四台并联的 UPS 上，可得每台 UPS 承担的负荷不超过 400kVA。当 2N 正常模式工作条件下，1600kVA 的负荷对半均分到 A、B 两路并联系统上，每路总负载便不超过 800kVA，再均分到四台 UPS 上，每台 UPS 容量不超过 200kVA，相当于总容量的 40%，当一台 UPS故障，其它正常工作的三台 UPS 将重新均分其负荷。

1.2 在线并联运行条件下休眠的工作原理

UPS 的转换效率会随着其负载率提高而提升；通过以上计算发现，该 2N 冗余系统正常设计带负载量分摊到每台 UPS 时不到 40%；实际使用当中，往往带负载和分担到每台冗余并联 UPS 上的负载率更低，通常需要提高 UPS 的负载率来提高 UPS 的转换效率，对于 500KVA UPS，效率每提升一个百分点，20 台 UPS 每年节省电费至少 60 万元，因此对于以上冗余并联系统，当每台 UPS 实际带负载率较低时，可在不降低系统冗余条件下，将某一或几台 UPS 适当休眠，将休眠设备的负载暂时分摊到其它 UPS 上，以提高每台UPS 和整个并联系统的效率。注意：未进入休眠（节能）运行模式的 UPS，每台依然采用正常的在线双转换工作方式，由逆变器为精密设备和计算机负载供电，可依据设置，当每台并联 UPS 带载率较低时，自动关闭某一或者二台 UPS 的所有变换器工作，逆变器输出，负载均分到其它并联 UPS，增加其带负载率和效率，一旦负载逐渐增大，会同样依据设置唤醒，并再次分担整个并机负载。

1.3ECO 节能并联运行工作原理

ECO 正常工作模式和在线模式相比相同处在于：设备内部所有整流/充电和逆变器件均处于正常工作状态，电池处于浮充状态；区别在于：ECO 正常工作模式下静态旁路始终导通，负载直接由旁路供电，逆变器空载备份。正常工作两路（或多路）UPS 均分负载，一台 UPS 静态开关故障（可能性很小），负载由另一台 UPS（或其它 UPS）均分。（虚线部分是考虑到今后不间断供电情况下的在线（N+1）并联扩容，并联台数和在线工作方式一致）当市电停电或超出指定电压范围时，UPS 自动切换到处于热备状态的逆变器为负载供电，Galaxy7000 系列 UPS 切换时间<3ms（STS 标准切换时间为≤8ms，不会造成 IT 类负载断电），优于 IEC 以及国标规定的 20ms 切换间断时间，该 20ms 主要针对计算机及通信行业紧密设备：如空调和电机等负载工作更不会受此切换影响。该工作方式的特点在于因整流/逆变等主要功率器件均空载备份运行，因此整机运行效率很高，主流品牌均达到 99%。旁路工作模式的短路和耐负载冲击能力也更强。当市电恢复正常之后，负载再次无间断切回到由静态旁路供电，依据 UPS 传统的先通后端切换设计。同时充电器为蓄电池进行充电。

2UPS 的效率测试结果

现场 Galaxy7000 系列 500kVA 的 UPS 效率在负载达到 30%左右后达到较高的转换效率 94%左右，同时效率值也趋于稳定。

3UPS 的节能推荐工作模式

3.1 对于 IT 服务器设备

1）优先采用 ECO 节能工作模式+ECO 节能工作模式运行。A、B两路 UPS 均采用 ECO 节能工作模式运行，所有 UPS 均通过静态旁路直接给 IT 设备供电。模式优点：转换效率高，可达 99%；切换时间短≤3ms，不会引起 IT 设备断电（8ms）。2）采用 ECO 节能工作模式+休眠工作模式运行。A、B 两路 UPS 分别采用 ECO 节能工作模式和休眠工作模式运行；假设 A 路采用 ECO 模式，B 路采用休眠模式，根据前文依据 GB50174 要求：每路最大负荷不超过 UPS 总

容量的 80%、2N 系统中单路不超过 40%的原则，A、B 各路的总负载不超过其总容量的 40%即 800kVA，同时为了达到 UPS 的高转换效率（负载率 30%以上）。模式优点：A 路转换效率可达 99%，B 路转换效率可达 94%左右，整体效率较高；系统可靠性较高。模式缺点：转换效率较第一种偏低；采用休眠工作模式+休眠工作模式运行。A、B 两路 UPS 均采用休眠工作模式运行，根据 UPS 实际负载及时调整 UPS 的运行数量以提高 UPS 的效率。模式优点：UPS 整体转换效率可达 94%左右；系统可靠性更高。模式缺点：转换效率较前两种偏低；

3.2 对于空调及其他设备

建议采用 ECO 节能工作模式运行。优点：转换效率高，可达99%；切换时间短≤3ms。

4 结束语

利用 UPS 自身特点，再结合现场实际使用需求，定制化可适用于中国石油数据中心（克拉玛依）的 UPS 节能应用方案，在保证可靠性的前提下，尽量提高 UPS 的转换效率，综合降低供配电系统损耗，以达到节能的效果，节能降耗是构建“绿色数据中心”的关键所在。要实现节能降耗的目标，首先需要采用先进的技术

和设备，还要通过精细化管理，从细微之处入手，不断挖掘节能降耗的潜力。

参考文献：

[1]王前方.陈川.数据中心机房空调系统技术白皮书[R].北京.中国工程建设标准化协会信息通信专业委员会数据中心工作组.2011.

[2]中华人民共和国工业和信息化部.GB50174 电子信息系统机房设计规范[S].北京.中国计划出版社.2008.

[3]中华人民共和国建设部.GB5050819 公共建筑节能设计标准[S].北京.中国建筑工业出版社.2005.