数据中心供配电系统中电压暂降的治理研究

2023-01-31丁强

通信电源技术 2022年20期

丁强

（中国移动通信集团设计院有限公司，山东济南 250001）

0 引言

随着数据中心的快速发展，数据中心单位面积的功率密度越来越大，保证供配电系统的连续、可靠运行尤其重要。在数据中心供配电系统中，几个周波的电压暂降将会影响变频器、服务器等精密设备的正常工作，造成数据丢失、设备停机甚至其他更严重的后果。有研究资料表明，在数据中心电能质量问题引发的事故中，92%以上都是由电压暂降导致，治理电压暂降十分重要。

1 数据中心电压暂降的判断

供配电系统中的电压暂降一般是由公共市政电网中的故障或其他大的变化所引起，根据对以往记录的分析，供配电系统中短路故障、雷击、开关操作、感应电机及变压器的启动等是引起电压出线波动、暂降的主要原因[1-4]。电压暂降的影响分析如表1所示。

表1 电压暂降的影响分析

2 案例分析

国内某数据中心集中监控中心楼宇自控（Building Automation，BA）系统告警，显示制冷机房中的3号冷却水循环泵发生故障，导致冷水机组停机。经维护人员现场检查分析后，确定是循环泵变频器保护动作导致水泵停机，进而机组停机。经事后总结梳理排查，在电力监控系统和电能质量监控系统发现告警与波形变动，事件顺序记录（Sequence of Event，SOE）功能中提示电压暂降告警。电力监控系统截图如图1所示。

图1 电力监控系统

根据对系统故障时的录波进行分析，最终判断是由公共电网雷击引起电网侧故障，进而引起数据中心内供配电系统出现电压暂降，循环泵变频器欠压保护动作导致冷水机组故障停机。

3 数据中心电压暂降的治理

目前，为了确保数据中心供配电系统、制冷系统的连续运行，已在设备前端、空调蓄冷罐释冷泵前端配置了不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、消防应急电源（Emergency Power Supply，EPS）供电系统。然而在部分制冷系统中，冷冻水循环泵、冷却水循环泵前端未采取不间断供电措施，遇到电压暂降时很有可能会出现事故[5]。治理电压暂降主要有两种解决方案，一种是采用UPS系统的常规供电方案，另一种是在相应设备前端加装动态电压恢复装置。两种治理方案的对比如表2所示。

表2 两种治理方案的对比

经过分析，动态电压恢复装置在能耗、生命周期、环境适配性、占地面积以及后期维护等方面相比UPS系统具备明显优势。基于此，在数据中心内针对单纯的电压暂降，推荐使用动态电压补偿装置进行处理。

近年来，动态电压恢复装置逐渐得到广泛应用，能够解决供配电系统中电压暂升、暂降、短时中断的问题。当数据中心供电系统中的电压发生巨大波动时，动态电压恢复装置内的晶闸管短时间内关断，装置快速为后端负载输出能量。经过治理后电压恢复正常，系统转为市电供配电系统供电，转换过程无任何扰动，从而确保供电的连续性、可靠性。动态电压恢复装置工作原理如图2所示。

图2 动态电压恢复装置工作原理

动态电压恢复装置可以利用趋势算法对短时间内的多次采样电压进行计算，得出供电系统中电压的变化趋势，从而在系统电压波动超过阈值之前开始电压补偿。此外，采用恒流源控制模式可保证负载的连续供电不受扰动。当电压正常后，装置负载侧电压参数调整至与供配电系统相同后再导通晶闸管，进而转为市电供电，转换过程连续、不间断。根据动态电压恢复装置的工作原理，结合实际场地条件采用不同的保护改造方案，包括将其安装于变配电室低压母线上和在设备侧输入端就地保护。