1 电力负荷的分级及其意义

　　根据国标GB50052-2009《供配电系统设计规范》的要求,电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电时,对人身安全、经济损失所造成的影响程度进行分级,负荷分级主要是从安全和经济损失两个方面来确定,安全包括了人身生命安全和生产过程、生产装备的安全。为此,国标GB50052-2009将负荷进行如下定义与分级:

　　(1)符合下列情况之一时,应视为一级负荷

　　①中断供电将造成人身伤亡时;

　　②中断供电将在经济上造成重大损失时;

　　③中断供电将影响重要用电单位的正常工作时。

　　一级负荷应由双重电源供电,即负荷的电源是由两个电路提供的,这两个电路就安全供电而言,被认为是互相独立的,当一路电源发生故障时,另一路电源不应同时受到损坏。

　　在一级负荷中,当中断供电将造成重大设备损坏或发生中毒、爆炸或火灾等情况的负荷,以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷,应视为一级负荷中特别重要的负荷。

　　给一级负荷中特别重要的负荷供电,应符合下列要求:

　　①除应由双重电源供电外,还应增设应急电源,并严禁将其它负荷接入应急供电系统。

　　备用电源与应急电源是两个完全不同用途的电源。备用电源是当正常电源断电时,由于非安全原因用来维持电气装置或其某些部分正常运行所需的电源;而应急电源,又称安全设施电源,是用作应急供电系统组成部分的电源。此条是从安全角度考虑,其目的是为了防止其它负荷接入应急供电系统。

　　②设备的供电电源的切换时间,应满足设备允许中断供电的要求。

　　(2)符合下列情况之一时,应视为二级负荷

　　①中断供电将在经济上造成较大损失时;

　　②中断供电将影响较重要用电单位的正常工作时。

　　二级负荷的供电系统,宜由两条线路供电。在负荷较小或地区供电条件困难时,二级负荷可由一路6kV及以上专用的架空线路供电。

　　(3)不属于一级和二级负荷的,应视为三级负荷

　　通过上述用电负荷分级,可正确地界定不同等级的负荷对供电可靠性的要求,以便恰当地选择符合实际水平的供电方式,提高投资的经济效益,保护人员的生命安全。有必要强调的是,规范中对特别重要负荷及一、二、三级负荷的供电要求是最低要求,工程设计中,用户可以根据其本身的特点确定其供电方案。

　　2 数据中心负载的供电分级与UPS配置

　　数据中心作为现代电力系统的重要而特殊的负荷之一,其供电保障方式的配置必须既符合GB50052-2009的要求,又必须满足GB50174-2008的定义及条款要求,其对应关系如表1所示。

　　数据中心通过UPS供电的负载一般分为三类:无人区机房的IT设备、有人区机房的IT设备及机房基础设施设备等。其中:

　　①无人区机房的IT设备包括小型机、服务器、存储、网络通信和介质存储等;

　　②有人区机房的IT设备包括总控中心机房设备、研发机房设备、测试机房设备及OA系统设备等;

　　③UPS供电的应急照明系统、消防控制及撤离指示系统、机房空调风机、楼宇监控系统、综合布线系统等。

　　无人区机房IT设备的UPS供电可参照GB50174-2008的分级标准来配置,有人区和基础设施区负载的UPS供电通常参照B级或C级来配置。此外,UPS配置还应满足:

　　①除主机房外,辅助区、支持区和行政管理区IT设备,宜单独计算与配置,避免多区域共用一套UPS系统;若不得不共用时,应为非主机房外的设备设独立回路,并采取完全选择性保护的措施;

　　②调水泵、空调风扇等非IT设备的UPS,应单独计算与配置;

　　③消防、监控、安防等与生命安全相关设备的UPS或EPS,不属于备用电源范畴,应列入应急电源单独计算与配置。

　　3 数据中心IT负载的供电特性

　　(1) IT负载的相关供电指标

　　数据中心IT负载具有什么样的供电特性,这是我们在数据中心UPS备用电源配置时,需要首先考虑的问题。而服务器是数据中心IT负载中占比最大的设备,所以服务器电源的供电特性是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点。

　　与UPS供电系统相关的服务器电源指标主要包括输入电压、输入频率、输入电流、输入功率、输入功率因数等输入数据以及输出功率等。典型的输入电压范围为AC100～240V,输入频率范围为45～65Hz;随着服务器电源技术的发展以及节能要求的提高,PFC技术(PowerFactorCorrected)越来越广地被采用,输入功率因数约为0.9;输入电流、功率及发热量视具体服务器而定。

　　在实际计算服务器功率时需要注意的是,服务器电源上标注的,例如INPUT(输入):220VAC /4A50Hz,容易让人误解为服务器的输入功率就是220V×4A=880VA,就是该服务器的额定视在功率。需要特别强调的是,INPUT(输入)中,220V是服务器电源额定输入电压,而4A指的是最大额定输入电流能力,表征服务器电源在最低输入工作电压时的最大输入电流能力。因此,直接用输入额定电压×输入额定最大电流来表征额定输入功率是不合适的,也是不正确的。

　　正确计算服务器功率的方法应该用INPUT(输入)功率,例如600W(MAX),这个参数才是该服务器电源的最大输入功率,但很遗憾的是,通常服务器厂家不一定将这个参数标识在服务器外壳上,这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到。

　　那么,接下来的问题是负载的容量是否直接等同于服务器电源的最大功率?答案依然是否定的。

　　对应服务器有三种工况:

　　①铭牌功率:指的是服务器电源铭牌功率;

　　②最大工况设置:指的是服务器系统工作在最大用电负荷时的耗电功率;

　　③CPU100%利用率典型工况:CPU工作在100%利用率时的耗电功率。

　　通常服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%,这是因为服务器厂家在选择电源时,放宽了大约20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。事实上服务器正常工作时的能耗还要小于这个值。因此,在具体的设计工作中,这种裕量和工况差异也建议设计者纳入考虑之中。

　　对于不同负载持续率下的额定功率或额定容量,应换算为统一负载持续率下的有功功率,即设备功率Pe。IT设备功率Pe的确定,可详参ChinaDCC发行的《数据中心供配电系统技术白皮书》第3章“数据中心IT设备电源用电特性”。

　　(2) IT负载电源的工作原理介绍

　　当前IT负载内部的输入电源模块基本采用两种制式,即ATX标准和SSI标准。

　　无论是ATX电源还是SSI电源,UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后,都必须经四级变换,最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压,提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”使用。这四级变换分别为(见图1):

　　第一级:桥式整流器,将220V交流电变为约200～300V的直流电;

　　第二级:高频逆变器,将直流电再转换成几十到几百kHz稳压的高频交流电;

　　第三级:高频隔离变压器,将高频交流电降压并隔离;

　　第四级:高频整流器,将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(或5V、3.3V)输出。

　　了解服务器电源的具体工作原理,对于我们后续进行正确的供电系统设计是非常必要的。

　　4 结束语

　　数据中心作为现代电力系统的重要而特殊的负荷之一,其供电保障方式的配置必须既符合GB50052-2009的要求,又必须满足GB50174-2008的定义及条款要求。在数据中心UPS备用电源配置时,需要首先考虑数据中心IT负载供电特性。而服务器是数据中心IT负载中占比最大的设备,所以服务器电源的供电特性是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点。

　　作者简介

　　王伟,伊顿电气集团电能质量业务部技术总监,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专家,本刊编委。

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