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某数据中心果UPS严重调换形成宕机事宜的剖析和预防措施

1. 概略

        某数据中心机房IT负载的UPS供配电体系是由4台400kVAUPS并机组成,为(3+1)冗余体系。UPS输入配电母线的进线有两路,一起是引自大楼总变配电室的市电电源,另外一路是引自大楼备用高压柴油发电机的应急电源,两个电源经由ATS双电源主动切换开关后输入到UPS输入配电母线上背4台UPS供电,4台UPS并机输出到UPS输出母线上经由过程各馈电开关背各机房IT装备供电,UPS输入配电母线和UPS输出配电母线之间设有手动总维修旁路。一般运转时ATS切换正在市电侧供电,当市电应故停电备用柴油发电机启动一般后ATS将主动切换到备用柴油发电机供电。

        为知足数据中心扩容生长,数据中心实行把4台400kVA的UPS(旧机)改换成4台500kVA的UPS(新机)的计划,考虑到本地市电的不稳定因数,决意正在实施方案时期接纳备用柴油发电机替代市电供电,并正在预备阶段预先对柴油发电机停止了屡次单机和并机带载的胜利测试,以确保计划实行时十拿九稳。

计划实行事宜归纳综合成以下几个阶段:

(1)第1阶段:ATS切正在市电供电,4#UPS(旧机)关机下电做改换施工,1#UPS、2#UPS和3#UPS(3台旧机)并机带载运止,体系事情一般;

(2)第2阶段:ATS由市电切换为柴油发电机供电,3台柴油发电机并机供电运转,1#UPS、2#UPS和3#UPS(3台旧机)并机带载运止,体系事情一般;

(3)第3阶段:3台柴油发电机继承并机供电运转,3#UPS(旧机)关机下电做改换施工,1#UPS和2#UPS(2台旧机)并机带载运止,正在3#UPS关机50分钟今后,1#UPS和2#UPS主动跳转到内旁路供电,此时发电机经由过程UPS的内旁路间接背机房IT负载供电;

(4)第4阶段:正在1#UPS和2#UPS(2台旧机)主动跳转到内旁路供电的12分钟今后,第1台柴油发电机收回掉磁告警并退出并机体系主动停机;

(5)第5阶段:又过18分钟今后,第2台柴油发电机收回掉磁告警并退出并机体系主动停机,紧接着约20秒第3台柴油发电机收回掉磁告警并主动停机,1#UPS和2#UPS(2台旧机)同时收回“LOAD OFF”告警,此时负载掉电,机房设备宕机。

(6)第6阶段:3分钟后,ATS切回到市电供电并接纳有关步伐使机房设备规复供电。

 

2. 事宜剖析

        正在计划实行的第1阶段,ATS切正在市电供电,4#UPS(旧机)关机下电退出运转,体系由1#UPS、2#UPS和3#UPS(3台旧机)并机带载运止,3台UPS并机运止的安装总容量为1200kVA,输出供电容量为1200kVA*0.8=960kVA,机房IT负载容量为725kVA,UPS体系输出供电容量大于IT负载容量,体系事情一般。

        正在计划实行的第2阶段,ATS切正在柴油发电机供电,柴发电源是由3台容量为1275kVA的自激式柴油发电机并机运止供电的,总供电容量为1275kVA*3=3825kVA,完整知足UPS负载容量需求,其他状况取第1阶段雷同,体系事情一般。

        正在计划实行的第3阶段,3台柴油发电机继承并机供电运转,3#UPS(旧机)关机下电退出运转,1#UPS和2#UPS(2台旧机)并机带载运止,50分钟今后1#UPS和2#UPS主动跳转到内旁路供电,此时发电机经由过程UPS的内旁路间接背机房IT负载供电。第3阶段是事宜的要害阶段之一,为何1#UPS和2#UPS会主动跳转到内旁路供电的?是由于2台UPS并机运止的安装总容量为800kVA,输出供电容量为800kVA*0.8=640kVA,机房IT负载容量为725kVA,UPS体系输出供电容量小于IT负载容量,UPS正在过负荷运转下自我珍爱主动跳转到内旁路供电,体系泛起非常。

        正在计划实行的第4阶段和第5阶段,1#UPS和2#UPS(2台旧机)主动跳转到内旁路供电今后,3台柴油发电机连续收回掉磁告警并主动停机,形成机房负载掉电,IT装备宕机的不良事宜发作。第4阶段和第5阶段是事宜的要害阶段之二。

        事宜的要害阶段之一,缘由是因为2台400kVA的UPS并机运止动员不了725kVA的IT负载形成的,关于那方面题目的分析研究和解决方案正在机房《手艺取管理》专业性威望期刊总第68期中有关专家已停止了深切叙述,本文不再议论。

        事宜的要害阶段之二是正在计划实行的第4阶段和第5阶段,1#UPS和2#UPS(2台旧机)果过负荷珍爱主动跳转到内旁路供电今后,为何三台柴油发电机会连续收回掉磁告警并主动停机?是柴油发电机容量缺乏吗?不是,由于事先柴油发电机单机容量为1275kVA,三台并机总容量为3825kVA,而所带的IT负载为725kVA,事先发电机没有带其他负载,发电机容量是负载容量的5.2倍。为何三台柴油发电机会连续收回掉磁告警并主动停机是我们本文要议论的重点题目。

2.1机房IT负载的特性

        机房IT负载重要由服务器、路由器、存储器、交换机等用电装备构成,跟着低碳经济对节能加排的要求的进步,计算机负载的节能要求也明显进步。我们晓得,计算机、服务器的电源一般装有LC滤波电路,用以进步负载的功率因数和低落负载电流的谐波,到达低落能耗和削减电网净化的要求。

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        计算机电源设计时滤波电容一样平常按满载容量拔取,而一般计算机装备现实均匀功耗为满载设想功耗的50%~80%之间,关于多台计算机装备用电的数据中心,其总IT负载等效于并联了多个滤波电容的无功赔偿电路,本该为感性负载的服务器正在低载运行时,这些滤波电容使IT供配电体系的总电流相位前移,输入电流相位超前于电压相位,使整体负载显现容性,即泛起功率因数超前征象。IT装备跟着数据处理量巨细的转变其耗电量也随之转变,以是IT负载耗电容量是静态转变的,从而引发负载功率因数也是静态转变的。

        新型计算机负载有两个主要特性:一是负载的功率因数提拔到0.95以上,二是负载可能会由传统的感性负载变成容性负载。

2.2 UPS的特性

        UPS是一种下质量、下可靠性的自力电源,是一种蓄电池静止型不间断供电装配,是数据中心最重要的电源装备。UPS由整流器、逆变器、交换静态开关和蓄电池组构成。日常平凡,市电经整流器变成直流对蓄电池浮充电,同时经逆变器输出下质量的交换净化电源背负载供电。当市电因故停电时,体系主动切换到蓄电池组放电经逆变器顺变供电,连结负载供电不间断,当UPS超载时能主动转为静态旁路供电。。

        UPS的根基感化就是处理电源滋扰题目,UPS具有稳压稳频、净化电源、低落波形失真和突波珍爱功用。

        UPS正在市电停电主动转换到蓄电池顺变供电、正在发明超载时由一般供电转换到静态旁路供电和以上反方背的电源转换历程中,其转换工夫极短,能够以为是正在0ms霎时完成,不会形成计算机停机。

        UPS另有一个重要作用就是UPS的输出端可以或许顺应IT负载的静态转变而引发的功率因数在一定范围内的转变,能最大限度天减低输出电压总谐波影响;UPS的输入端不会泛起功率因数超前的征象,能最大限度天低落输入电流谐波失真。比如说新型伊顿塔式高频UPS,UPS输入功率因数为0.99,也就是说其UPS输入功率因数最大为0.99;UPS的输出功率因数为0.8超前至0.7滞后,也就是说其输出功率因数局限完整知足新型计算机负载的功率因数的转变局限。

2.3柴油发电机的特性

        数据中心的自备电源一样平常是由后备柴油发电机供应,当市电因故停电时,后备柴油发电机可以或许敏捷启动发电保持机房设备的一般运转。

2.3.1柴油发电机的分类和事情道理

        数据中心备用柴油发电机组是由柴油发动机、交换同步发电机、掌握屏(配电及控制系统)三局部构成。柴油发电机组根据交换同步发电机的励磁体式格局的差别可分为永磁发电机取励磁发电机两类,而励磁发电机又分为自励式和他励式。

(1)三相交换自激式同步发电机

        自激式同步发电机即为自励式同步发电机,图3是正在励磁发电机中具有代表性的自激式同步发电机,自激式同步发电机从发电机自己定子绕组或辅佐绕组获得励磁电源,经主动电压调节器AVR后再掌握励磁机定子磁场,由励磁机转子收回的受控电压经扭转整流二极管整流后送到发电机主机转子绕组励磁发电。

(2)三相交换PMG永磁式同步发电机组

        图4是具有代表性的PMG永磁式同步发电机,永磁发电机取励磁发电机的最大区分在于它的励磁磁场是由永磁体发生的。永磁体正在机电中既是磁源,又是磁路的组成部分。永磁励磁发电机作为副励磁机背主动电压调节器AVR供应电源,正在AVR中取与自立发电机定子绕组的检测旌旗灯号对照后输出可控直流给励磁机定子绕组,由励磁机转子收回的受控电压经扭转整流二极管整流后送到发电机主机转子绕组励磁发电,国际一流品牌康明斯PMG永磁式柴油发电机就是凭据这个道理事情的。

(3)三相交换同步发电机的绕组取接线体式格局

        三相交换同步发电机的定子上安装有三个发电绕组,离别称为A相绕组、B相绕组和C相绕组,三个绕组的空间位置间相差120°,发电机运行时,发电机定子三相绕组切割转子扭转磁场而发生感生电动势Ea、Eb和Ec,图5示意三相交换同步发电机的三相发电绕组的空间散布其相互之间相差120°、输出电势取励磁电流掌握的的原理图,图6示意高压三相交换同步发电机的三相绕组为星形接法背负载供电时的电路原理图。

(4)三相交换同步发电机的电压取电流的初相位

        三相交换同步发电机带载运行时,其电压和电流的初相位雷同时,此时相位差θ角度为0,功率因数cosθ=1,示意为纯电阻电路,如图7所示,三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°,三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°,A相电压Va取A相电流Ia之间的初相角雷同,相位差θ角度为0,B相和C相的状况取A雷同理,此时发电机输出的电能悉数做有勤奋,线路中没有无功消耗,是最理想的节能事情状态,不外对发电机供电来讲功率因数过高会形成线路中无功裕量过低,会影响体系的稳定性。

        正在发电机的事情电流相位滞后电压相位一个θ角度时,这个功率因数角为负值,功率因数cosθ<1,关于负载去说是具有吸取感性的无功功率,功率因数是滞后的,如图8所示,三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°,三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°,A相电压Va取A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位滞后于电压相位一个θ角度,B相和C相的状况取A雷同理,正在一般的电路中大部分负载都是显现感性的负载,此时发电机输出的电能一部分做有勤奋,一部分做无用功,这是最常见的电路状态。

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        正在发电机的事情电流相位超前电压相位一个θ角度时,这个功率因数角为正值,功率因数cosθ<1,关于负载去说是有收回容性的无功功率,功率因数是超前的,如图9所示,三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°,三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°,A相电压Va取A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位超前于电压相位一个θ角度,B相和C相的状况取A雷同理,此时发电机输出的电能做有勤奋,吸取无用功。

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2.3.2柴油发电机的运转状况

        正在这里重要议论取数据中心备份柴油发电机有关的三相交换同步发电机的两种运转状况。

(1)滞后运转

        三相交换同步发电机的滞后运转即为常态运转,电路中的等值负载显现感性,此时发电机背电路同时送出有功功率和无功功率,电路的功率因数是滞后的。发电机收回的无功功率对发电机有去磁感化,这时候发电机必需增添励磁电流以抵消负载电流的去磁感化,现实是增添了无功电流输出。负荷功率身分越低,就越增添发电机无功电流的输出和增添励磁电流,从而增添了线路消耗和励磁功率。一样平常发电机的带载功率因数为0.8,进步负载的功率因数有利于勤俭电能和进步线路的带载才能。

(2)超前运转

        三相交换同步发电机的超前运转即为进相运转,电路中的等值负载显现容性,此时发电机背电路送出有功功率和吸取电路的无功功率,发电机只发有功,不发无功,电路的功率因数是超前的。三相交换同步发电机进相运转时较滞后运转状况励磁电流大幅度削减,发电机电势E亦响应低落其端部电压低落,发电机静态稳定性下落,发电机定子端部漏磁增大,温降加剧,发电机正在超前运转时很容易引发震动掉步,以是机组一样平常不允许超前运转。功率因数为1的时刻,是发电机滞后运转和超前运转的分界线,这时候发电机不背电网收无功功率也不吸取电网无功功率。

2.4综合分析结论

综合以上剖析,我们得出了以下结论:

2.4.1柴油发电机供电取市电供电的区分

        机房市电是由高压进线经由过程电力变压器降压后背机房供应高压电力的,机房市电的短路容量比柴油发电秘密大很多,而且电网老是显现感性的,不会因为负载功率因数的静态转变泛起超前征象而跳闸停电;而机房备份柴油发电机正在负载功率因数超前肯定值时就会泛起输出电压低落、温降加剧、稳定性下落、震动掉步而掉磁告警并主动停机征象。

2.4.2周全熟悉UPS正在机房供配电体系中的重要作用

        一样平常人们只注重UPS起到不间断供电的感化,实在UPS借具有稳压稳频、净化电源、低落波形失真,消弭电源滋扰和突波珍爱功用,UPS另一个重要作用就是UPS的输出端可以或许顺应IT负载的静态转变而引发的功率因数在一定范围内的转变, UPS的输入端不会泛起功率因数超前的征象。

        从本宕机事宜我们能够清晰看出,正在ATS从本市电切换到备份柴油发电机电源并经由过程一般运转的UPS背机房IT负载供电时期,体系运转是一般的,在此期间,听凭机房IT负载功率因数怎样静态转变,柴油发电机始终事情一般,UPS对机房IT供电系统起到平安保护伞感化。

2.4.3用柴油发电机间接带机房IT负载的风险

        从对机房IT负载的特性剖析我们晓得新型计算机负载有两个主要特性:一是负载的功率因数提拔到0.95以上,二是负载可能会由传统的感性负载变成容性负载。

        从对机房备份柴油发电机特性剖析我们晓得三相同步交换发电机正在负载功率因数超前肯定值运转时会泛起输出电压低落、温降加剧、稳定性下落、震动掉步而自保停机征象。

        从本宕机事宜我们能够清晰看出,正在UPS退出体系而由柴油发电机间接带着机房IT背载运行时不久便连续不断泛起柴油发电机掉磁告警并主动停机征象,这类征象不是柴油发电机有题目,而是不宜用柴油发电机间接带IT负载运转。那么机房供配电体系一旦泛起由柴油发电机背IT负载间接应急供电的工况时是否是便意味着柴油发电机有可能泛起掉磁告警并主动停机征象,怎样防备呢?

 

3. 预防措施

        本宕机事宜是由柴油发电机间接带机房IT负载运转不久便泛起柴油发电机掉磁告警并主动停机的,是柴油发电机选型欠安?本领件的柴油发电机是自激式柴油发电机,如挑选永磁式柴油发电机是否是能够处理这个问题?

        一般数据中心所运用的自激式柴油发电机和PMG永磁式柴油发电机的构造和事情道理前面曾经议论,永磁式柴油发电机的很多机能比自激式的好,稳压励磁调治受谐波影响小,稳定性也要好,但永磁式柴油发电机正在负载功率因数超前工况下平安运转也是有手艺局限的,便拿国际一流品牌康明斯PMG永磁式柴油发电机来讲,正在发电机额定满载时许可超前无功功率值局限为不超过额定滞后无功功率的20%,举例道一下,关于常用功率为1600kW的柴油发电机,额定滞后有功功率因数为cosθ=0.8,无功功率因数sinθ=0.6,额定滞后无功功率为1600kW*0.6=960kVar,正在发电机满载时许可超前无功功率为960kVar*20%=192kVar,得超前无功功率因数为sinθ=192kVar/1600kW=0.12,θ=arcsin0.12=6.862°,得许可超前有功功率因数cosθ为不小于0.993,可见柴油发电机是不宜正在超前功率因数负载状况下运转的。《发电机运转规程》中划定,发电机运转功率因数以0.8为好,不得凌驾0.95。那怎样能处理柴油发电机间接平安牢靠带IT负载运转的这个问题呢?本文提出以下解决方案。

3.1有源静态无功赔偿器SVG的运用

        有源静态无功赔偿器即为静止无功发生器SVG,是赔偿范畴主要而牢靠的手艺手腕,是无功功率掌握的最好计划,最合适正在数据中心供配电体系中运用。

        SVG接纳的是电源模块停止无功赔偿,赔偿后的功率身分一样平常正在0.8到0.99之间可调; 

        SVG跟踪赔偿速度快,可以或许正在5-10毫秒的极短时间便完成一次赔偿,适用于无功功率静态转变快、转变率下和需求感性和容性双向赔偿的场所;SVG实现无极赔偿,做到腻滑、无级差、一连准确赔偿,轻松到达并保持设定的功率因数;SVG不发生谐波更不会放大谐波,而且能够滤除50%以上的谐波;SVG使用寿命少,本身消耗极小且基本上不要保护,无损坏伤害。SVG是现在国际上最先辈的电力赔偿手艺,中船重工鹏力新能源PESVG就是一种异常相宜数据中心电力赔偿的有源静态无功赔偿器。

        如图10所示,我们能够正在UPS输入电源母线的进线端设置SVG,岂论ATS切换正在市电变压器供电位置照样正在柴油发电机供电位置均能有用停止双向电力无功赔偿和谐波管理,正在UPS一般运转时,IT供配电体系具有UPS和SVG单平安珍爱功用,如正在UPS因故退出体系运转而由市电或柴油发电机间接带IT背载运行时,SVG起到IT供配电体系的平安保护伞感化,SVG优秀的快速静态无功双向主动赔偿和谐波管理功用确保柴油发电机不会因为IT负载功率因数静态转变泛起功率因数超前征象和谐波滋扰而影响体系的一般运转,以是数据中心供配电体系接纳SVG赔偿是进步供配电质量确保平安供配电的最有用的手艺手腕之一。

3.2新建数据中心进步供配电平安的发起

        现在,高频大功率UPS正在数据中心已获得提高运用,高频UPS具有输入功率因数下、输出顺应负载功率因数转变局限大,能有用处理停电、谐波失真、短压、过压瞬变等电路滋扰题目,为机房供应纯洁的不间断电源,高频UPS的输入功率因数一样平常到达0.9以上,供电部门要求供电线路的功率因数赔偿要到达0.9以上,那么接纳高频UPS是否是便不要停止无功赔偿了?

经由过程以上剖析我们曾经晓得正在UPS输入电源母线的进线端设置SVG,一当正在UPS因故退出体系运转而由市电或柴油发电机间接带IT背载运行时,SVG起到IT供配电体系的平安保护伞感化,柴油发电机便不会泛起因为IT负载功率因数泛起超前征象而掉磁告警并主动停机,以是正在UPS的输入母线上设置SVG赔偿装配黑白常需要的,关于新建数据中心来讲正在设计时无论是接纳高频UPS照样采用工频UPS皆应当思索这个问题。

3.3正在运转数据中心进步供配电平安的发起

        现在,很多早已建成的正在运转的数据中心供配电线路中并没有设置SVG,运转多年也没有泛起题目,是否是便平安了?

        经由过程以上剖析我们曾经晓得正在UPS因故退出体系运转而由柴油发电机间接带IT负载运转的应急工况是难过泛起的,没有设置SVG的数据中心运转多年也没有泛起题目不等于便不会泛起这类运转工况,一旦泛起也是恶运易遁,某数据中心机房因故宕机的事宜为我们敲响了警钟,我们有必要拿出行之有效的解决方案做到预防为主。以是我们发起对正在运转的数据中心能够请专业的机房情况评测手艺中央(如北京国信天元机房情况评测手艺中央)停止评测,做出公道的随机应变的有用的解决方案为好。

 

作者简介:吕纯强,浩德科技副总工,高级工程师,中国计算机用户协会机房设备运用分会专家委员会委员。本文宣布于《机房手艺取管理》。

 

 

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