如何根据N + 1方案构建Tier IV数据中心

具有隔离并行总线（IP-Bus）的UPS系统-开发人员对数据中心容量增长的答案。世界上已经建立了许多具有IP总线的数据中心，包括那些拥有Tier IV Uptime Institute证书的数据中心。俄罗斯客户正在关注这种决定。

在建设数据中心的实践中，有不断扩大的趋势。世界上已经出现了容量为100兆瓦的物体。俄罗斯也没有袖手旁观，尽管它在这一方向上有所拖延。 10年前，在我国，一个容量为5 MW的数据中心被认为是大型数据中心，今天，几家领先的运营商宣布了计划建造2,000个或更多机架的设施，这相当于15 MW及以上的能耗。

如世界惯例所示，对于组织高功率的工程系统而言，从经济角度来看，最方便的方法是将设备的N + x（N + 1，N + 2 ...）并联连接。此外，可以在此类解决方案中使用的全球最大UPS设备-动态的单位容量受到用于UPS的最大柴油发动机的功率（和成本）的限制。

但是，UPS的直接并行连接具有创建有效的N + x配置的能力，但存在许多明显的缺点：

• 低压装置只能用于5 MW以下的系统。这既是由于对低压封装设备（6300 A）的可用额定值的限制，又是由于短路电流较高（其值可能超过150 kA）。
• 中压解决方案使构建超过5 MW的系统成为可能，这增加了电源系统的成本，并且在运行方面并不总是适合客户。
• 系统的常见组件-输入和输出总线，旁路-是常见的故障点。

N + N（2N）方案对应于Tier IV Uptime Institute的容错级别，通过构建单独的能源模块，可以摆脱传统并行系统的主要缺点。但是这种方法还有其他明显的缺点：

• 100％重复设备，即 高昂的资本成本；
• 占地面积大；
• 最大负载水平-50％（实际上-不高于40％）；
• 高昂的运营成本。

由于这些原因，N + N（2N）配置很少用于容量超过10 MW的设施。

2005年，发现了一个解决方案，在保持并联电路的主要优势（N + x电路中的UPS模块数量最优）的同时，将容量高达20 MW的系统投入实践，同时保持0.4 kV的低压。该解决方案被称为IP-Bus配置，可满足最高级别的容错能力（Tier IV Uptime Institute）。 IP总线的想法是基于使用环形总线来连接各个UPS模块，每个模块都使用电抗器隔离（图1）。


图。1。 UPS隔离并联

在IP-Bus系统中，每个UPS均以自己的负载输出运行，并通过隔离扼流圈同时连接到公共总线（IP-Bus），该隔离扼流圈执行以下重要功能：

• 允许您在UPS之间重新分配有功功率-负载较低的UPS模块通过IP总线传输多余的功率“帮助”其他模块（图2）；
• 在UPS关机以进行维护工作或发生事故的情况下，为负载提供不间断的电源（图3，图4）；
• 由于电抗器的阻抗，会减缓UPS装置之间无功电流的交换，因此无需控制系统内部的无功功率。

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图。 2.由16个UPS装置组成的系统中的负载分配示例

与“直接”并联配置相反，在IP-Bus系统中，每个UPS装置都独立于其他装置来控制其输出电压-没有集中控制装置，并且消除了常见的故障点。假设一台UPS的电源由于某种原因突然消失，则其负载将通过IP扼流圈保持与IP总线的连接，该IP扼流圈现在可以用作备用电源。在这种情况下，负载将自动且不间断地从IP总线接收电源（见图3）。


图。 3.如果一台UPS安装发生故障/停机，则系统冗余示例

实际上，IP总线通常以环的形式制成，如图2所示。 4. IP总线的第二部分，通常称为Return-Bus，充当负载的备用电源，使您可以通过单独的开关将它们直接连接到IP总线-一种旁路，即使在紧急情况下也可以确保负载上的额定电压情况或执行维修工作时。这样的旁路并不是常见的故障点，因为如上所述，在最初的时刻，直到旁路关闭，负载继续通过IP扼流圈从IP总线接收电力。


图。 4直接从备用IP总线操作2号负载的示例

IP-Bus系统在短路情况下的行为也与“直接”并行配置中的过程有很大不同。在IP总线电路中，由于使用IP扼流圈而可能造成的短路对负载的影响可忽略不计。在这种情况下，短路电流不超过100 kA，因此可以使用标准的开关，保护和总线设备。

如果UPS的负载侧发生短路（见图5），则由于剩余的负载是通过两个串联的电抗器与UPS隔离的，因此这种短路对整个系统的影响相对较小。另一方面，UPS提供给公共IP总线的短路电流受IP扼流圈的电阻限制。因此，未受影响负载上的电压变化微不足道，并保持在ITI曲线（CBEMA）的安全区域内。


图。 5. IP-Bus系统中短路电流的分布和值示例，其中连接到UPS 2的负载电源总线上发生短路

如果IP总线发生短路，则在故障点与UPS或负载之间仅安装一个IP电抗器。因此，与负载分配系统中的短路相比，这种情况下负载两端的电压降将大得多。过渡电阻低时，负载两端的初始电压降将为30％。对于敏感的服务器电源，根据ITI曲线（CBEMA），该压降最长可接受500 ms。分段定向保护的使用特别适合IP-Bus系统的要求，可让您通过选择性地隔离短路来在60-ms上清理IP-Bus上的短路，同时还可以使IP-Bus系统中未被直接影响的部分完全保留可行的。

IP总线系统由数个UPS安装组成，其数量由指定的N + x冗余级别决定，并包括以下主要组件：具有电力存储设备的UPS，将UPS安装连接到IP总线的IP扼流圈以及确保系统安全运行所需的开关。

在图。图6示出了基于旋转式UPS的IP总线系统的一个实施例。

系统元素：

1.外部网络
2. IP总线
3. IP返回总线
4.带手轮的旋转DIBP
5. DGU用于长时间的网络中断（可选）
6. IP扼流圈
7.旁路开关
8. IP开关
9.负载




图。 6.使用旋转式UPS Piller UNIBLOCK和外部DGU并具有“较低”开启功能的IP-Bus系统示例，

根据Piller的实际经验，带有飞轮的动态UPS（图6）作为备用能量存储设备非常适合IP Bus系统，因为作为DIBP一部分的动力学驱动器可以以瞬时能量吸收和瞬时放电两种模式运行，这对于在负载变化时稳定IP-Bus系统的运行参数很重要。

此外，DIBP中的电动发电机具有提供高达20 x Inom的高短路电流的能力，这使IP-Bus系统能够在很长的时间内应对短路清洁问题，而不会使相邻负载承受短路的负面影响。
带电池的静态UPS具有有限的即时发送和接收大电流的能力，此外，UPS本身的短路电流也较低。由于这些原因，静态UPS上的IP-Bus解决方案只是一个实验，实际上在现有的数据中心中找不到。

全球首个IP总线系统于2007年在Ashburn（美国弗吉尼亚州）的36 MW数据中心实施。工厂安装了两个单独的IP-Bus系统，每个系统都包括16个Piller UNIBLOCK UBT 1670 kVA飞轮（14 + 2配置），如果外部网络长期中断，每个DIBP都由单独的2810 kVA柴油发电机预留，并具有“较低的开启”功能，在不间断和有保证的电源负载下均可工作
随着第一个IP总线系统的成功，这种配置在数据中心行业中迅速获得普及。 IP-Bus技术开发和认可的另一个里程碑是，澳大利亚NEXTDC B2数据中心在2017年9月获得了具有IP-Bus N + 1电源系统的IP-Bus N + 1供电系统证书。

俄罗斯数据中心市场仅进入容量超过10兆瓦的大型设施建设阶段。根据俄罗斯几个数据中心项目（容量范围为5到15兆瓦）中IP总线解决方案的首次概念计算和预算评估的结果，可以得出以下结论。与静态UPS上的2N配置相比，基于DIBP的IP-Bus解决方案的初始投资成本并不昂贵，它们可以在30年内增加30-60％的占用空间，在10年的时间里，拥有成本（TCO）可以提高50％以上。与同时在静态和动态UPS上实施的N + 1分布式冗余配置（DR 3 / 2、4 / 3）相比，基于DIBP的IP-Bus解决方案的初始投资成本并不昂贵（对于10个数据中心）兆瓦或更高），则在10年的时间里，在被占地区获得20-50％的收益，在总拥有成本方面，获利增加50％。

因此，我确信在俄罗斯数据中心实施IP总线系统只是时间问题。