1、電力負荷的分級及其意義

　　根據國標GB50052-2009《供配電系統設計規范》的要求,電力負荷應根據對供電可靠性的要求及中斷供電時(shí),對人身安全、經(jīng)濟損失所造成的影響程度進(jìn)行分級,負荷分級主要是從安全和經(jīng)濟損失兩個(gè)方面來(lái)確定,安全包括了人身生命安全和生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)裝備的安全。為此,國標GB50052-2009將負荷進(jìn)行如下定義與分級：

　　（1）符合下列情況之一時(shí),應視為一級負荷

　?、僦袛喙╇妼⒃斐扇松韨鰰r(shí)；

　?、谥袛喙╇妼⒃诮?jīng)濟上造成重大損失時(shí)；

　?、壑袛喙╇妼⒂绊懼匾秒妴挝坏恼９ぷ鲿r(shí)。

　　一級負荷應由雙重電源供電,即負荷的電源是由兩個(gè)電路提供的,這兩個(gè)電路就安全供電而言,被認為是互相獨立的,當一路電源發(fā)生故障時(shí),另一路電源不應同時(shí)受到損壞。

　　在一級負荷中,當中斷供電將造成重大設備損壞或發(fā)生中毒、爆炸或火災等情況的負荷,以及特別重要場(chǎng)所的不允許中斷供電的負荷,應視為一級負荷中特別重要的負荷。

　　給一級負荷中特別重要的負荷供電,應符合下列要求：

　?、俪龖呻p重電源供電外,還應增設應急電源,并嚴禁將其它負荷接入應急供電系統。

　　備用電源與應急電源是兩個(gè)完全不同用途的電源。備用電源是當正常電源斷電時(shí),由于非安全原因用來(lái)維持電氣裝置或其某些部分正常運行所需的電源；而應急電源,又稱(chēng)安全設施電源,是用作應急供電系統組成部分的電源。此條是從安全角度考慮,其目的是為了防止其它負荷接入應急供電系統。

　?、谠O備的供電電源的切換時(shí)間,應滿(mǎn)足設備允許中斷供電的要求。

　　（2）符合下列情況之一時(shí),應視為二級負荷

　?、僦袛喙╇妼⒃诮?jīng)濟上造成較大損失時(shí)；

　?、谥袛喙╇妼⒂绊戄^重要用電單位的正常工作時(shí)。

　　二級負荷的供電系統,宜由兩條線(xiàn)路供電。在負荷較小或地區供電條件困難時(shí),二級負荷可由一路6kV及以上專(zhuān)用的架空線(xiàn)路供電。

　?。?）不屬于一級和二級負荷的,應視為三級負荷

　　通過(guò)上述用電負荷分級,可正確地界定不同等級的負荷對供電可靠性的要求,以便恰當地選擇符合實(shí)際水平的供電方式,提高投資的經(jīng)濟效益,保護人員的生命安全。有必要強調的是,規范中對特別重要負荷及一、二、三級負荷的供電要求是最低要求,工程設計中,用戶(hù)可以根據其本身的特點(diǎn)確定其供電方案。

　　2、數據中心負載的供電分級與UPS配置

　　數據中心作為現代電力系統的重要而特殊的負荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿(mǎn)足GB50174-2008的定義及條款要求,其對應關(guān)系如表1所示。

　　數據中心通過(guò)UPS供電的負載一般分為三類(lèi)：無(wú)人區機房的IT設備、有人區機房的IT設備及機房基礎設施設備等。其中：

　?、贌o(wú)人區機房的IT設備包括小型機、服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò )通信和介質(zhì)存儲等；

　?、谟腥藚^機房的IT設備包括總控中心機房設備、研發(fā)機房設備、測試機房設備及OA系統設備等；

　?、踀PS供電的應急照明系統、消防控制及撤離指示系統、機房空調風(fēng)機、樓宇監控系統、綜合布線(xiàn)系統等。

　　無(wú)人區機房IT設備的UPS供電可參照GB50174-2008的分級標準來(lái)配置,有人區和基礎設施區負載的UPS供電通常參照B級或C級來(lái)配置。此外,UPS配置還應滿(mǎn)足：

　?、俪鳈C房外,輔助區、支持區和行政管理區IT設備,宜單獨計算與配置,避免多區域共用一套UPS系統；若不得不共用時(shí),應為非主機房外的設備設獨立回路,并采取完全選擇性保護的措施；

　?、谡{水泵、空調風(fēng)扇等非IT設備的UPS,應單獨計算與配置；

　?、巯?、監控、安防等與生命安全相關(guān)設備的UPS或EPS,不屬于備用電源范疇,應列入應急電源單獨計算與配置。

　　3、數據中心IT負載的供電特性

　　（1）IT負載的相關(guān)供電指標

　　數據中心IT負載具有什么樣的供電特性,這是我們在數據中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮的問(wèn)題。而服務(wù)器是數據中心IT負載中占比最大的設備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數據中心供配電系統建設的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

　　與UPS供電系統相關(guān)的服務(wù)器電源指標主要包括輸入電壓、輸入頻率、輸入電流、輸入功率、輸入功率因數等輸入數據以及輸出功率等。典型的輸入電壓范圍為AC100～240V,輸入頻率范圍為45～65Hz；隨著(zhù)服務(wù)器電源技術(shù)的發(fā)展以及節能要求的提高,PFC技術(shù)（PowerFactorCorrected）越來(lái)越廣地被采用,輸入功率因數約為0.9；輸入電流、功率及發(fā)熱量視具體服務(wù)器而定。

　　在實(shí)際計算服務(wù)器功率時(shí)需要注意的是,服務(wù)器電源上標注的,例如INPUT（輸入）：220VAC /4A50Hz,容易讓人誤解為服務(wù)器的輸入功率就是220V×4A=880VA,就是該服務(wù)器的額定視在功率。需要特別強調的是,INPUT（輸入）中,220V是服務(wù)器電源額定輸入電壓,而4A指的是最大額定輸入電流能力,表征服務(wù)器電源在最低輸入工作電壓時(shí)的最大輸入電流能力。因此,直接用輸入額定電壓×輸入額定最大電流來(lái)表征額定輸入功率是不合適的,也是不正確的。

　　正確計算服務(wù)器功率的方法應該用INPUT（輸入）功率,例如600W（MAX）,這個(gè)參數才是該服務(wù)器電源的最大輸入功率,但很遺憾的是,通常服務(wù)器廠(chǎng)家不一定將這個(gè)參數標識在服務(wù)器外殼上,這個(gè)參數通常只有在服務(wù)器電源銘牌上才能看到。

　　那么,接下來(lái)的問(wèn)題是負載的容量是否直接等同于服務(wù)器電源的最大功率?答案依然是否定的。

　　對應服務(wù)器有三種工況：

　?、巽懪乒β剩褐傅氖欠?wù)器電源銘牌功率；

　?、谧畲蠊r設置：指的是服務(wù)器系統工作在最大用電負荷時(shí)的耗電功率；

　?、跜PU100%利用率典型工況：CPU工作在100%利用率時(shí)的耗電功率。

　　通常服務(wù)器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%,這是因為服務(wù)器廠(chǎng)家在選擇電源時(shí),放寬了大約20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%。事實(shí)上服務(wù)器正常工作時(shí)的能耗還要小于這個(gè)值。因此,在具體的設計工作中,這種裕量和工況差異也建議設計者納入考慮之中。

　　對于不同負載持續率下的額定功率或額定容量,應換算為統一負載持續率下的有功功率,即設備功率Pe。IT設備功率Pe的確定,可詳參ChinaDCC發(fā)行的《數據中心供配電系統技術(shù)白皮書(shū)》第3章“數據中心IT設備電源用電特性”。

　?。?）IT負載電源的工作原理介紹

　　當前IT負載內部的輸入電源模塊基本采用兩種制式,即ATX標準和SSI標準。

　　無(wú)論是ATX電源還是SSI電源,UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負載內部后,都必須經(jīng)四級變換,最后轉換成穩定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負載內部的CPU、內存、存儲設備、網(wǎng)絡(luò )通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換分別為（見(jiàn)圖1）：

　　第一級：橋式整流器,將220V交流電變?yōu)榧s200～300V的直流電；

　　第二級：高頻逆變器,將直流電再轉換成幾十到幾百kHz穩壓的高頻交流電；

　　第三級：高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離；

　　第四級：高頻整流器,將穩定的高頻交流電轉換成穩定的直流12V（或5V、3.3V）輸出。

　　了解服務(wù)器電源的具體工作原理,對于我們后續進(jìn)行正確的供電系統設計是非常必要的。

　　4、結束語(yǔ)

　　數據中心作為現代電力系統的重要而特殊的負荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿(mǎn)足GB50174-2008的定義及條款要求。在數據中心UPS備用電源配置時(shí),需要首先考慮數據中心IT負載供電特性。而服務(wù)器是數據中心IT負載中占比最大的設備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個(gè)數據中心供配電系統建設的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。

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