摘要：随着互联网信息技术与智能化迅速发展,数据在呈指数级增长,这些信息和数据的处理、存储、管理和使用离不开安全稳定的数据中心。

　　随着互联网信息技术与智能化迅速发展,数据在呈指数级增长,这些信息和数据的处理、存储、管理和使用离不开安全稳定的数据中心。公众可能感受不到数据中心的存在,但在社会的各个层面,人们须臾离不开数据中心提供的各种服务,离开数据中心的社会生活已不可想象。然而供电作为数据中心运行最基础的条件则成为重中之重。大型数据中心的冗余供电系统,是否万无一失呢?本文通过负载测试对数据中心供电安全的影响和应用,在不同阶段和场合如何更好地维护发电机组健康、平稳运转做了相应的阐述,并给出了部分解决方案。

　　1 数据中心供电安全的重要性

　　数据中心作为国民经济发展的关键节点,在供电安全设计上一直遵循最高标准,通常采用两路市电+2组后备发电机组+2组蓄电池组的多重供电组合。理论上可以提供极为安全的供电环境,但是在实际运行中,数据中心供电系统依然存在安全隐患,而隐患往往又是出现在检测维护流程上,出现在对设备细节的重视程度上。

　　近年来,因为维护不当导致数据中心停电的事故并非个例:

　　2012年7月,美国Hosting.com停电故障造成1100家客户网站停机长达5h。而停电原因是工程师在例行维护时,对断路器错误操作所致。

　　2012年10月,凡客诚品五周年纪念日之际,却因机房停电导致网站无法访问,致使当日的促销活动无法进行,造成的经济损失据称达千万元。

　　2016年1月,美国威瑞森电信的数据中心由于维护问题引发停电,导致捷蓝航空所有数据服务中断,致使旅客滞留机场约7h。

　　就在近日,拥有信息黄埔之称的北京邮电大学校园核心机房着火受损,造成北京高校校园网纷纷崩溃,这其中不仅包含了北邮自身,还有中石油,中政法,清华,北师。这一把火,可以说是烧掉了半个北京的校园网。

　　根据艾默生网络能源和波耐蒙研究所的调研,数据中心发生意外停电故障后,每分钟平均产生的经济损失约5000美元。

　　从细节入手,对检测维护工作高度重视,做好平时对数据中心供电系统的维护,才能最大限度的保障数据中心不出现停电事故,减少不必要的经济损失。

　　2 如何预防供电问题出现

　　①把好验收关。对供电系统以及线路,尤其是作为最后一道防线的后备发电机组进行按照行业标准做进厂验收,保证机组在各种环境下均可正常启动,确保电源质量合格,不把问题放进来;

　　②制定严格的电源定期维护保养流程,遵守流程对电源、尤其是对长期不使用的后备发电机组进行带载测试;

　　③做好每次维护测试的数据记录和管理,建立电源健康档案,保证质量和问题的可追溯性。企业应建立上级维护管理,每次测试后留存数据参数记录,调出档案后查询每次数值记录就可以了解设备是否按照规程制作,机组是否存在异常,及时发现问题及时处理。

　　作为供电系统的最后一道防线,后备发电机组的定期维护却时常被人忽视,尤其是缺少对后备机组带载测试重要性的认识。

　　在空载状态下的常规检测,无法及时发现机组的潜在隐患,只有进行定期的带载测试,才能比照机组的质量标准,验证其性能是否健康。

　　此外,机组长期不使用,或者低功率欠载运行,很快会造成积碳,严重时会发生机组爆燃事故,严重影响机组寿命。为预防欠载,也需要定期让机组处于高负荷状态,保持健康。

　　比如我国为非洲某国建设的援外数据中心项目,由于白天使用状态为满载状态,但夜晚便降低到30%的欠载状态,长期运行会导致积碳,发生事故。我公司实地考察后,根据实际情况进行了配载,杜绝了机组积碳可能性,保证设备的使用寿命。因维护不当导致的发电机组内部积碳实例如图1所示。

　　对后备发电机组进行测试,通常需要几个功能单元组合来实现:

　　①为了使机组处于高负荷状态,需要有模拟负载单元来吸收机组输出的电能,并将电能安全消耗掉;

　　②后备机组多是10.5kV高压机组,控制单元负责对模拟负载单元的带载功率进行调节,使其按照维护规程要求的时间、功率带载;

　　③测量单元负责采集和分析机组输出的电能参数;

　　④数据记录单元可以比对机组电参数,得出其是否合格的结论,并将其存档。

　　通过上述单元组合实现负载测试,最终可以得出结论,告诉我们机组的带载能力是否正常,能否在需要的时候正常启动并输出足够的功率。

　　以往有些企业没有使用模拟负载,在维护时直接让机组带真负载。真负载与模拟负载相比,功率难以精确控制,操作繁琐,不能保证带载的安全性,不是专业的测试手段。尤其是数据中心行业,机房设备十分昂贵,若贸然使用真设备极其容易造成设备损坏报废,造成极大经济损失。

　　3 发电机组检测解决方案

　　假负载在发电机组生命周期不同阶段发挥的作用如图2所示。

　　(1)负载测试贯穿发电机组的整个生命周期第一阶段:新机组装,工程验收。检测功率是否符合标准;

　　第二阶段:消声降噪处理后,需要检测输出功率是否受到影响,核对容量试验;

　　第三阶段:安装一年以上或维修后,需实际带载能力测试;

　　第四阶段:定期带载维护。长期正常使用后,当柴油发电机负载在30%以下,燃气机在25%以下就要做相应配载消除积碳现象,此时负载已由检测设备转化为生产设备,将负载设定发电机组处于欠载状态值内时自动启动,杜绝发电机组欠载;另外定期的检测有助于用户及时发现老化期间、排除故障和隐患,保证发电机组的健康运转。

　　(2)发电机组测试假负载(简称假负载)主要功能

　　①阶段加载:按维护规程的时间和功率,设置多个加载阶段,自动连续的使机组带载,如0→25%→50%→75%→100%连续加载;

　　②稳态测试:在稳定带载状态下,检测机组功率、电压、电流、频率等参数;

　　③瞬态测试:在机组突加突卸状态下,检测机组电参数的波动情况;

　　④计算机软件控制:可以在远程计算机上直接操作测试;

　　⑤数据管理:可以显示并记录各项测试数据,存档备查。

　　(3)企业应充分根据后备发电机组的实际情况,以及使用环境等因素,定制假负载,使负载测试过程最优化。

　　在定制过程中,需要企业提供机组与环境的各项数据:

　　①电压:常见的负载输入电压包括400V、10.5kV、20kV等,根据被测发电机组的电压而定。10.5kV负载的应用最广泛,近几年也有越来越多的企业选择20kV负载;

　　②负载性质:假负载包含阻性负载R、感性负载L、容性负载C,可以只有单一性质的负载,也可以由两种或三种性质的负载组合。

　　目前,数据中心应用较多的是纯阻性负载。由于数据中心存在大量容性用电设备,为了使测试结果更加趋近于真实工况,能通过测试结果全面验证机组性能,越来越多的企业选择RC阻容式负载;

　　③功率:负载功率通常是单台发电机组额定有功功率的110%,比如1600kW机组适合配备1760kW的负载,1800kW机组可以配备2000kW负载。目前2000kW负载的应用最为广泛;

　　④控制方式选择:假负载日常不会在本地进行操作,而是在百米之外远程控制。可以选择控制柜、外控箱、笔记本电脑(含软件)等多种形式操作模拟负载;

　　⑤产品封装与通风:负载通常采用集装箱封装,常见的有6m标准箱或9m标准箱。负载采取热能耗原理,将电能转化为热能消耗掉,因此需要风冷散热,常见的进出风方式为两侧进风、顶部出风。负载周围3m不能有障碍物,以免影响通风。

　　企业可根据自身环境,选择固定式或移动式负载,选择固定在建筑物楼顶、底部等合适场所。比如哈尔滨某军工企业,在最初设计时没有充分了解负载设备的具体指标,将负载拟安装在厂房内。后工作人员在实地勘查时发现若按原设计方案运行负载一小时后环境温度可高达80℃以上,后经及时修改设计方案,节省了企业大量财力与时间,设备也得以正常使用。

　　上面提到数据中心应用较多的是纯阻性负载。由于数据中心存在大量容性用电设备,为了使测试结果更加趋近于真实工况,在情况允许的情况下提前设计或通过测试验证机组性能都可以达到目的。

　　4 数据中心机房线路和冷却系统提供验收解决方案

　　机架式负载模拟机房服务器,专门为数据中心而设计,具有安全,可靠,体积小完全模拟现场服务器负载的特点。是数据中心负载的理想选择,在机房验收时发挥以下作用:

　　①在机房接入服务器之前代替服务器作为末端负载,能够更好的模拟服务器的性能,帮助判断电源设备的可靠性;

　　②测试输电线路的安全性及电池等储电设施的可用性,同时协助进行配合各种电源的切换。即检测电路在连接过程中有没有出现因电路虚接导致电路出现热点、损害电路安全现象;

　　③作为和机架式服务器相似的热源,能够模拟服务器的电力使用、散热及其他方面的气流变化。通过集成测试,确保供配电系统、空调新风系统、防雷接地系统、监控系统、机房综合环境、机柜IT微环境、机房装修工程等各系统之间有效运行,并验证达到设计及运营要求的程度。

　　在机架式负载功率选择上可以根据机房服务器功率大小决定,常用的机架式负载功率为3、4、5、6、8kW不等,通常一次性会使用数百台一起测试。通常为交流220V±10%/50Hz、直流240至270V,可以根据需求选择纯交流或纯直流机架式负载、选择交直流通用型负载。

　　机架式负载常见两种电阻形式:合金电阻式与PTC电阻式。

　　合金电阻式的优缺点:受温度影响小,功率稳定,但电压变化时不能保持恒流恒功率,然而在交流220V或直流240V电压下可基本保持恒功率。具体数据标准还有待勘定。

　　PTC电阻式的优缺点:受电压影响小,可以恒流恒功率运行,但温度变化时功率波动明显,冲击较大,而且会产生大量谐波。

　　5 负载测试中的技术难点

　　(1)绝缘安全:测试高压发电机组对模拟负载绝缘强度要求高越来越多的企业需要对20kV机组进行测试,这时对负载的绝缘强度要求极高,尤其负载长期工作在室外,容易因为下雨等原因导致绝缘下降,发生危险。

　　早期低压负载内的电阻部件多数直接安置在不锈钢隔板上,但是在高压负载设备的设计中却行不通,绝缘强度、电容等因素导致不锈钢与机箱存在电容,尤其是在潮湿的环境下长时间运行后极易结水导电,酿成事故。经过研发,可采用独特的高绝缘强度复合架构,使设备具有防潮、防雨、防腐蚀、耐高温的特点,即使长期工作在非常潮湿的条件下,也能保持良好的绝缘性和可靠性。由此凯翔负载成为国内最早可直接安全检测20kV以上高压发电机组的设备。此技术现已获得发明专利,直接检测20kV高压机组,就可以无需变压器中转,为企业节省变压器的投入成本。

　　(2)容性负载:模拟容性负载时容易导致冲击和泄放使用容性模拟负载对发电机组进行测试时,由于容性负载的特性,极易在启停时造成对机组的冲击和泄放,对机组造成伤害。

　　凯翔科技通过创新的电路和保护设计,使容性负载不会对机组造成影响,可以安全完成测试,从而使高压阻容一体式负载成为可能,更加全面的验证机组性能。

　　(3)过热保护:模拟负载采用热能耗原理,容易高温过热

　　凯翔科技自主研发的负载专用集成化保护模块,同时具有过热、过电压、过电流、风量过低、风机热过载、风机相序等多重保护功能,并能向控制系统准确、及时的反馈异常原因,是负载行业非常全面的保护系统。

　　北京某数据中心项目,原设计要求在负载设备周围3m内保持通风,因企业疏忽,在负载设备旁搭建一面空心墙。后期在测试时因远程系统及时发出警报,从而避免了事故的发生。

　　(4)移动便利:数据中心园区机组未必集中,需要移动测试

　　凯翔高压负载采用标准集装箱封装,顶部有吊装环,可以很方便的吊装到需要的位置。同时还提供移动车载式负载,移动更加便利。

　　相比传统测试用的水负载,固定后也可以再次移动,施工成本极低,使用范围灵活。

　　(5)智能管理:测试结果要能直观反映问题,储存后便于查找;

　　凯翔科技可根据业主测试规程的个性化要求,对软件数据分析与管理部分进行个性化设计,在软件界面、功能、参照标准等方面量体裁衣,满足企业需要。软件可对测试数据进行显示和记录,设定编号管理和查询,生成各种曲线、图表、测试报告。

　　供电系统作为数据中心基础设施主要组成部分,在数据中心行业发展中地位越来越显著,对数据中心供电安全技术的研究越来越受到行业内人士的关注,假负载技术在供电安全领域的技术及应用也日臻标准化、全面化、系统化。选择高效、经济、可用性高的负载设备维护数据中心的供电安全,已逐渐成为行业内的共识。

　　作者简介

　　陈国民,河北凯翔电气科技股份有限公司技术总监,从事电源检测自动化和智能化领域的研究应用已有二十余年。在数据中心、电信机房应急以及后备电源测试和维护方面具有丰富经验和创见。

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