數(shù)據(jù)中心機(jī)房U P S供電系統(tǒng)可靠性研究與應(yīng)用

武書(shū)軍，黃長(zhǎng)江，李 瀚

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；2.上海電力學(xué)院，上海 200090）

0 引言

隨著加快堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)步伐，電力企業(yè)對(duì)信息通信系統(tǒng)的依賴(lài)度越來(lái)越高，對(duì)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求。在信息系統(tǒng)運(yùn)行中，如果出現(xiàn)超過(guò)20ms以上的瞬間供電中斷故障，就會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器、小型機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等用電設(shè)備出現(xiàn)重啟或宕機(jī)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓、數(shù)據(jù)丟失、業(yè)務(wù)系統(tǒng)停止服務(wù)等重大信息安全事故。一旦出現(xiàn)這種局面，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)恢復(fù)正常工作往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，短則幾十分鐘、長(zhǎng)則幾個(gè)小時(shí)，使信息事故的影響面急劇擴(kuò)大。提高數(shù)據(jù)中心UPS供電可靠性對(duì)信息系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備分類(lèi)及用電特點(diǎn)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、服務(wù)器、小型機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等，按電源類(lèi)型分為單電源設(shè)備和冗余電源設(shè)備。單電源設(shè)備指只有一個(gè)電源模塊，一旦供電出現(xiàn)問(wèn)題或者電源本身出現(xiàn)問(wèn)題，設(shè)備就會(huì)宕機(jī)。冗余電源設(shè)備有多個(gè)電源模塊 （一般為1+1冗余，稱(chēng)雙電源設(shè)備），多個(gè)電源模塊平均承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷，一個(gè)電源模塊出現(xiàn)問(wèn)題停止供電時(shí)，剩余的電源模塊便承擔(dān)所有的電源負(fù)載，設(shè)備供電可靠性高。

2 常見(jiàn)UPS冗余供電模式

2.1 串聯(lián)單總線供電模式

兩套UPS系統(tǒng)分別作為UPS主機(jī)和UPS備機(jī)，UPS備機(jī)的輸出作為UPS主機(jī)的靜態(tài)旁路電源，這就是主備冗余供電，也叫雙機(jī)串聯(lián)冗余供電，如圖1所示。正常運(yùn)行時(shí)由主機(jī)供電，備機(jī)處于空載備用狀態(tài)。主機(jī)故障時(shí)，負(fù)載切換到主機(jī)旁路，由備機(jī)承擔(dān)負(fù)載供電。

圖1 串聯(lián)單總線供電模式

這種方式可以在保留現(xiàn)有UPS的情況下，對(duì)無(wú)冗余的UPS系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充改造，以獲得一定程度的冗余。只要UPS主機(jī)具有獨(dú)立的靜態(tài)旁路輸入口，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)UPS主、備機(jī)冗余供電。在這種UPS供電模式中，產(chǎn)品的選擇很靈活，可以混用不同制造商或不同型號(hào)的產(chǎn)品，在系統(tǒng)負(fù)載不能超過(guò)單機(jī)容量情況下，也可使用同性能而不同容量的UPS串聯(lián)，非常方便，改造成本很低，容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這種供電模式中的熱備份系統(tǒng)不需外加任何外部設(shè)備，故障點(diǎn)相對(duì)較少，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試以及日常維護(hù)。

此模式結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，但是由于在正常工作狀態(tài)下，所有的負(fù)載全部由主機(jī)供電，備機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致主、備機(jī)的老化程度不一樣。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)換到旁路時(shí)，備機(jī)必須能夠處理突然的負(fù)載變化，由于備機(jī)長(zhǎng)期工作在零負(fù)載的狀態(tài)下，所以，這種突然負(fù)載變化要求UPS單機(jī)必須具有優(yōu)良的帶階躍性負(fù)載能力。 此外，這種供電模式另外一個(gè)重要缺點(diǎn)是存在單點(diǎn)（主機(jī)靜態(tài)旁路）故障隱患。

2.2 并聯(lián)單總線供電模式

將兩臺(tái)或多臺(tái)UPS設(shè)備的輸出并聯(lián)，即將UPS的逆變器并聯(lián)運(yùn)行，組成“N+1”冗余并聯(lián)系統(tǒng)［1］，如圖2所示。 正常運(yùn)行狀態(tài)下，兩臺(tái)（或多臺(tái)）逆變器同時(shí)向負(fù)載均分供電；當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí)，該UPS從供電系統(tǒng)中脫離，負(fù)載由剩余逆變器按新的比例分配，不間斷供電。

圖2 并聯(lián)單總線供電模式

并聯(lián)冗余模式有許多優(yōu)點(diǎn)，一是提高了容錯(cuò)性能。 當(dāng)UPS正常運(yùn)行時(shí)，N+1臺(tái)UPS平均承擔(dān)負(fù)載供電，當(dāng)某臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，剩余N臺(tái)UPS具有足夠的帶載能力分擔(dān)原N+l臺(tái)的供電負(fù)載［2］。對(duì)于UPS系統(tǒng)而言，仍然為后端負(fù)載提供純凈、穩(wěn)定的逆變電源。二是并聯(lián)冗余模式可以實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)UPS，可以在UPS系統(tǒng)不間斷供電的情況下，對(duì)并機(jī)系統(tǒng)中的單臺(tái)UPS實(shí)現(xiàn)不帶電維護(hù)操作。三是大大提高了UPS系統(tǒng)可靠性。

在UPS并聯(lián)方式下，因?yàn)橹T多原因，如電網(wǎng)的頻率擾動(dòng)、負(fù)載擾動(dòng)等，都會(huì)引起UPS狀態(tài)的變化。由于各臺(tái)UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致，導(dǎo)致各UPS在向負(fù)載供電同時(shí)，還會(huì)在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流，當(dāng)環(huán)流過(guò)大，將直接危及逆變器安全引發(fā)故障。此外，并聯(lián)冗余供電模式中UPS逆變器輸出端到負(fù)載之間仍然存在“單點(diǎn)瓶頸”故障隱患。

2.3 雙總線供電模式

為了克服單總線供電模式會(huì)造成單點(diǎn)故障的缺點(diǎn)，可采用雙總線供電，此種UPS供電模式如圖3所示，其最大的特點(diǎn)是同時(shí)提供兩路互不影響的供電總線，為負(fù)載提供完全獨(dú)立的電源［3］。雙總線供電模式的每一路可以是單臺(tái)UPS，也可以是N臺(tái)UPS（N≥2）。 雙電源負(fù)載可分別接兩路電源。對(duì)于單電源負(fù)載，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Static Transfer Switch，簡(jiǎn)稱(chēng)STS）成為必選。STS為電源二選一自動(dòng)切換設(shè)備，正常工作狀態(tài)下，當(dāng)主電源處于正常的電壓范圍時(shí)，負(fù)載一直連接在主電源上。 當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載通過(guò)STS自動(dòng)切換到備用電源。當(dāng)主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又會(huì)自動(dòng)切換到主電源。與傳統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（Automatic Transfer Switch，簡(jiǎn)稱(chēng) ATS）不同，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)提供快速負(fù)載轉(zhuǎn)換（一般為1/4周期），保證精密的電子設(shè)備不間斷工作。

圖3 雙總線供電模式

雙總線供電正常運(yùn)行時(shí)，兩路總線分別向負(fù)載同時(shí)供電，雙電源負(fù)載的兩個(gè)電源模塊協(xié)同工作、同時(shí)供電，而單電源負(fù)載由STS供電。 當(dāng)一路總線故障時(shí)，雙電源負(fù)載接在另一路總線的電源模塊承擔(dān)整個(gè)負(fù)載，而單電源負(fù)載則由STS自動(dòng)判斷后實(shí)現(xiàn)不間斷供電。UPS雙總線供電模式消除由于設(shè)備、器件、線纜等因素而存在的單節(jié)點(diǎn)故障隱患，但是由于需要雙市電輸入和雙（多）套UPS系統(tǒng)并聯(lián)部署，大大增加了電源建設(shè)成本和占地空間，適用于為重要的數(shù)據(jù)中心提供電源［4］。

3 雙總線供電模式應(yīng)用

雙總線供電模式在省級(jí)電網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足供電高可靠性的要求，可對(duì)幾種供電模式進(jìn)行組合，提高安全系數(shù)。 在資金投入或者場(chǎng)地空間方面有限的情況下，可以選擇雙總線供電模式［5］。例如，某省級(jí)電力公司數(shù)據(jù)中心機(jī)房擴(kuò)容改造，機(jī)房面積增加300 m2，新增兩臺(tái)400 kVA UPS，電池后備時(shí)間2 h。由于UPS室空間有限，在保證UPS供電安全可靠的前提下，盡量精簡(jiǎn)設(shè)備，選擇單機(jī)雙總線“交叉旁路模式”，一臺(tái)UPS的旁路電源取自另一臺(tái)UPS的主路市電輸入，如圖4所示。 UPS的旁路與主路電源來(lái)自不同市電，當(dāng)一路市電或一臺(tái)UPS出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，始終保持負(fù)載有兩路電源供應(yīng)。這種供電模式靈活的調(diào)整了雙總線供電模式的市電輸入，供電可靠性提高的同時(shí)，減少設(shè)備投入及占地空間。

圖4 雙總線交叉旁路模式

4 結(jié)語(yǔ)

任何解決方案和規(guī)劃都是有條件的，有其特定的使用環(huán)境，也就是有其局限性。 雖然采用的是同一個(gè)名稱(chēng)，但具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)千差萬(wàn)別。 在設(shè)計(jì)機(jī)房UPS供電系統(tǒng)時(shí)，既要考慮供電系統(tǒng)的可靠性、靈活性，又要兼顧考慮資金投入或者場(chǎng)地空間因素，為信息通信系統(tǒng)提供可靠、可行的UPS供電系統(tǒng)解決方案。 為進(jìn)一步保障UPS系統(tǒng)安全運(yùn)行，故障能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)為UPS供電系統(tǒng)配備故障監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間準(zhǔn)確定位故障原因，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處置。

［1］王其英.UPS冗余并聯(lián)與雙總線連接供電方案（一）［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2009（2）：38-40.

［2］趙建統(tǒng)，梁樹(shù)坤.UPS電源的現(xiàn)狀、發(fā)展及選配［J］.電源世界，2008（10）：21-23.

［3］蓋潤(rùn)生，魏子良.大型數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源系統(tǒng)的可用性研究［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2007（6）：60-62.

［4］南惠蓉，樊保國(guó).UPS電源的幾種接線方式在工程中的應(yīng)用［J］.石油化工應(yīng)用，2008（4）：87-89.

［5］梁貴毅，謝敏.核心機(jī)房高可靠性UPS電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析［J］.移動(dòng)通信，2012（8）：69-72.