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摘要：我国数据机房的发展经过了近三十年左右的历程，现在已经进入到大型数据中心的建设时代。随着云计算、大数据、互联网、物联网时代的到来。信息的传输、处理、储存都需要更宽的带宽，更稳定的供电，更加绿色节能的基础设施的支持。随着技术的进步及信息处理量的增加，前些年建设的一大批数据机房急需进行改建、扩容。以适应IT行业飞速发展的需要，尤其是金融系统。
关键词：数据中心；改造；电源系统设计
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0199-02
1 概述
这个行业的数据机房建设的时间比较早，机房面积小，不节能且普通的供电系统是单路供电。不符合现在新的数据中心标准，对数据机房的技术要求。这样有大量的数据机房需要进行改进。在改造过程中有建筑系统的改造，空调系统的改造，弱点系统的改造，消防系统的改造，综合布线系统的改造改建升级，但最重要的是电源系统的改造。因为数据机房中，电源系统是整个数据机房大环境中的源泉，没有电源系统的质量保证整个数据中心机房这个大系统就会瘫痪，而金融系统在改造过程又不允许停电改造，一般在整个改建过程中只在深夜给出2个小时的窗口停电时间，在整个改建过程中这种窗口时间也只能是30-40个小时。这30-40个小时过程中包括其全部全系统的切换，这样 电源系统窗口时间就少之又少了。根据上述困难，下面我们讨论一下如何万无一失的完成从单电源系统到双电源的安全切换。
2 为了讨论方便，我选了一个在金融系统改造中的一个实际案例来做陈述电源系统安全切换的方案
从上图可知，本电源系统是一个典型十几年前建设的数据机房。首先是一个单路供电系统，市电流过输入配电柜630A开关将交流电引入机房内，在输入配电柜的输出端，有三路开关，其中两路630A的开关分别为两台400KVA的UPS电源供电，一个400A的开关为一台150KVA的UPS供电。此处两台400KVA的UPS在输出端并联作为负载供电。1台150KVA的UPS输出单独为某些负载供电。在机房内有些双电源系统服务器，则由2x400KVA的输出配电柜引出的电源与150KVA的UPS电源输出配电柜引出的电源供电。通过上图我们可知，这是一个典型的单路供电系统。系统中存在若干不合理的部分。
1） 市电输入的总开关额定电流仅为630A显然不合理，当单台400KVA满载时输入电流值远大于630A，这里没有计算150KVA的UPS所需的输入电流。一旦出现上述情况整个系统将会崩溃。
2） 机房内部分双电源负载由400KVA的UPS并机输出与单台150KVA的UPS输出供电。由于双边的UPS输出功率不对称，品牌不一样且150KVA的UPS还要为一些单电源负载供电。这样随着机房内双电源负载的增加，整个系统将不满足供电需求。
通过以上分析可知：现在这个电源系统已不能保证数据中心的安全运行，整个电源系统存在单点瓶颈，一旦市电供电系统出现故障，整个系统的故障将是灾难性的会造成不可预估量的损失。
根据上述问题，对本电源系统进行升级改造设计。
改造的图纸如图2所示。（注：将图中630A改成800A）
本次改造的设计思想为：
1） 加入一路市电电源；
2） 将A、B路市电的输入开关换成1250A；
3） 将400KVA的UPS由双机并联改成A、B路各安装一台；
4） 将400KVA的UPS的输入开关由630A改成800A；
5） 从市电A、B路各引出一路，供机房空调用电，A、B路市电在空调设备前通过ATS开关进行切换，保证精密空调系统的不间断供电；
6） 在A、B路UPS电源的输出端加母联空开K4 630A（注意：K4 UPS电源的输出的母联开关在本次改造中是至关重要的）。
本次设计的思路为：当一路市电长时间中断时，通过市电母联空开K3可对机房所有负载供电。当一路UPS故障或维修需要长时间中断时通过K3母联开关对机房所有IT负载供电。实践证明本设计在此一次机房电源系统改造中起到了关键作用。
3 改造过程分步实施
根据金融系统的特点，为了大量减少电源系统改造引起的负载停电，最大限度地减小停电的窗口时间，确保在现有系统正常运行的前提下，实现电源系统的改造，本次设计电源系統改造分两部分进行。
3.1 第一步
对现有400KVA的UPS 1 1并机系统进行拆分。需要UPS输出端IT负载停机。对机房内不能停电的设备采用临时电源供电。改造过程中在UPS输出并机柜上增加了一个K4 UPS输出母联空气开关。拆分改造完成后，将原400KVA的UPS并联系统改造为单机双总线系统。并将原150KVAUPS的负载分别纳入到拆分后400KVA的UPS输出的A、B路配电柜。
3.2 第二步
启用新的市电配电柜，将UPS输入、输出割接到新配电柜上。利用K4 UPS输出母联空开保障了机房所有计算机负载不间断供电，摆脱单电源设备。
为防止UPS转维修旁路期间，市电突然停电，需启用后备发电机组，给机房供电。
4 电源系统切换步骤
为确保在IT负载工作状态不停顿的状态下完成电源系统新、旧方案的切换采取了下列措施。
第一步：
（1） 停市电电源同时启动发电机供电
1） A、B路UPS由发电机供电，待A、B路的UPS在发电机供电的情况，工作状态正常后，将A、B路UPS转维修旁路。将UPS转维修旁路的作用是：防止A路UPS退出运行时，全部负载转移到B路UPS时所引起的瞬时冲击电流。这个冲击电流有可能造成UPS的故障。检测UPS输出柜K4母联开关两端是否同相，若同相则合上母联开关K4。
2） 断开A路UPS的输出开关，输入开关，电池开关，将A路UPS退出运行。现在机房所有IT负载由B路UPS供电。
3） B路UPS开启逆变器，B路UPS恢复正常工作状态。
（2） 停发电机，此时B路UPS由电池，逆变输出供电。
（3） 恢复市电供电，此时B路UPS进入正常工作状态。
（4） 拆除A路UPS原输入电缆，原输出电缆不拆，A路UPS输入，输出连入新配电柜。
（5） 停市电启动发动机供电
1） A、B路UPS由发电机供电，待A、B路UPS工作正常后，将A、B路UPS转维修旁路。
2） 检查A路UPS在旧并机柜的输出开关两端的电压是否同相，若同相则合上A路UPS在新配电柜上的输出开关，A路UPS将接管B路UPS的负载。
3） 断开K4 UPS输出母联开关，A路UPS接管A路UPS负载。
4） A路UPS开启逆变，正常运行后A路UPS输入、输出切换完成。
同理重复上述步骤完成B路UPS输入、输出切换改造。
第二步：
电流系统改造完成后，UPS输入启动新配电柜供电，UPS输出即连接了原有配电柜，保障现有环境的供电，又连接了新的UPS输出配电柜。当新的电源列头柜启用后，原有的UPS输出配电柜即可拆除。
以上电源系统改造过程中K4 UPS输出母联空开的设计是保障机房的IT负载不间断供电的关键。K4 UPS输出母联空开操作的前提是两台UPS输入市电必须是同一电源且同相序，当两台UPS都工作在维修旁路时K4母联空开的两端的市电同源，相序相同即可合闸。
由于有了K4 UPS输出母联开关的设计，在第一步的电源改造完成后的UPS输出配电系统的相关改造，如UPS电池及汇流箱的搬迁改造，第二步UPS输入，输出配电柜的切换。故实现了机房IT负载的不间断供电。
现在在机房领域存在大量如本案例描述的案例，本案例的设计思想对于改造、改建、单电源市电输入的机房供电系统为符合国家数据中心规范的双路供电系统，提供了可操作的方法。
关键词：数据中心；改造；电源系统设计
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0199-02
1 概述
这个行业的数据机房建设的时间比较早，机房面积小，不节能且普通的供电系统是单路供电。不符合现在新的数据中心标准，对数据机房的技术要求。这样有大量的数据机房需要进行改进。在改造过程中有建筑系统的改造，空调系统的改造，弱点系统的改造，消防系统的改造，综合布线系统的改造改建升级，但最重要的是电源系统的改造。因为数据机房中，电源系统是整个数据机房大环境中的源泉，没有电源系统的质量保证整个数据中心机房这个大系统就会瘫痪，而金融系统在改造过程又不允许停电改造，一般在整个改建过程中只在深夜给出2个小时的窗口停电时间，在整个改建过程中这种窗口时间也只能是30-40个小时。这30-40个小时过程中包括其全部全系统的切换，这样 电源系统窗口时间就少之又少了。根据上述困难，下面我们讨论一下如何万无一失的完成从单电源系统到双电源的安全切换。
2 为了讨论方便，我选了一个在金融系统改造中的一个实际案例来做陈述电源系统安全切换的方案
从上图可知，本电源系统是一个典型十几年前建设的数据机房。首先是一个单路供电系统，市电流过输入配电柜630A开关将交流电引入机房内，在输入配电柜的输出端，有三路开关，其中两路630A的开关分别为两台400KVA的UPS电源供电，一个400A的开关为一台150KVA的UPS供电。此处两台400KVA的UPS在输出端并联作为负载供电。1台150KVA的UPS输出单独为某些负载供电。在机房内有些双电源系统服务器，则由2x400KVA的输出配电柜引出的电源与150KVA的UPS电源输出配电柜引出的电源供电。通过上图我们可知，这是一个典型的单路供电系统。系统中存在若干不合理的部分。
1） 市电输入的总开关额定电流仅为630A显然不合理，当单台400KVA满载时输入电流值远大于630A，这里没有计算150KVA的UPS所需的输入电流。一旦出现上述情况整个系统将会崩溃。
2） 机房内部分双电源负载由400KVA的UPS并机输出与单台150KVA的UPS输出供电。由于双边的UPS输出功率不对称，品牌不一样且150KVA的UPS还要为一些单电源负载供电。这样随着机房内双电源负载的增加，整个系统将不满足供电需求。
通过以上分析可知：现在这个电源系统已不能保证数据中心的安全运行，整个电源系统存在单点瓶颈，一旦市电供电系统出现故障，整个系统的故障将是灾难性的会造成不可预估量的损失。
根据上述问题，对本电源系统进行升级改造设计。
改造的图纸如图2所示。（注：将图中630A改成800A）
本次改造的设计思想为：
1） 加入一路市电电源；
2） 将A、B路市电的输入开关换成1250A；
3） 将400KVA的UPS由双机并联改成A、B路各安装一台；
4） 将400KVA的UPS的输入开关由630A改成800A；
5） 从市电A、B路各引出一路，供机房空调用电，A、B路市电在空调设备前通过ATS开关进行切换，保证精密空调系统的不间断供电；
6） 在A、B路UPS电源的输出端加母联空开K4 630A（注意：K4 UPS电源的输出的母联开关在本次改造中是至关重要的）。
本次设计的思路为：当一路市电长时间中断时，通过市电母联空开K3可对机房所有负载供电。当一路UPS故障或维修需要长时间中断时通过K3母联开关对机房所有IT负载供电。实践证明本设计在此一次机房电源系统改造中起到了关键作用。
3 改造过程分步实施
根据金融系统的特点，为了大量减少电源系统改造引起的负载停电，最大限度地减小停电的窗口时间，确保在现有系统正常运行的前提下，实现电源系统的改造，本次设计电源系統改造分两部分进行。
3.1 第一步
对现有400KVA的UPS 1 1并机系统进行拆分。需要UPS输出端IT负载停机。对机房内不能停电的设备采用临时电源供电。改造过程中在UPS输出并机柜上增加了一个K4 UPS输出母联空气开关。拆分改造完成后，将原400KVA的UPS并联系统改造为单机双总线系统。并将原150KVAUPS的负载分别纳入到拆分后400KVA的UPS输出的A、B路配电柜。
3.2 第二步
启用新的市电配电柜，将UPS输入、输出割接到新配电柜上。利用K4 UPS输出母联空开保障了机房所有计算机负载不间断供电，摆脱单电源设备。
为防止UPS转维修旁路期间，市电突然停电，需启用后备发电机组，给机房供电。
4 电源系统切换步骤
为确保在IT负载工作状态不停顿的状态下完成电源系统新、旧方案的切换采取了下列措施。
第一步：
（1） 停市电电源同时启动发电机供电
1） A、B路UPS由发电机供电，待A、B路的UPS在发电机供电的情况，工作状态正常后，将A、B路UPS转维修旁路。将UPS转维修旁路的作用是：防止A路UPS退出运行时，全部负载转移到B路UPS时所引起的瞬时冲击电流。这个冲击电流有可能造成UPS的故障。检测UPS输出柜K4母联开关两端是否同相，若同相则合上母联开关K4。
2） 断开A路UPS的输出开关，输入开关，电池开关，将A路UPS退出运行。现在机房所有IT负载由B路UPS供电。
3） B路UPS开启逆变器，B路UPS恢复正常工作状态。
（2） 停发电机，此时B路UPS由电池，逆变输出供电。
（3） 恢复市电供电，此时B路UPS进入正常工作状态。
（4） 拆除A路UPS原输入电缆，原输出电缆不拆，A路UPS输入，输出连入新配电柜。
（5） 停市电启动发动机供电
1） A、B路UPS由发电机供电，待A、B路UPS工作正常后，将A、B路UPS转维修旁路。
2） 检查A路UPS在旧并机柜的输出开关两端的电压是否同相，若同相则合上A路UPS在新配电柜上的输出开关，A路UPS将接管B路UPS的负载。
3） 断开K4 UPS输出母联开关，A路UPS接管A路UPS负载。
4） A路UPS开启逆变，正常运行后A路UPS输入、输出切换完成。
同理重复上述步骤完成B路UPS输入、输出切换改造。
第二步：
电流系统改造完成后，UPS输入启动新配电柜供电，UPS输出即连接了原有配电柜，保障现有环境的供电，又连接了新的UPS输出配电柜。当新的电源列头柜启用后，原有的UPS输出配电柜即可拆除。
以上电源系统改造过程中K4 UPS输出母联空开的设计是保障机房的IT负载不间断供电的关键。K4 UPS输出母联空开操作的前提是两台UPS输入市电必须是同一电源且同相序，当两台UPS都工作在维修旁路时K4母联空开的两端的市电同源，相序相同即可合闸。
由于有了K4 UPS输出母联开关的设计，在第一步的电源改造完成后的UPS输出配电系统的相关改造，如UPS电池及汇流箱的搬迁改造，第二步UPS输入，输出配电柜的切换。故实现了机房IT负载的不间断供电。
现在在机房领域存在大量如本案例描述的案例，本案例的设计思想对于改造、改建、单电源市电输入的机房供电系统为符合国家数据中心规范的双路供电系统，提供了可操作的方法。