杜 麗

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0 引 言

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，不間斷電源（Uninterruptible Power Sys tem，UPS）供電系統(tǒng)需要結(jié)合三相輸入輸出機(jī)制有效分析IT設(shè)備單相220 V供電水平。其中零地電壓最為關(guān)鍵，它是產(chǎn)生于零線與地線之間的電壓。在常態(tài)下，地線中沒(méi)有工作電流流過(guò)，在輸入市電過(guò)程中也會(huì)被干擾電壓所影響[1]。

1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)零地電壓的基本理論分析

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，零地電壓為IT設(shè)備提供單相220 V供電，需要在數(shù)據(jù)中心中優(yōu)化增加零地電壓類型，其中就包括常態(tài)地線。常態(tài)地線中有大量工作電流通過(guò)，在輸入市電過(guò)程中會(huì)干擾電壓，避免壓降問(wèn)題的出現(xiàn)，同時(shí)在保持地線點(diǎn)位穩(wěn)定不變的基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整參考電位[2]。就整體而言，零地電壓主要負(fù)責(zé)提供工作電流，從變壓器的二次側(cè)接地點(diǎn)直接與IT負(fù)載零線相互連接，形成較長(zhǎng)的輸電距離。此外，要在母線的零排位置疊加輸電部分，確保電流能夠順利流回接地點(diǎn)。由于零線阻抗切實(shí)存在，因此各級(jí)母線的零排之間也會(huì)形成明顯電壓降，此時(shí)要將地電位作為主要參考點(diǎn)，分析存在于零線上的各個(gè)點(diǎn)所形成的對(duì)地電壓降，這就是零地電壓。在零地電壓中，三相負(fù)載的3N次諧波明顯存在，其負(fù)載電流幅值相位不相對(duì)稱[3]。

如果輸入電壓幅值或者相位不對(duì)稱，就會(huì)形成零地電壓。如果三相負(fù)載電流大小阻抗不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生零地電壓。上述兩種情況中，零地電壓都是由三相電流在零線中產(chǎn)生，即形成三相不平衡電流以及非線性負(fù)載。而在三相電路中，必須考慮到非線性負(fù)載存在所帶來(lái)的負(fù)面影響。當(dāng)基波電流流過(guò)后，其中的3次以及3的倍數(shù)次諧波會(huì)相應(yīng)流過(guò)，產(chǎn)生負(fù)面影響。通常情況下，零線中所產(chǎn)生的基波電流相差一般超過(guò)120°，主要基于3次諧波電流同相位展開(kāi)，在零線中直接相加就形成同相零線電流[4]。

結(jié)合上述3種因素分析所產(chǎn)生的零線電流，其零線阻抗中所形成的就是零線電壓，較穩(wěn)定的地電位電壓就被稱為零地電壓。許多企業(yè)也通常采用系統(tǒng)中所存在的零地電壓來(lái)優(yōu)化IT設(shè)備運(yùn)行，構(gòu)成設(shè)備開(kāi)關(guān)電源電路基本框架，如圖1所示[5]。

圖1 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中市電輸入系統(tǒng)中會(huì)專門配置至少一臺(tái)10 kV的隔離變壓器。通過(guò)對(duì)隔離變壓器的中心點(diǎn)接地網(wǎng)直接接地情況進(jìn)行分析，形成完整的TN-S接地系統(tǒng)。企業(yè)中主要通過(guò)數(shù)據(jù)線互聯(lián)設(shè)備分析零地電壓的安全接地情況，且在數(shù)據(jù)線中采用公共參考電壓，保證所有互聯(lián)部件都至少由兩條線連接，其中包括連接設(shè)備的數(shù)據(jù)線和設(shè)備的安全接地線，如此就形成“地線環(huán)”。在應(yīng)用地線環(huán)的過(guò)程中，必須將互聯(lián)設(shè)備中的公共參考電壓壓差調(diào)整到位，避免造成硬件損壞[6]。

2 數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)零地電壓對(duì)IT設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的影響分析

2.1 對(duì)瞬間供電中斷故障所產(chǎn)生的影響

IT設(shè)備輸入電源中一般存在大于8～20 ms的瞬間供電中斷故障隱患，一旦發(fā)生故障，就會(huì)影響到數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的整體運(yùn)行過(guò)程。在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，零地電壓的瞬間供電中斷事故發(fā)生時(shí)間超過(guò)10 s，就可能造成IT設(shè)備停電或者出現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢誤啟動(dòng)操作，直接導(dǎo)致IT設(shè)備運(yùn)行操作程序與應(yīng)用軟件系統(tǒng)嚴(yán)重崩潰，整個(gè)中心系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)活動(dòng)也將被迫中止。零地電壓對(duì)于瞬間供電中斷故障所產(chǎn)生的影響相對(duì)較大，主要是企業(yè)IT設(shè)備對(duì)于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的依賴程度較高。針對(duì)某些關(guān)鍵信息網(wǎng)絡(luò)而言，還需要對(duì)服務(wù)器發(fā)生的癱瘓故障問(wèn)題進(jìn)行分析，其帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失相對(duì)巨大。結(jié)合企業(yè)所使用數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析的過(guò)程中可以了解到，IT設(shè)備經(jīng)常被企業(yè)中配置的UPS供電系統(tǒng)所影響，即數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)零地電壓與UPS供電系統(tǒng)產(chǎn)生矛盾，導(dǎo)致UPS供電系統(tǒng)發(fā)生輸出停電或者閃斷事故，進(jìn)一步誘發(fā)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重癱瘓問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)該先確保企業(yè)中的UPS供電系統(tǒng)不出現(xiàn)任何停電、閃斷故障隱患，結(jié)合單電源輸入機(jī)制展開(kāi)分析，思考供電需求，保證供電運(yùn)行連續(xù)性。在實(shí)際操作過(guò)程中，需要結(jié)合串聯(lián)熱備份UPS冗余供電系統(tǒng)分析供電利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS產(chǎn)品質(zhì)量的全面優(yōu)化。采用“N+1”型UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)，保證其可利用率提高到99.999%[7]。為了形成相互獨(dú)立配套的供配電系統(tǒng)設(shè)備，還需要通過(guò)零地電壓向IT設(shè)備提供輸出供配電內(nèi)容，保證接入用電設(shè)備質(zhì)量合格，建立UPS逆變器電源機(jī)制，保證用戶供電設(shè)備不中斷，最大限度提高UPS供電系統(tǒng)的容錯(cuò)特性[8]。

2.2 對(duì)雙線總輸出所產(chǎn)生的影響

零地電壓對(duì)于IT設(shè)備中雙線總輸出所產(chǎn)生的影響較大，能夠消除UPS在并機(jī)過(guò)程中可能出現(xiàn)的供電系統(tǒng)單點(diǎn)瓶頸故障，將系統(tǒng)的可利用率提高到99.9999%。在這一過(guò)程中，需要對(duì)UPS的多總線輸出供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙，最大限度地提高UPS供電系統(tǒng)的可利用率。在該過(guò)程中，零地電壓對(duì)于雙線總輸出所產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在提高UPS單機(jī)負(fù)載百分比的同時(shí)，降低了IT設(shè)備中UPS系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率，導(dǎo)致UPS系統(tǒng)功耗增加?；谶@一問(wèn)題所帶來(lái)的不利影響還有許多，例如在IT設(shè)備中CPU芯片可能會(huì)發(fā)生偶然性損壞等。由于數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的大部分IT設(shè)備在輸入功率因數(shù)方面表現(xiàn)不佳，因此IT設(shè)備的開(kāi)關(guān)電源需要采用輸入功率因數(shù)校正技術(shù)，只有這樣才能調(diào)整輸入功率因數(shù)，提高其UPS產(chǎn)品的實(shí)際帶載功率[9]。

基于此，為了保證信息網(wǎng)絡(luò)機(jī)房安全且可靠運(yùn)行，IT設(shè)備本身需要具有較高的安全可靠性。結(jié)合內(nèi)部直流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)分析故障原因，通過(guò)采取合理的措施，保證將設(shè)備故障率降低到50%以下。結(jié)合零地電壓調(diào)整結(jié)果來(lái)對(duì)IT設(shè)備配置情況進(jìn)行分析，采用直流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的熱插拔“N+1”并聯(lián)運(yùn)行設(shè)計(jì)方案，消除直流供電系統(tǒng)中的單點(diǎn)瓶頸故障隱患。除此之外，還需要結(jié)合冗余配置設(shè)計(jì)方案消除瓶頸故障隱患，提高IT設(shè)備的整體利用率[10]。雙電源輸入單相IT設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 雙電源輸入單相IT設(shè)備系統(tǒng)

3 結(jié) 論

綜上所述，著重分析了企業(yè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中零地電壓的基本理論，特別是其對(duì)于IT設(shè)備正常運(yùn)行所產(chǎn)生的諸多影響。通過(guò)分析IT設(shè)備中三相負(fù)載平衡帶載問(wèn)題，利用零地電壓配合雙電源輸入IT設(shè)備來(lái)優(yōu)化UPS供電系統(tǒng)，以此提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。