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UPS三相负载不平衡调优实例分享

概 述

大多数数据中心供电系统采用三相交流UPS系统给服务器机柜供电,当UPS所带载的机柜个数不是3的整数倍时,或者分配到A、B、C三相上运行的服务器数量偏差较大时,就会出现UPS三相负载不平衡。三相不平衡会造成零地电压升高,UPS的带载能力下降,超载告警增多等一系列问题。本案例分享了某数据中心对UPS三相负载不平衡情况的调优。

UPS负载及供电情况

机房UPS供电架构

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机房UPS供电架构图

A、B两路市电进线给4台UPS供电,每台UPS的功率型号均相同。每两台UPS组成一组并机运行,A路两台UPS为A1UPS, B路两台UPS为B1UPS。UPS送电至400V低压配电柜给机房内始端箱供电。

始端箱至机柜供电架构

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机房内始端箱至机柜的单路供电系统图

机柜的供电是两路电源,上图只画出一路电源,另一路与之一样。从上级UPS配电室引来电源线,首先接入始端箱、始端箱设置一3P塑壳断路器,由始端箱出来的电源采用硬母线形式而不是电缆,然后在每三个机柜上方配置一个插接箱。每个插接箱由小母排上A\B\C相和共用的零排、地排组成一组电源给机柜供电。这样每个插接有A、B、C三相电源,当机柜的个数不是3的整数倍时,机柜依次连接到插接箱时就会空一相或两相电源不使用。本数据中心就是这种情况,如图示部分插接箱的C相断路器没有使用。

UPS负载分配问题

本数据中心的运行检查记录中发现这两组UPS的负荷分配不均匀。其中A\B相负载率在45%左右,C相负载率在38%左右。单台UPS的最高相负载与最低相负载最大相差约8%。

详情如下图所示:

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UPS负载不平衡原因

小母线所带插接箱的A、B、C三相3个馈线开关和每列机柜数量不完全匹配,留出备用插接口。例如一列17个机柜双路供电需配置6个插接箱共18个机柜馈线开关,那么总有一个开关不使用,因此就导致了C相所带负载机柜少。

对于一个始端箱而言,空余的一个C相开关对负荷平衡没有影响。但对UPS的负载而言,由于每组UPS下所带的始端箱有8个,8个始端箱的累加效应导致造成UPS的A、B相负载偏高、C相负载偏低,则三相负载不平衡。

一个机柜为4KW, C相少N个机柜,负荷就少4N(KW)。

三相不平衡引起的问题

1、按照供配电相关规范要求三相不平衡应尽量缩小,偏差一般不超15%。避免因零线流过的大电流而产生消防问题及电气故障隐患。否则零地电压增大可能引起服务器故障,电缆电线过流。

2、数据中心UPS配电系统为2N架构,UPS单路可带全部负荷,UPS三相负载上限阈值均设置为45%。由于客户业务不断启用以及UPS三相没有均衡分配就造成UPS的A、B相超阈值45%运行问题,导致动环监控因超限告警频发。

3、减少了机柜开通数量、妨碍业务的增加。如果某些未开通机柜正好是在超载的相上,例如本数据中心A相,那么就会因A相超负荷而导致相应机柜无法开通业务。即使开通了也对机房安全稳定运行带来风险隐患。

三相负荷的调整

调整负荷预测

数据中心若是出现上述UPS三相负载不平衡的情况,在确保运营机房IT负载业务不中断的情况下,可对UPS三相负载进行相别调整。数据中心IT负载均为双电源,故可通过先后调整插接箱馈线开关使用的相别调相。每列机柜中将部分机柜负载由A、B相供电调整至C相供电,这样就可以降低UPS的A、B相的负载率,以实现UPS三相负载趋于均衡。

在调整前需预测调整后的负载率情况,负荷预测可参考下表:其中黄色代表A相负载,绿色代表B相负载; A相转移后将减少负载12.22KW,B相转移后将减少负载12.8KW。

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4台UPS的平均三相负载率调整前后数据如下表所示,调整后A、B相减少的负载之和等于C相增加的负载,负载转移后4台UPS平均三相负载更均衡。

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调整步骤

  • 电源供电链路的调整

在调整前与IT运维人员一起核对调整机柜位置以及服务器的双电源情况;准备好应急PDU电源;调整完机柜电源后需要设15分钟静默期。

  • 电力监控调整,以及对应的动环监控的调整。

因为机柜的供电电源变更,供电插接箱的电力监控上支路开关编号所对应的机柜编号需要做相应的调整;此工作需要由插接箱厂家进行监控软件升级;相应的动环监控系统的机柜电源编号也需要变更机柜电源编号。

  • 三相均衡调整后的制冷负荷的调整

均载后因为机柜容量没变,散热量没变。制冷负荷一般不需要进行增加,只需要调整通风地板即可。

调整结果

调整后UPS三相负载比较均衡,各相负载大致相同,单台UPS最高相负载与最低相负载相差约1%。

详情如下图所示:

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调整后的益处

1、UPS三相负载率趋于平衡,满足了UPS说明书及通信行业相关要求,有利于UPS长期稳定可靠运行;调整后UPS的A、B相负载下降到45%以下正常范围以内,提高的机柜电力供应系统的稳定性。

2、避免动环监控系统因单相负载超限造成频繁告警;频繁的告警容易使值班人员误判或漏判真实的、需处理的告警,提高了应急处理时间和能力。

3、利于新机柜的开通和业务的增加,在原来电源过载相所带的空机柜是不具备开通条件,经调整后过载相的负荷下降,空机柜即可开通新业务。这样就提高的数据中心的机柜使用率。

本文由 @孔明 发布于弱电智能网 。

题图来自Unsplash,基于CC0协议

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文章名称:《UPS三相负载不平衡调优实例分享》

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