数据中心项目UPS系统架构与节能设计的分析

数据中心项目UPS系统架构与节能设计的分析

王向彬

广东省电信规划设计院有限公司    广东广州 510000

摘要：

随着国家对节能减排要求日益提高，作为耗能大户的数据中心，其核心指标--PUE（功率使用效率）、pPUE（部分功率使用效率）、PLF（电源负载因子）、RER（再生能源比率），也要求越来越高。数据中心不间断电源（以下简称UPS系统）系统的架构和运营模式对PLF有直接影响，合理灵活的UPS系统架构和工作模式，能在一定程度上实现数据中心能源消耗--电源负载因子的优化。

关键词：

数据中心；UPS系统；架构；节能；设计

引言：

当前，算力需求的爆发增长与能源、碳排放的整体约束已经逐渐成为了制约行业发展的主要矛盾。而根据《数据中心全生命周期绿色算力指数白皮书》，截至2023年底，全国在用数据中心机架总规模810万标准机架，算力总规模230EFLOPS，存力规模1200EB，数据中心耗电量1500亿千瓦时。预计到2030年，我国数据中心能耗总量将超过4000亿千瓦时，若不加大可再生能源利用比例，2030年全国数据中心二氧化碳排放或将超2亿吨，故建设和运营绿色IDC，打造智算业务的绿色底座，是推动数字经济高质量发展，保障算力服务可持续升级的关键环节，也是实现我国 3060“碳达峰、碳中和”战略的重要举措。

绿色数据中心，UPS电源是除了空调外的最大损耗大户，其合理的规划设计与运行模式，对数据中心的PUE有重大影响。

一、合理的UPS系统架构

数据中心设计中，UPS系统的科学规划设计极为关键，关系到用电稳定和节能。目前市场上，大型数据中心通常采用高频模块机，尽管一些数据中心采纳了高压直流供配电的方式，但高频模块化UPS配电系统依旧占据主导地位。

根据我国《数据中心设计规范》GB50174，数据中心分为A、B、C等级（国际常用的则是Uptime Tier标准，其分为四个等级：‌Tier I、‌Tier II、‌Tier III、‌Tier IV），不同等级对UPS架构要求不同，我们以国家A级数据中心为例，规范对UPS系统要求为：宜2N 或 采用一路(N+1)UPS和一路市电供电方式供电。

UPS系统架构的科学设计、UPS运行模式的设定，对数据中心电能稳定安全、能耗构成具有重要的影响，以下是选择国家A级数据中心为例，对此的简单分析：

1、2N架构

每组IT用电设备，由两套独立的UPS系统单元组成，形成物理隔离，每套UPS系统单元均能满足全部IT用电设备负载需求，两套独立的UPS系统同时工作，互为备用。正常运行工况下，每套UPS系统向负载提供50%的荷载，当其中一套UPS系统故障或检修停止运行时，由另一套UPS系统向IT负载提供100 %的电能。2N供配电系统架构详见图1

优点：保障性高

缺点：投资高、耗能高

2、一路(N+1)UPS和一路市电供电

每组IT用电设备，由一套UPS系统+一路市电供电，此套UPS系统能满足全部IT用电设备负载需求。根据市电和UPS电源的不同工作模式,此双路供电系统可分为两种工作模式:

①工作模式一(负荷均分模式):正常状态下市电电源与UPS系统电源各负担服务器设备的50%负荷,如任一路电源故障,则另一路电源负担100%负荷;

②工作模式二(主备模式)：正常状态下市电负担服务器设备的100%负荷，UPS系统电源处于热备状态，当市电发生故障时，则UPS系统电源负担100%负荷。

优点：保障性较高、投资较低、耗能较低（特别是工作模式二）

缺点：用市电的时候，对输入电能质量要求高

二、UPS系统运行方式选择

按大型数据中心现有主流使用情况，UPS运行模式一般分在线模式、ECO模式、智能ECO模式。

1、主流在线模式

UPS不间断电源的在线模式（又称双变换模式）指的是UPS在正常工作时，即电能经过AC/DC（交流转直流）和DC/AC（直流转交流）两次变换后再供给负载，同时为电池充电，确保在市电中断时能够无缝切换到电池供电，保证负载的连续运行。

优点：无切换时间0ms，防干扰，高质量输出，控制谐波输出，损耗较大，影响设备使用年限

缺点：投资大，长期在线影响设备使用年限

2、传统ECO模式

UPS不间断电源系统的ECO模式，即Economic Control Operation（经济控制操作）模式，是一种旨在提高UPS运行效率，从而实现节能省电的运行方式。在ECO模式下，当旁路输入在ECO设定的电压和频率范围内，并且满足其他ECO供电条件时，UPS会优先使用旁路输出，逆变器处于冷备用状态。如果旁路电压或频率超出设定范围，负载将由旁路切换到逆变器供电。在整个过程中，整流器保持开启状态，并通过充电器为电池充电，这种模式可以获得更高的效率。

优点：节能。

缺点：切换时间可能需20ms，功率因数稍低，反馈谐波较大。

3、超级ECO模式

UPS不间断电源系统的S-ECO模式（各主流厂家的描述方式有些不同），即Super-Economic Control Operation（超级-经济控制操作）模式，是一种旨在尽最大保障安全可靠的前提下，提高UPS运行效率，从而实现节能省电的运行方式。在S-ECO模式下，当旁路输入在ECO设定的电压和频率范围内，并且满足其他ECO供电条件时，UPS会优先使用旁路输出，逆变器处于热备用状态。如果旁路电压或频率超出设定范围，负载将由旁路切换到逆变器供电。在整个过程中，整流器保持开启状态，并通过充电器为电池充电，这种模式可以获得更高效率的同时，还能最大限度保证切换时间能满足IT设备要求，而且还能在线优化谐波及提高功率因数。

优点：节能，切换时间极短（通常≤4ms），可以控制反馈谐波、提供功率因数

缺点：目前有几个主流厂家有此技术，不是所有厂家都有此技术。

三、各种组合的不同维度分析

结合UPS配电架构以及UPS运行方式，以国标A级数据中心为例，对切换时间、可靠等级、效率、输出电能质量、谐波、功率因数、投资、节能效果进行对比分析，具体如下表：

四、参考选择及建议

鉴于上述对比分析，以国家A级标准机房为例，不同的行业、企业、客户，对UPS系统有不同的建设诉求（安全、节能、稳定、投资效益等），如政企客户、运营商、金融企业、互联网公司等，对UPS系统配电架构、运行模式，有各自的标准。从国家节能和投资效益的维度，笔者有如下参考建议：

①对于供电保障要求特别高的，如交易中心、交通枢纽控制中心、金融行业等，可以考虑2N架构的超级ECO模式进行规划设计建设；

②对于供电保障要求没有特别高的，要考虑效益的，如普通运营商、普通互联网公司等，可考虑N+1模块+一路市电架构下的超级ECO模式进行规划设计建设，此方案节能、投资均较优。

结语：

对于数据中心的规划、设计、建设人员而言，其工作的主要目标和任务就是要确保其设计建设的UPS系统，满足客户需求，实现安全、可靠、高效、绿色节能之间的平衡。为确保UPS系统建设和选型的合理性，还需要数据中心的设计师和运维人员、厂家技术人员，深入交流、积极积累相关经验。

以上为个人结合规范及经验的看法，仅供各位同行参考，如有更合适的解决方案，请各同行不吝赐教。

参考文献

[1]焦凯. 浅析数据中心电气系统节能设计 [J]. 智能建筑与智慧城市, 2023, (01): 103-105.

[2]彭精立,李星. 数据中心供配电节能方案分析 [J]. 光源与照明, 2022, (10): 240-242.

[3]王光荣. 数据中心供配电系统的节能设计 [J]. 电子技术与软件工程, 2019, (02): 164.

[4]远景科技集团、合盈数据、中国信通院云计算与大数据研究所《数据中心全生命周期绿色算力指数白皮书》（2024）

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部 GB50174《数据中心设计规范》北京：中国计划出版社出版，2018版

作者简介： 王向彬（1982-），男，汉族，广东梅州人，本科，工程师，一级造价师，一级建造师，主要从事电气工程方面设计、施工工作