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模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?

为适应新的DC局房建设改造模式,控制投资规模,积极推进“轻资产”的运营模式,本文通过高频UPS交流稳压电源与模块化UPS交流稳压电源的建设方案对比,从传统UPS交流稳压电源系统配置中跳出,通过优化模块化UPS交流稳压电源的系统配置,提出“2N-”系统概念,满足需求与安全性,同时减少投资、提高灵活度,达到创新性使用新设备的目的。

关于DC局房改造建设的背景及要求

  根据中国联通的IDC布局定位,要构建“集团级战略/核心基地+省级DC+地市DC/边缘节点”三级云数据中心体系,分层分级满足不同地域、不同类别客户业务需求,三级云数据中心一体化协同部署与运营,全网覆盖形成M(集团级)+1(省级中心)+N(地市级边缘)规划格局。

  2015年,联通全国有PSTN机房退网,约有2300多个端局、6万多模块局需要退网改造,绝大多数PSTN端局集中在北方十省(占87%),其中省会城市约占27%。

  通过考察现有交换局房的使用情况,交换局房一般具有建设年代早、基础设施条件差、数量多、单局空余面积较小等特点,考虑IDC业务发展规划格局,交换局房改造定为N类规划格局,定位于中、低端IDC机房,满足互联网及本地中小企业客户租赁机柜、带宽的需求,这些用户对机房要求低、价格敏感、属地化要求高。

河北IDC建设背景及在用机柜功耗分析

  河北省目前11个地市分公司都有IDC机房,并拟在2017~2019年规划重点发展IDC业务。

  由于IDC业务是一种密集、高能耗产品,建设前期投资大,配套UPS交流稳压电源、蓄电池组及空调等设备投资占局房内设备的50%以上,运营期PUE值测算甚至达到2.0,能耗费用支出长期居高不下。因此,降低投资成本,减少运维能耗成本,就要在建设初期进行合理的设备选型及配置核算,减小设备冗余度,使设备系统利用率及工作效率达到最优状态。

  通过统计,目前省内IDC单机柜的平均功耗从1kW到3kW不等,部分机房从2007年建成至今单机柜功耗始终未超过1kW,全省IDC机房统计单机柜平均功耗仅为1.6kW,与业务需求部门提出的3kW、4kW单机柜功耗需求相差太大,直接导致局房高低压系统、油机系统、通信电源配套系统冗余量超出设计值的50%,造成建设投资严重浪费。

  但是业务发展需求又是与市场密切关联的,单一降低单机柜功耗指标是不现实的,且存在运行风险。因此,研究并出合理的通信电源设备配置方案,是本文关注的重点所在。


DC局房UPS交流稳压电源配置选型的可行性分析

  联通集团关于DC局房改造局站的选取建议:

1

优先选择建成年代较近(不超过25年);

2

建设标准较高(楼面活荷载不低于6kN/m2);

3

抗震性能较好(框架、框剪结构)。


  然而从实际统计数据分析,由于早期机房的建设标准较最新标准各项指标略显不足,尤其承重荷载指标,早期机房普遍承重荷载为6kN/m2,甚至有些建筑图纸缺少承重数据标记。因此,楼面活荷载不低于6kN/m2便成为一个最低限指标。

  以常用的300~400kVA的UPS交流稳压电源产品测算:

1

集团集采的传统工频UPS交流稳压电源的承重荷载要求普遍超过了10kN/m2,甚至部分厂家设备承重荷载要求达到13kN/m2,原有局站承重荷载基本不能满足电源设备使用要求。

2

集采入围的高频UPS交流稳压电源设备承重荷载要求在8kN/m2左右,通过对设备进行合理布局(如将设备安装在承重梁上)或通过安装引力扩散架等改造手段,使设备符合安装条件,可以作为设备选型之一。

3

近年来推出的模块化UPS交流稳压电源承重要求普遍为5kN/m2左右,属于轻量型设备,符合承重要求,本次也作为设备选型之一。下面对符合安装条件的高频UPS交流稳压电源系统和模块化UPS交流稳压电源系统进行多方面计算与比较,并选出最优配置方案。


使用模块化UPS交流稳压电源系统的技术前提

1模块化UPS交流稳压电源的使用前提,应解决好以下两方面问题:

1

其可靠性是否通过了技术验证。经过这些年的厂家的不断推广、改进,以及各运营商的实际运营经验,在最新的采购数量统计中,移动公司的采购占到了近30%,年度增长率达360%,移动公司的使用在一定程度上验证了其可靠性。多模块交流并联的安全性顾虑也通过技术的演进基本得到解决。

2

运维部门对模块化UPS交流稳压电源系统使用安全模式的认可。顾名思义,模块化系统其安全备用采用的是模块的备用,一套单台模块化UPS交流稳压电源系统在配置了“N+X”备用的模块后,其安全性基本等同于一套N+1多台高频UPS交流稳压电源系统。如果沿用N+1系统模式将设备换用为模块化UPS交流稳压电源系统,则其优异的扩容性、备用的方便性便被高昂的投资成本所抵消。

  在本次应用场景中,由于公司加大了投资效益的考核,且对改造DC局房所面对的用户层级进行了明确的定位(定位于T2-T3),单台模块化UPS交流稳压电源的系统安全性能够满足业务需求,因此模块化UPS交流稳压电源系统进入了技术筛选范围。


2使用模块化UPS交流稳压电源需优化配置

  使用模块化UPS交流稳压电源,并创建“2N-”系统,安全性接近2N系统。通过合理预留扩容模块位置,预留输出屏端子及蓄电池接入开关,便可以解决设备投产后早期用户数量或负荷偏小造成的冗余设备投资的浪费,使设备工作在最佳负荷区,发挥出最高工作效率,既节省工程投资,又节省运营支出成本。

不同UPS交流稳压电源供电方案的可靠性及投资效益对比

  案例:在XX局IDC机房4F、5F各新增IDC机架190架,共计380架,本期按单机柜功耗按2kW计列、终期单机机柜功耗按3.3kW考虑进行电源方案配置。交流不间断电源及后备蓄电池组设备的容量按近期负荷配置,考虑远期负荷增加时可进行设备扩容以满足远期配置。

1高频UPS交流稳压电源系统

供电方式常采用以下三种方式:

1

“1+1”并联冗余UPS交流稳压电源电源系统;

2

“2+1”并联冗余UPS交流稳压电源电源系统;

3

2N双总线UPS交流稳压电源电源系统。


  各种供电方式的负载率要求见表1。本次采用“2+1”高频UPS交流稳压电源系统进行方案论证,“2+1”UPS交流稳压电源系统图,见图1。

模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?

模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?


  UPS交流稳压电源系统功率因数按0.9考虑,通信局(站)电源系统维护技术要求第4部分:不间断电源(UPS交流稳压电源)第4.3.6条规定:“对于N+l并联冗余系统,系统输出端的最大负载应不超过UPS交流稳压电源容量×N×80%”。本期某局新增IDC机柜380个,单机柜功率2kW,交流负载总功率需求760kW,本期需新建UPS交流稳压电源容量为:760kW/0.9/0.8 =1055(kVA),终期交流负载总功率2111kVA。本期采用400kVA(2+1)并联冗余UPS交流稳压电源。本期需要UPS交流稳压电源系统数量=1055/800=1.3套400kVA“2+1”UPS交流稳压电源系统,终期需要2.6套400kVA“2+1”UPS交流稳压电源系统。而按照传统系统配置原则一般会按终期方案实施。反推计算:3套400kVA“2+1”UPS交流稳压电源系统带380个机架,每套平均带127个机架,在初期负载2kW的情况下,每套系统带载253kW,400kVA“2+1”UPS交流稳压电源系统每台带负载84kW,负载率为23%,经查阅多个厂家提供技术参数,23%负载率时的UPS交流稳压电源系统效率较低,见图2。

模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?

  蓄电池配置分析:蓄电池组的常规配置方案是按照终期负荷计算后备时间,并对每台UPS交流稳压电源设备配置一组蓄电池组。经计算,应配置1000Ah/384V蓄电池组9组。若按以上配置结果,则在负载为2kW/机架的运行期间,则系统电池后备时间将大幅攀升至2h。

  如果蓄电池组考虑分期建设,则3套400kVA“2+1”UPS交流稳压电源系统在初期配置需要9组500Ah/384V蓄电池组,终期按需扩容至18组500Ah/384V蓄电池组。

  投资分析:综上所述,通过对传统UPS交流稳压电源系统配置、蓄电池组配置及设备投资进行详细分析,不难发现我们按照传统UPS交流稳压电源系统的建设思路,UPS交流稳压电源主机及UPS交流稳压电源蓄电池组直接按照终期负载需求配置,会造成建设投资严重的浪费,建议根据业务发展需求合理规划通信电源设备容量,分步按需配置。传统UPS交流稳压电源配置投资见表2和表3。

模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?

模块化UPS交流稳压电源最优配置原则是什么?


2模块化UPS交流稳压电源“2N-”系统

 

1

系统配置分析

  针对上述案例,考虑本期电源主要为IDC机柜提供电源保障,通信设备采用交流不间断电源(UPS交流稳压电源)设备进行供电,本期方案UPS交流稳压电源设备选型为模块化500kVAUPS交流稳压电源系统,两台模块化500kVAUPS交流稳压电源系统构成“2N-”系统(表4):即模块化500kVAUPS交流稳压电源系统形成2N系统结构,但负荷使用率不是按照单台设备承担不超过40%的传统2N模式,而是单台设备可以承担60%~80%的负荷,其冗余为另一台UPS交流稳压电源设备1~2个模块故障退服造成的负荷增加。计划新增4台单机模块化500kVAUPS交流稳压电源系统满足4F、5F机房设备用电需求,简单计算:单系统负责给95个IDC机柜供电。系统模块数量按照近期负荷需求(2kW/机柜)配置,因此单系统配置7个50kVA模块,其中主用模块5个,后续平均单机柜功耗超过2kW时,按需进行模块扩容,满足设备用电。


  负荷确定后,两台单机模块化UPS交流稳压电源设备组成一个“2N-”系统:每台单机模块化UPS交流稳压电源设备供电给190个机架的一侧电源,形成机架的双供电模式。反推计算:每套单机模块UPS交流稳压电源系统每台平均带95个机架,在初期负载2kW的情况下,每套系统带载190kW,7个模块350kVAUPS交流稳压电源系统每台带负载率为60%,经查阅多个UPS交流稳压电源厂家提供技术参数,60%负载率的UPS交流稳压电源系统效率约96%,UPS交流稳压电源系统工作在最佳状态。

2

UPS交流稳压电源系统结构图见图3

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3

蓄电池配置

  不同厂家蓄电池的恒功率放电数据会稍有所差别,参考厂家提供的恒功率放电数据表,单体电池放电终止电压1.75V时功率为

  P=η×S×λ×cosφ/n

  式中,η——放电安全系数;取1.25;

  S——UPS交流稳压电源系统额定容量;

  λ——UPS交流稳压电源系统使用额定容量百分比;取80%;

  cosφ——UPS交流稳压电源主机输入功率因数;取0.9;

  n——蓄电池只数。取384只。

  基于以上计算方法,即:P=733W。查恒功率放电数据表得出:满足350kVAUPS交流稳压电源系统(按近期负荷配置UPS交流稳压电源)正常运行后备时间约30min需要配置蓄电池组400Ah/768V,后期若单机柜平均功率达到3.3kW时,UPS交流稳压电源系统容量扩容至满配500kVA,将原有蓄电池组并联扩容至800Ah/768V。其中蓄电池开关箱需配置2个800A直流开关,方便后期直接进行蓄电池组扩容。

4

投资分析

UPS交流稳压电源配置方案对比总结

  综上论证,模块化UPS交流稳压电源“2N-”系统与高频UPS交流稳压电源系统相比,无论从机房承重、安装空间、系统布线、工作效率等多方面,还是从建设投资及设备运行核算考虑,模块化UPS交流稳压电源“2N-”系统总体上都优于高频UPS交流稳压电源系统。

  因此对于模块化UPS交流稳压电源“2N-”系统供电,UPS交流稳压电源系统数量可按照终期用电需求进行配置,实际系统容量按照近期负荷配置模块,后备蓄电池组的容量按照近期需求配置。后续按实际需要进行模块、蓄电池的扩容,进而保证在节省建设成本的同时降低了后期电源运营成本的支出。

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