大型数据中心中压型UPS系统应用研究

2015年9月 北京江苏省邮电规划设计院有限责任公司Security Level:1保密等级从低到高为保密等级从低到高为0 LEVEL:0 LEVEL:完全公开、完全公开、1 LEVEL:1 LEVEL:秘密秘密2 LEVEL:2 LEVEL:机密机密3 LEVEL:3 LEVEL:绝密。绝密。完全公开的完全公开的PPTPPT可以在公司内可以在公司内外部流转，秘密等级的外部流转，秘密等级的PPTPPT限限定于公司内部流转严禁外部定于公司内部流转严禁外部流转，机密等级的流转，机密等级的PPTPPT线定于线定于中干领导层级流转，绝密等中干领导层级流转，绝密等级的级的PPTPPT限定于公司经营层领限定于公司经营层领导流转。导流转。请在请在Security Level:后添加后添加0 0、1 1、2 2、3 3，字体为，字体为Time NeW Romam15ptTime NeW Romam15ptjsptpd01jsptpd01大型数据中心中压型大型数据中心中压型UPS系统应用研究系统应用研究 2/xjsptpd08jsptpd08目录目录低压配电系统减配可行性与必要性低压配电系统减配可行性与必要性1 1数数据中心供配电现状与问题据中心供配电现状与问题2 23 3中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案1 14 4中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案2 2 3/xjsptpd08jsptpd08数据中心供配电系统现状与问题数据中心数据中心常规的常规的供配电结构一般是供配电结构一般是市电市电（35kV35kV、10kV10kV）到高压配电）到高压配电，之后通过变压器与，之后通过变压器与低压配电系统低压配电系统成套；成套；再通过密集母线或电缆分配再通过密集母线或电缆分配到楼层，由楼层配到楼层，由楼层配电向电向UPSUPS系统供电；更大容量采用模块化、分区供电系统供电；更大容量采用模块化、分区供电 4/xjsptpd08jsptpd08数据中心供配电系统现状与问题p供供配电配电等级等级多，多，安全隐患安全隐患大大 从供电安全性考虑，配电系统的等级越简单越安全；前后级从供电安全性考虑，配电系统的等级越简单越安全；前后级开关开关越少越安全、配电等级越越少越安全、配电等级越少少越越可靠性可靠性；接近接近负荷中心的电压等级越高越负荷中心的电压等级越高越节能。大型数据节能。大型数据中心中心一般经历一般经历35KV35KV开关站开关站10KV10KV高压配电柜高压配电柜10KV10KV配电配电柜柜变压器变压器低压配电柜低压配电柜密集母线密集母线配电柜配电柜UPSUPS系统，系统，8 8层级的配电层级的配电结构，每多结构，每多1 1个层级则增加一个故障隐患点个层级则增加一个故障隐患点。p投资浪费严重投资浪费严重 电池充电及负载冗余都必须要求电池充电及负载冗余都必须要求低压配电系统低压配电系统的配置容量加大；的配置容量加大；每套系统的冗余度都会带来设备投资、母线投资和机房空间浪费的情况。每套系统的冗余度都会带来设备投资、母线投资和机房空间浪费的情况。p影响机房可使用面积，增加建筑成本影响机房可使用面积，增加建筑成本 对于大型数据中心，对于大型数据中心，分区分区配置变压器配置变压器、低压配电室、低压配电室、UPSUPS电源室，电源室，相应电源区域要预留相应电源区域要预留40%40%左右左右的空间，的空间，高压分散进机房，高低配至少占高压分散进机房，高低配至少占用用15%15%空间空间；低压配电结构冗余度越大占机房面积越大（比如低压配电结构冗余度越大占机房面积越大（比如2N2N系统系统）。）。5/xjsptpd08jsptpd08目录目录低压配电系统减配可行性与必要性低压配电系统减配可行性与必要性1 1数据中心供配电现状与问题数据中心供配电现状与问题2 23 3中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案1 14 4中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案2 2 6/xjsptpd08jsptpd08低压配电系统减配可行性与必要性减配减配目标目标2节约节约建设建设5合适合适4简洁简洁维护维护3节能节能运营运营1安全安全层级层级 7/xjsptpd08jsptpd08低压配电系统减配可行性与必要性p低压配电中的计量采用高压端计量低压配电中的计量采用高压端计量传统数据中心往往在低压侧计量，即“高供低计”；随着数据中心规模越来越大，很多大型数据中心已有10套以上的低压配电系统，且分为生活用电、办公用电、空调用电等，将计量放在高压将成为一种趋势和必要，将简化低压侧的配置。8/xjsptpd08jsptpd08低压配电系统减配可行性与必要性p低压补偿功能改为高压补偿低压补偿功能改为高压补偿与与负荷中心就近补偿负荷中心就近补偿 目前大部分低压电容器柜设置为低压侧集中补偿，实际运行方式为人工投入，而数据中心感性负载和容性负载同时存在，相互补充，导致补偿属于后补偿不能起到有效作用；应针对具体机房谐波环境和无功负荷情况采用高压补偿与就近补偿。9/xjsptpd08jsptpd08低压配电系统减配可行性与必要性p大型数据中心采用高压油机是趋势大型数据中心采用高压油机是趋势 大型数据中心已推广高压油机，带来很多优势：电缆、上下游开关及电缆建设投资节省，运行节能；配电结构简化提升可靠性；更适合高压冷水机组供电。高压油机集中布置，可以根据功耗发展情况分期、逐台投资，而低压油机则只能是与低配模块化相匹配而无论油机的实际负载率，造成油机投资浪费；推广使用高压油机可规避低压方式中ATS的容量和体积瓶颈。10/xjsptpd08jsptpd08低压配电系统减配可行性与必要性结论结论 低压配电系统中的主要计量、补偿、ATS柜基本都可以通过集中设置在高压侧，来简化低压系统，为低压侧分散进入负荷中心创造条件；低压侧的分散也为机房利用率提升、维护便捷性，运营节能带来益处；也为中压UPS引入奠定基础。11/xjsptpd08jsptpd08目录目录低压配电系统减配可行性与必要性低压配电系统减配可行性与必要性1 1数据中心供配电现状与问题数据中心供配电现状与问题2 23 3中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案1 14 4中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案2 2 12/x中压UPS不间断电源-工作原理1、市电、市电+蓄电池组充电蓄电池组充电2、发电机组、发电机组+蓄电池组蓄电池组3、市电切换油机停机、市电切换油机停机 13/xjsptpd08jsptpd08中压UPS不间断电源例如在美国，中压不间断电源最初用于半导体等高附加值企例如在美国，中压不间断电源最初用于半导体等高附加值企业，保障其设备连续安全生产业，保障其设备连续安全生产;近十年来，逐渐在政府，金近十年来，逐渐在政府，金融，航空航天以及数据中心领域得到得以应用。融，航空航天以及数据中心领域得到得以应用。NASANASA用于保护卫星追踪系统用于保护卫星追踪系统政府部门政府部门用于保护数据中心用于保护数据中心Phoenix NapPhoenix Nap数据中心数据中心 14/xjsptpd08jsptpd08中压UPS不间断电源-特点p中压系统中压系统p2.0 MW 2.0 MW 20 MW 20 MW p离线式的结构离线式的结构 2-4ms 2-4ms切换切换p高效率高效率 (98.5%)(98.5%)p模块化模块化p占地面积小占地面积小p可用户保护空调等机械类负载可用户保护空调等机械类负载p户外机型与户内机型户外机型与户内机型户外机型户外机型户内机型户内机型（PCSPCS）15/xjsptpd08jsptpd08中压UPS不间断电源-户内机型组成部分p系统开关柜：系统开关柜：输入输出以及旁路功能柜输入输出以及旁路功能柜p电力电子开关柜：电力电子开关柜：市电波动时，电力电子开关市电波动时，电力电子开关2-4ms2-4ms将将UPSUPS切换为电池输出切换为电池输出p变压器：变压器：双向变流器（双向变流器（PCSPCS）输出升压至所需电压等级）输出升压至所需电压等级pPCSPCS：双向变流器用于电池充放电双向变流器用于电池充放电p电池：电池：储能器件储能器件 16/xjsptpd08jsptpd08中压UPS不间断电源-户外机型组成部分p系统开关柜：系统开关柜：输入输出以及旁路功能柜输入输出以及旁路功能柜p电力电子开关柜：电力电子开关柜：市电波动时，电力电子开关市电波动时，电力电子开关2-4ms2-4ms将将UPSUPS切换为电池输出切换为电池输出p储能箱：储能箱：集成充电器，逆变器，变压器以及电池集成充电器，逆变器，变压器以及电池 17/xUServerTXATSMV SWG.STSPDUGEN SWG.Gen Gen UPSUPSUPSMax 3200AMax 4000A,65kAMax 3000kWUPSPARALLELING SWG.AUPS INPUT SWG.Max 4000AMax 3000kVAUPS OUTPUT SWG.A2MW 数据中心低压配电结构 18/xUServerTXATSMV SWG.STSIT UPS OUTPUT SWG.PDUGEN SWG.Gen Gen UPSUPSUPSUPSMECH SWG.TXATSGEN SWG.Gen Gen TXATSSTSGEN SWG.Gen Gen UPSUPSUPSMECH UPS INPUT SWG.Re-circ.PumpsChillerCRACCTFansIT UPS INPUT SWG.UPS PARALLELING SWG.UPS PARALLELING SWG.MECH UPS OUTPUT SWG.2MW 数据中心低压配电结构含空调保护 19/xUServerTXMV SWG.IT UPS OUTPUT SWG.PDUGen Gen MECH SWG.TXTXRe-circ.PumpsChillerCRACCTFansMECH UPS OUTPUT SWG.Gen MV UPSMV UPSMV GEN SWG.MV STSMV ATS2MW 数据中心中压保护方案含空调，冰水机保护 20/xUServerTXMV SWG.IT UPS OUTPUT SWG.PDUGen Gen MECH SWG.TXTXRe-circ.PumpsChillerCRACCTFansMECH UPS OUTPUT SWG.Gen MV UPSMV UPSMV GEN SWG.MV STSMV ATS2MW 数据中心中压保护方案含空调，冰水机保护 21/xUServerTXMV SWG.IT UPS OUTPUT SWG.PDUGen Gen TXRe-circ.PumpsChillerCRACCTFansGen MV UPSMV UPSMV GEN SWG.MV STSMV ATSMECH SWG.中压不间断电源中压不间断电源2MW 数据中心中压保护方案含空调，冰水机保护 22/x2 MW 10 kV=144 Amps2 MW 380 V=3787 Amps电缆载流量要求降低到1/26电压等级提高，电缆截面变为电压等级提高，电缆截面变为1/261/26！23/xUMV SWG.10MW数据中心低压保护方案 24/xIT LOADTXPDUSWGRIT LOADTXPDUIT LOADTXPDUSWGRIT LOADTXPDUIT LOADTXPDUSWGRSWGRSWGRUIT LOADTXPDUSWGRIT LOADTXPDUIT LOADTXPDUSWGRIT LOADTXPDUIT LADTXPDUSWGRSWGRSWGR2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPSMV STSMV ATSU2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPS2MW MVUPSMV STSMV ATSGen MV PARALLELING SWGR BGen Gen Gen Gen Gen Gen MV PARALLELING SWGR AGen Gen Gen Gen Gen MV SWG.AMV SWG.B中压保护方案 25/x1322 平方米平方米 10MW数据中心低压方案占地面积 26/x10MW数据中心中压方案占地面积节省节省50%室内空间室内空间 27/x19%40%49%52%55%SF占地面积比较 28/x高层建筑中的低压不间断电源（UPS）分布占地面积大 29/x高层建筑中的中压不间断电源（UPS）分布占地面积小，电流小 30/x高效率节省电费开支 31/xjsptpd02jsptpd02指标指标中中 压压 不不 间间 断断 电电 源源 系系 统统(98.5%(98.5%能效能效)低压不间断电源系统低压不间断电源系统（92%92%能效）能效）容量容量5MVA/4MW10kV5MVA/4MW10kV500kVA380V*10500kVA380V*10设备成本设备成本27,000,00027,000,00024,000,00024,000,000（含低配）（含低配）年度电费年度电费28,450,00028,450,00030,460,00030,460,000十年总拥有成本（十年总拥有成本（TCOTCO）311,500,000311,500,000*328,600,000328,600,0004MW4MW不间断电源中低压投资比较不间断电源中低压投资比较*节约楼面面积所带来的收益未列入节约楼面面积所带来的收益未列入 32/xPhoenix NAP数据中心Two 5MVA 12.47kV 33/xPhoenix NAP数据中心Two 5MVA 12.47kV 34/x美国国家航空和宇宙航行局NASA/JPL Goldstone 12.4KV 2*2.5MVA 35/xjsptpd08jsptpd08目录目录低压配电系统减配可行性与必要性低压配电系统减配可行性与必要性1 1数据中心供配电现状与问题数据中心供配电现状与问题2 23 34 4中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案1 1中压不间断电源系统方案中压不间断电源系统方案2 2 36/xjsptpd08jsptpd08中压UPS方案210KV变压器与UPS一体化p10KV变压器与UPS整合成一体设备；输入10KV，输出380V；p以高压油机、高压计量、高压集中补偿为前提；p变压器+UPS的组合可以在工厂预制好，占地小、可靠性高；p该中压UPS可以中小型化利于分批投资。项目项目描述描述数量数量单价单价总价总价变压器变压器10KV/380V，1250KVA5台80000400000UPS输入柜输入柜380V4台150000600000UPS柜体及电池柜体及电池组组三进三出，380V4台，500KVA，30min8000003200000UPS输出柜输出柜380V6台150000900000合计合计510万 37/xjsptpd08jsptpd08总结：UPS系统发展从工频UPS到高频UPS、高压直流，对于中小型数据中心来说比较经济；对大型数据中心来说，巨大的供配电成本压力迫使电源行业尝试中压型UPS，以提高电压等级、减少低压配电环节、降低能耗。中压UPS方案210KV变压器与UPS一体化jsptpd10jsptpd10谢谢 谢谢