某数据中心机房IT负载的UPS供配电系统是由4台400kVAUPS并机组成，为（3+1）冗余系统。UPS输入配电母线的进线有两路，一路是引自大楼总变配电室的市电电源，另一路是引自大楼备用低压柴油发电机的应急电源，两个电源经过ATS双电源自动切换开关后输入到UPS输入配电母线台UPS并机输出到UPS输出母线上通过各馈电开关向各机房IT设备供电，UPS输入配电母线和UPS输出配电母线之间设有手动总维修旁路。正常运行时ATS切换在市电侧供电，当市电应故停电备用柴油发电机启动正常后ATS将自动切换到备用柴油发电机供电。

　　为满足数据中心扩容发展，数据中心实施把4台400kVA的UPS（旧机）更换成4台500kVA的UPS（新机）的方案，考虑到当地市电的不稳定因数，决定在实施方案期间采用备用柴油发电机代替市电供电，并在准备阶段预先对柴油发电机进行了多次单机和并机带载的成功测试，以确保方案实施时万无一失。

　　1）第1阶段：ATS切在市电供电，4#UPS（旧机）关机下电做更换施工，1#UPS、2#UPS和3#UPS（3台旧机）并机带载运行，系统工作正常；

　　2）第2阶段：ATS由市电切换为柴油发电机供电，3台柴油发电机并机供电运行，1#UPS、2#UPS和3#UPS

　　3）第3阶段：3台柴油发电机继续并机供电运行，3#UPS（旧机）关机下电做更换施工，1#UPS和2#UPS（2台旧机）并机带载运行，在3#UPS关机50分钟以后，1#UPS和2#UPS自动跳转到内旁路供电，此时发电机通过UPS的内旁路直接向机房IT负载供电；

　　4）第4阶段：在1#UPS和2#UPS（2台旧机）自动跳转到内旁路供电的12分钟以后，第1台柴油发电机发出失磁告警并退出并机系统自动停机；

　　5）第5阶段：又过18分钟以后，第2台柴油发电机发出失磁告警并退出并机系统自动停机，紧接着约20秒第3台柴油发电机发出失磁告警并自动停机，1#UPS和2#UPS（2台旧机）同时发出“LOAD OFF”告警，此时负载掉电，机房设备宕机。

　　在方案实施的第1阶段，ATS切在市电供电，4#UPS（旧机）关机下电退出运行，系统由1#UPS、2#UPS和3#UPS（3台旧机）并机带载运行，3台UPS并机运行的安装总容量为1200kVA，输出供电容量为1200kVA*0.8=960kVA，机房IT负载容量为725kVA，UPS系统输出供电容量大于IT负载容量，系统工作正常。

　　在方案实施的第2阶段，ATS切在柴油发电机供电，柴发电源是由3台容量为1275kVA的自激式柴油发电机并机运行供电的，总供电容量为1275kVA*3=3825kVA，完全满足UPS负载容量需求，其余情况与第1阶段相同，系统工作正常。

　　在方案实施的第3阶段，3台柴油发电机继续并机供电运行，3#UPS（旧机）关机下电退出运行，1#UPS和2#UPS（2台旧机）并机带载运行，50分钟以后1#UPS和2#UPS自动跳转到内旁路供电，此时发电机通过UPS的内旁路直接向机房IT负载供电。第3阶段是事件的关键阶段之一，为什么1#UPS和2#UPS会自动跳转到内旁路供电的？是因为2台UPS并机运行的安装总容量为800kVA，输出供电容量为800kVA*0.8=640kVA，机房IT负载容量为725kVA，UPS系统输出供电容量小于IT负载容量，UPS在过负荷运行下自我保护自动跳转到内旁路供电，系统出现异常。

　　在方案实施的第4阶段和第5阶段，1#UPS和2#UPS（2台旧机）自动跳转到内旁路供电以后，3台柴油发电机陆续发出失磁告警并自动停机，造成机房负载掉电，IT设备宕机的不良事件发生。第4阶段和第5阶段是事件的关键阶段之二。

　　事件的关键阶段之一，原因是由于2台400kVA的UPS并机运行带动不了725kVA的IT负载造成的，关于这方面问题的分析研究和解决方案在机房《技术与管理》专业性权威期刊总第68期中有关专家已进行了深入论述，本文不再讨论。

　　事件的关键阶段之二是在方案实施的第4阶段和第5阶段，1#UPS和2#UPS（2台旧机）因过负荷保护自动跳转到内旁路供电以后，为什么三台柴油发电机会陆续发出失磁告警并自动停机？是柴油发电机容量不足吗？不是，因为当时柴油发电机单机容量为1275kVA，三台并机总容量为3825kVA，而所带的IT负载为725kVA，当时发电机没有带其他负载，发电机容量是负载容量的5.2倍。为什么三台柴油发电机会陆续发出失磁告警并自动停机是我们本文要讨论的重点问题。

　　机房IT负载主要由服务器、路由器、存储器、交换机等用电设备组成，随着低碳经济对节能减排的要求的提高,计算机负载的节能要求也显著提高。我们知道，计算机、服务器的电源通常装有LC滤波电路，用以提高负载的功率因数和降低负载电流的谐波,达到降低能耗和减少电网污染的要求。

　　计算机电源设计时滤波电容一般按满载容量选取,而通常计算机设备实际平均功耗为满载设计功耗的50%～80%之间，对于多台计算机设备用电的数据中心，其总IT负载等效于并联了多个滤波电容的无功补偿电路，本该为感性负载的服务器在低载运行时，这些滤波电容使IT供配电系统的总电流相位前移，输入电流相位超前于电压相位，使整体负载呈现容性，即出现功率因数超前现象。IT设备随着数据处理量大小的变化其耗电量也随之变化，所以IT负载耗电容量是动态变化的，从而引起负载功率因数也是动态变化的。

　　新型计算机负载有两个重要特性：一是负载的功率因数提升到0.95以上，二是负载可能会由传统的感性负载变为容性负载。

　　UPS是一种高质量、高可靠性的独立电源，是一种蓄电池静止型不间断供电装置，是数据中心最重要的电源设备。UPS由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电经整流器变为直流对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流净化电源向负载供电。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组放电经逆变器逆变供电，保持负载供电不间断，当UPS超载时能自动转为静态旁路供电。

　　UPS的基本作用就是解决电源干扰问题，UPS具有稳压稳频、净化电源、降低波形失真和突波保护功能。

　　UPS在市电停电自动转换到蓄电池逆变供电、在发现超载时由正常供电转换到静态旁路供电以及以上反方向的电源转换过程中，其转换时间极短，可以认为是在0ms瞬间完成，不会造成计算机停机。

　　UPS还有一个重要作用就是UPS的输出端能够适应IT负载的动态变化而引起的功率因数在一定范围内的变化，能最大限度地减低输出电压总谐波影响；UPS的输入端不会出现功率因数超前的现象，能最大限度地降低输入电流谐波失真。比如说新型伊顿塔式高频UPS，UPS输入功率因数为0.99，也就是说其UPS输入功率因数最大为0.99；UPS的输出功率因数为0.8超前至0.7滞后，也就是说其输出功率因数范围完全满足新型计算机负载的功率因数的变化范围。

　　数据中心的自备电源一般是由后备柴油发电机提供，当市电因故停电时，后备柴油发电机能够迅速启动发电维持机房设备的正常运转。

　　数据中心备用柴油发电机组是由柴油发动机、交流同步发电机、控制屏（配电及控制系统）三部分组成。柴油发电机组按照交流同步发电机的励磁方式的不同可分为永磁发电机与励磁发电机两类，而励磁发电机又分为自励式和他励式。

　　自激式同步发电机即为自励式同步发电机，图3是在励磁发电机中具有代表性的自激式同步发电机，自激式同步发电机从发电机本身定子绕组或辅助绕组取得励磁电源，经自动电压调节器AVR后再控制励磁机定子磁场，由励磁机转子发出的受控电压经旋转整流二极管整流后送到发电机主机转子绕组励磁发电。

　　图4是具有代表性的PMG永磁式同步发电机，永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁励磁发电机作为副励磁机向自动电压调节器AVR提供电源，在AVR中与取自主发电机定子绕组的检测信号比较后输出可控直流给励磁机定子绕组，由励磁机转子发出的受控电压经旋转整流二极管整流后送到发电机主机转子绕组励磁发电，国际一流品牌康明斯PMG永磁式柴油发电机就是根据这个原理工作的。

　　三相交流同步发电机的定子上安装有三个发电绕组，分别称为A相绕组、B相绕组和C相绕组，三个绕组的空间位置间相差120°，发电机运行时，发电机定子三相绕组切割转子旋转磁场而产生感生电动势Ea、Eb和Ec，图5表示三相交流同步发电机的三相发电绕组的空间分布其相互之间相差120°、输出电势与励磁电流控制的的原理图，图6表示低压三相交流同步发电机的三相绕组为星形接法向负载供电时的电路原理图。

　　三相交流同步发电机带载运行时，其电压和电流的初相位相同时，此时相位差θ角度为0，功率因数cosθ=1，表示为纯电阻电路，如图7所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相角相同，相位差θ角度为0，B相和C相的情况与A相同理，此时发电机输出的电能全部做有用功，线路中没有无功损耗，是最理想的节能工作状况，不过对发电机供电来说功率因数过高会造成线路中无功裕量过低，会影响系统的稳定性。

　　在发电机的工作电流相位滞后电压相位一个θ角度时，这个功率因数角为负值，功率因数cosθ＜1，对于负载来说是具有吸收感性的无功功率，功率因数是滞后的，如图8所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位滞后于电压相位一个θ角度，B相和C相的情况与A相同理，在通常的电路中大部分负载都是呈现感性的负载，此时发电机输出的电能一部分做有用功，一部分做无用功，这是最常见的电路状况。

　　在发电机的工作电流相位超前电压相位一个θ角度时，这个功率因数角为正值，功率因数cosθ＜1，对于负载来说是有发出容性的无功功率，功率因数是超前的，如图9所示，三相电压Va、Vb、Vc之间相位角相差120°，三相电流Ia、Ib、Ic之间相位角相差120°，A相电压Va与A相电流Ia之间的初相位相差θ角度即电流相位超前于电压相位一个θ角度，B相和C相的情况与A相同理，此时发电机输出的电能做有用功，吸收无用功。

　　三相交流同步发电机的滞后运行即为常态运行，电路中的等值负载呈现感性，此时发电机向电路同时送出有功功率和无功功率，电路的功率因数是滞后的。发电机发出的无功功率对发电机有去磁作用，这时发电机必须增加励磁电流以抵消负载电流的去磁作用，实际是增加了无功电流输出。负荷功率因素越低，就越增加发电机无功电流的输出和增加励磁电流，从而增加了线路损耗和励磁功率。一般发电机的带载功率因数为0.8，提高负载的功率因数有利于节约电能和提高线路的带载能力。

　　三相交流同步发电机的超前运行即为进相运行，电路中的等值负载呈现容性，此时发电机向电路送出有功功率和吸收电路的无功功率，发电机只发有功，不发无功，电路的功率因数是超前的。三相交流同步发电机进相运行时较滞后运行状态励磁电流大幅度减少，发电机电势E亦相应降低其端部电压降低，发电机静态稳定性下降，发电机定子端部漏磁增大，温升加剧，发电机在超前运行时很容易引起震荡失步，所以机组一般不允许超前运行。功率因数为1的时候，是发电机滞后运行和超前运行的分界线，这时发电机不向电网送无功功率也不吸收电网无功功率。

　　机房市电是由高压进线通过电力变压器降压后向机房提供低压电力的，机房市电的短路容量比柴油发电机要大得。

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