引言
　　
　　随着科技的发展及技术的进步,数据中心内电子信息设备(IT设备)在持续进行更新,对风、火、水、电等数据中心基础设施的要求也在不断的变化,对已经运行的数据中心,在线改造正成为一个更为多见的场景。
　　
　　UPS系统在现代电力供应中,无疑是稳定电力输出的关键保障。特别是在数据中心、医院等对于电力稳定性有着极高要求的场所,UPS系统的作用更是举足轻重。它能够在主电源故障时,迅速切换至备用电源,确保电力供应不间断,为重要设备的稳定运行提供坚实的后盾。为确保备用电源的可靠性,电池组在线改造和更换工作就显得尤为重要。下面就以一个数据中心UPS备用电源在线改造为例,通过技术方案的制定及现场的实施部署,详细介绍电池组改造过程中的难点、要点及应对策略。
　　
　　一、电池组在线改造需求
　　
　　本次改造是由于电子信息设备(IT负载)属性和功能发生变化,UPS电池组后备时间需要由原有后备时间15分钟延长至25-30分钟左右。要求改造过程中原有蓄电池组尽量利旧使用,并且在电池组改造过程中对正在运行的供配电系统不发生供电中断。
　　
　　二、改造方案设计
　　
　　本次改造所涉数据中心UPS供电为2N方式,分为A路、B路两个回路。A、B路均为4台600KVAUPS并机,每台UPS实际负载率为35%左右。每台UPS后备电池组为3组,每组配置42节12V电池,供电系统见图1所示。
　　
　　1.电池组更换方案设计
　　
　　根据设备实际情况,原有电池组还在正常工作的生命周期内,为最大限度的进行利旧,同时避免新旧电池混用的问题,经过多次的方案讨论,我们确定了将原有电池集中进行安装,并另购新电池进行补充的更换方案。即原有单侧供电回路有4台UPS,每台UPS设有3组电池,合计有12组42节电池的电池组,更换后将原有12组电池重新分组,共分成3组,为3台UPS供电,即每台UPS有4组电池组供电。剩余的1台UPS另行采购4组新电池来匹配UPS后备时间要求。
　　
　　更换方案见图2。
　　
　　根据原有电池的特性参数,电池重组后,每台UPS电池组的容量计算对比结果如下:
　　
　　UPS满载电池容量效验:
　　
　　直流功率=(UPS容量×输出功率因数)/(逆变器效率×每组单体数×并联组数);
　　
　　更换后所需电池直流功率=(600×0.9×1000)/(0.95×252×4)=563.91瓦特
　　
　　查表1电池参数表得到,基于1.75V的截止电压的条件下,原有电池25分钟的放电功率568.7瓦特大于负载所需单节电池563.91瓦特的放电功率,电池后备时间大于25分钟。
　　
　　按实际负载电池容量效验:
　　
　　直流功率=(设计负载容量)/(逆变器效率×每组单体数×并联组数);
　　
　　更换后所需电池直流功率=(486千瓦×1000)/(0.95×252×4)=507.52瓦特
　　
　　查表1电池参数表得到,基于1.75V截止电压的条件下,原有电池26分钟的放电功率556.9瓦特大于负载所需单节电池507.52瓦特的放电功率,且负载所需放电功率与原有电池放电时间30分钟的放电功率499.1瓦特接近,满足改造需要中电池后备时间25-30分钟之间的要求。
　　
　　2.电池组更换策略
　　
　　在当前的UPS系统配置中,A路采用4台UPS并机运行的方式,现场每台UPS的实际负载率为35%左右。为确保供电稳定性,在这次的改造过程中,我们计划采取更为稳妥的电池更换策略——逐台更换。
　　
　　具体来说,就是每次仅对一台UPS进行停机维护,更换其电池组,而其余三台UPS则继续并机运行,维持电力供应的连续性。这种策略的好处在于,它能够在最小程度上影响电力供应的稳定性,同时又能确保电池更换工作的顺利进行。
　　
　　3.UPS负载率的效验
　　
　　根据逐台更换的更换策略,在单台UPS停机更换电池的过程中,其余三台UPS的负载率会有所上升,从原有的35%上升至46%左右。这样的负载率仍在UPS的正常工作范围之内,不会对运行的稳定性产生显著影响。
　　
　　然而,我们也必须清醒地认识到,任何策略都不是万无一失的。在实际操作过程中,我们还需要考虑到各种可能出现的突发情况,并做相应的应急预案。例如,假设在更换电池的过程中,B路供电系统突然出现故障,这时A路就需要单侧承担满负荷的供电任务。虽然这种情况发生的概率极低,但我们仍然需要提前做好充分的准备。
　　
　　在这种极端情况下,A路的三台UPS的负载率会由46%急剧上升至92%左右，虽然这是一个较高的负载率，对于UPS系统仍然能够保持持续稳定的工作，满足改造需求中供配电系统不间断运行的要求。
　　
　　综上所述,我们制定的UPS电池更换策略是合理且可行的。它既能保证电力供应的稳定性,又能满足改造工作的需求。当然,在实际操作过程中,我们还需要严格按照操作规程进行,确保每一步操作都准确无误,以保障UPS系统的安全运行。
　　
　　4.结构载荷计算效验
　　
　　经过准确的载荷计算和效验,确定楼面结构载荷可以满足电池增加的承重需求,电池更换结构条件可以执行。
　　
　　经过以上3条的效验,将原有电池组进行重组,集中在3台UPS进行安装,第4台UPS电池重新进行采购和安装的更换方案满足技术方面和IT设备的使用要求,可以执行更换。
　　
　　三、现场实施
　　
　　根据逐台更换的既定策略，首先对第4组UPS和电池进行关机下架，并对电池相关设备进行改造。
　　
　　1.对UPS4进行单机关机,电池下架
　　
　　根据操作手册和UPS单台关机标准操作流程的严格规定,详见图3。首先关闭UPS逆变器,并耐心等待逆变器指示灯熄灭,确保逆变器已完全关闭。紧接着,我们按照流程断开UPS内部电源开关Q1、Q2、Q3、Q5,确保电源的安全隔离。随后,断开下电UPS机的外部市电输入开关断路器、旁路输入开关断路器以及外部UPS输出开关断路器,这一系列操作都旨在确保UPS机与电源系统的完全分离,防止任何可能的电流通过。
　　
　　完成上述操作后,需要立即检查在线运行UPS的状态,仔细核对各项运行参数,确认无报警信息,负载率也保持在正常范围内,无异常情况。当所有这些都确认无误后,UPS4下电工作已经完成,此时另外3台UPS继续并机运行,为整个系统提供稳定的电力支持。
　　
　　接下来,我们转向UPS4原有的3组电池的下架工作。这是一个需要细致操作的过程，因为电池的下架不仅关系到UPS系统的后续运行，还涉及到人员安全和设备的保护。我们按照预定的方案，小心地将每组电池逐一从电池架上卸下，同时确保电池在移动过程中不会受到损坏或产生短路等危险情况。
　　
　　随着电池的顺利下架,我们紧接着对电池架和电池开关箱进行了改造。
　　
　　2.对电池架进行改造
　　
　　原有的电池架为三层设计,对应三组电池。通过对电池架进行升级改造来满足新增的第四组电池。通过前期的现场勘察和方案讨论,我们决定保留原有的三层电池架,而在第三层电池架上方新增第四层电池架。
　　
　　这一改造方式不仅充分利用了现有空间,还避免了对原电池架的拆除,从而大大提高了改造效率。新增的第四层电池架拥有独立的支腿,这些支腿被牢固地固定在地面上,以确保其稳定性。同时,我们还将新增电池架的支腿与原有电池架支腿进行了有效的固定,这样改造后的四层电池架更加稳固,能够承受更大的重量和更复杂的运行环境。
　　
　　电池架改造示意图见图4。
　　
　　3.电池开关箱改造
　　
　　为了与新增的第4组电池适配,需要对原有的电池开关箱进行改造升级。通过巧妙的设计,我们在原有的电池开关箱基础上增加了一个边柜,新增的边柜内安装了一把直流开关,专门对应新增的第4组电池,确保了电池组保护的有效性和和管理的便捷性。同时,我们也对原直流开关箱内的汇流排进行了延长处理,使其能够与新增的边柜和直流开关实现有效的连接,保证了电流的顺畅传输。
　　
　　4.上架安装连接
　　
　　电池相关的设备改造完成后,对四组电池进行上架,安装对应电池连接片,电源线。检查电池参数,总输出电压正常,单节电池端电压差值和内阻符合国标和出厂要求,并使用红外测温仪对电池进行测温,没有明显热点。
　　
　　5.UPS4进行开机并执行备机入列的操作
　　
　　首先,闭合UPS4备机的外部电源开关(配电柜上的市电输入开关、旁路输入开关、UPS输出开关),此操作步骤使UPS备机的输出端子带电。随后,闭合UPS备机的Q5、Q3、Q2、Q1开关,等待UPS上电自检完成。设备完成自检后,确认UPS备机工作在整流器状态,逆变器未启动。需要等待整流器启动完成绿灯常亮后,闭合蓄电池组开关。最后,按逆变器键3秒,检查确认UPS面板指示灯正常,UPS工作在逆变供电的正常模式运行,既UPS4备机入列操作完成。
　　
　　6.对新安装的电池组进行充电
　　
　　UPS4正常模式工作,同时会对电量不足的电池进行充电。充电过程中严格检查电池的外壳是否有鼓包、漏液等情况,检查电池电压,内阻,温度等参数正常,并使用红外测温仪对电池进行测温,没有明显热点。待充电24小时后,检查电池电压,充电电流等参数,确认新更换电池已经充满。
　　
　　7.根据现场条件进行电池充放电测试
　　
　　UPS电池的更换及充电工作完成后,接下来的关键步骤便是进行电池充放电测试。这一步骤至关重要,它直接关系到UPS系统能否在关键时刻稳定供电。为了确保测试的有效性,我们需要根据设备的实际负载情况,结合现场的运维条件,制定一套有针对性的测试方案。在保障系统安全稳定运行的前提下,可以逐台对电池进行充放电测试,也可以按并机组整组进行充放电测试,目的是验证电池的容量和性能是否达到预期标准。这样的测试不仅有助于我们更好地了解电池的工作状态，还能有效激活电池的活性，进一步延长电池的使用寿命。
　　
　　8.UPS组依次进行更换
　　
　　UPS4更换完成后,为了确保UPS系统的连续供电能力,我们会依次对UPS组进行更换,即对A路另外3台UPS和B路的UPS按照同样的工序进行电池更换工作,确保整个更换过程不会对电力供应造成任何影响。
　　
　　至此,通过这一系列精心设计的步骤,UPS系统后备电池在线改造工作全部完成。
　　
　　四、经验总结
　　
　　1）在改造之初,我们首先对UPS系统的现有状况进行了全面评估,确定了切实可行的技术方案。这一过程中,我们充分考虑了系统的稳定性、安全性,设备各项参数的匹配性和可行性,确保改造方案能够满足当前的改造需求。
　　
　　2）施工过程中,我们遇到了诸多重难点问题。例如,如何在保证UPS系统正常运行的同时,安全、高效地完成电池更换工作?对此,我们采用了逐台更换的策略,并在更换过程中严格检查设备参数,控制各项操作,确保系统的稳定性不受影响。同时,我们还特别注重施工安全,采取了多项措施防止意外事故的发生。
　　
　　3）在运维阶段,我们重点关注了UPS系统的运行状态和电池性能。通过定期巡检和性能测试,以便于及时发现并解决潜在的问题,确保了系统的稳定运行。此外,我们还对运维人员进行了专业培训,提高了他们的技能水平,为系统的长期稳定运行提供了有力保障。
　　
　　4）备用电源保障,柴油发电机系统作为数据中心的备用电源,相较于市电电源更加可控。在改造和更换的关键节点,电源供给可以由市电电源切换至备用电源,避免因突发情况影响配电系统运行的稳定性。
　　
　　五、结束语
　　
　　本文深入探讨了UPS电池在线改造的实际案例,通过详尽描述前期技术方案确定、施工中重难点的解决、运维工作重点,直至改造完成的整个过程,旨在为读者提供一份全面的参考手册。
　　
　　经过一段时间的紧张施工和精心运维,本次UPS电池在线改造项目终于圆满完成。这一成功案例不仅为我们积累了丰富的经验,也可以为其他数据中心电气相关人员提供了有益的参考和帮助。我们希望通过分享这一案例,能够推动UPS系统在线改造技术的不断进步,为数据中心的安全、稳定运行贡献一份力量。
　　
　　作者简介
　　
　　刘晓,任职于银清企业服务(北京)有限公司,有10余年从业经验,主要从事数据中心基础设施的全生命周期工作,涵盖电气设计、项目建设、测试验证以及运行维护等各个环节。
　　
　　编辑：Harris