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数据中心发电机组的选择及控制
  • 随着互联网技术的广泛应用,世界各地兴建了越来越多的数据中心。数据中心不仅要提供大量的数据信息存储空间,更要保证其中存储数据的安全。在保证数据中心安全的各环节中,电源供应是非常重要的一环。除了通常有两路市电供应之外,还要有UPS以及按不同等级要求设计的备用发电机组(目前多为柴油发电机组)。本文鉴于数据中心对电源需求的重要性,参考Uptime Institute对数据中心设置的规定,对如何选择合适的数据中心发电机组及发电机组冗余控制进行了分析。

    1 数据中心不间断电源系统架构及等级分类
      
      典型的数据中心供电系统由中压配电、变压器、低压配电、不间断电源、末端配电以及发电机组等设备组成,其中UPS的主要作用是在市电电源中断、发电机启动之前,确保所带负载的持续供电。
      
      发电机组的主要作用是市电中断时立即启动为负载提供持续、稳定的电力供应。Uptime Institute是一个国际公认的组织,它对如何设计数据中心设施进行了规定和认证。它根据数据中心的可用性分为四个等级:TierⅠ(基本型)、TierⅡ(部分冗余型)、Tier Ⅲ(可同时维护型)和Tier Ⅳ(故障容错型)。数据中心所拥有的提供持续电源和应急电源的设备数量是决定它们属于哪一等级的重要因素。具体分类如表1所示。
      
      2  数据中心对发电机组的要求
      
      数据中心持续功率(DCC)在柴油发电机组行业内的应用持续增长。DCC应用作为数据处理中心(DPCs)电源的一种可替代电源,它的特性使它能满足数据中心设施对可靠性和可用性的需求。
      
      Uptime Institute规定应急电源需满足TierⅠ或TierⅡ,替代电源需满足Tier Ⅲ或Tier Ⅳ要求。要被认为是可替代电源,并满足Uptime Institute Tier Ⅲ和Tier Ⅳ的要求,则该发电机组必须在主电源发生故障时能提供持续电力。这意味着发电机组容量能在要求的负荷水平下提供持续电力而不受时间限制。可以从以下几个方面来选择最适合
      
      数据中心项目的发电机组:
      
      (1)主电网的可靠性、数据中心所存数据的敏感度
      
      如果主电网足够可靠,或数据中心处理的数据敏感性要求较低,或不严格要求数据的实时可读取性,那么数据中心设施的有效性百分比将降低,它们会被归类为Uptime Institute Tier I或Tier II.这时会根据发电机组的备用功率来选择发电机组作为备用电源,以减少安装费用。
      
      (2)发动机及发电机的选择
      
      作为电力供应的动力源,发动机的重要性不言而喻;不但要考虑通用的环境因素(温度、海拔)、启动冗余(双启动马达、双启动蓄电池,或气动、弹簧启动)、通风散热、发动机水加热等;还要结合数据中心的要求来选择发动机及发电机。发电机组行业主要的发动机制造商新发布了一个新的功率定义——数据中心持续功率(DCC)。
      
      发动机生产商用DCC定义来保证发动机运行不受时间和平均功率百分比限制。发电机组的连续负载能力、可靠性、突加载能力是最核心的要求。
      
      (3)智能冗余控制系统
      
      控制系统作为发电机组运行的大脑,肩负着自动开关机、同步并联带载、负载分配(有功、无功功率均分)、功率管理、保护、数据传输等功能。所以控制系统要做到充分可靠及冗余控制(控制冗余、通讯冗余)。
      
      3 发电机组冗余控制及案例分析
      
      冗余控制器是一种热备份的应用,防止系统崩溃导致机组不能正常运行,在实际应用中当用主控制器出现故障时备份控制器可以无缝接替主用控制器的当前工作状态,确保系统高可靠运行。
      
      冗余控制的重点在输出信号、输入信号以及参数设定;冗余系统中的主、备用控制器通过CAN总线通讯;备用控制器通过CAN总线周期性的向主用控制器发送信息,以评估主用控制器的状态。当主用控制器出现问题时,备用控制器会通过二进制输出点来控制外接继电器,瞬间将主用控制器的输出信号切换到备用控制器的输出口上,主用控制器故障到备用控制器投入时间最多200ms。
      
      图1是冗余系统中主、备控制器间的接线举例,当备用控制器通过CAN总线接收不到主控制器的应答信号,BO输出,控制K-FD继电器动作,触发“应急手动”输入口状态切换,实现主用、备用控制器之间的转换。
      
      图2所示是某数据中心发电机组冗余控制的典型系统框图,主、备控制器(HGM8151发电机组并联控制器)通过CAN总线交互信息。信号部分需要独立接线的有:开关量输入、继电器输出、交流电压、交流电流、转速传感器。需要通过切换的I/O信号有:转速调节(GOV)控制信号输出、电压调节(AVR)控制信号输出、模拟量输入等。鉴于模拟量信号是两个控制器间切换监控的,所以模拟量信号的保护需要在主、备控制器中设置保护时间延时。
      
      4 结束语
      
      数据中心处理的数据越敏感,就越需要可靠的电力设施为设备提供持续电力。由于发电机组是构成这类设施的一个基础部分,所以在选择数据中心发电机组时要依据Uptime Institute制定的标准来选择,依据备用功率来设计容量大小时,需满足Tier I和Tier II要求;满足Tier III和Tier IV的要求,发电机组则必须依据它的DCC功率来选择容量。同时发电机组智能控制系统需具有热备份、冗余控制功能,确保供电系统的可靠性、稳定性。
      
      参考文献
      
      [1]ANSI/TIA-942《数据中心通信设施标准》
      
      [2]GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》
      
      [3]GB50462-2008《电子信息系统机房施工及验收规范》
      
      作者简介
      
      姚俊琪,空军95866部队电源室,应急供电志愿者,研习动力供电、自控切换、不间断供电、交直转换、化学电源。本刊编委。
      
      编辑:Harris
      
      

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