UPS供電系統(tǒng)可靠性的探討

張光華

摘 要：探討了UPS供電系統(tǒng)的可靠性，介紹了常見(jiàn)的UPS冗余供電模式，并結(jié)合具體實(shí)例，詳細(xì)論述了雙總線供電模式的應(yīng)用，以期能為相關(guān)人員提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：UPS；供電系統(tǒng)；供電模式；逆變器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.078

所謂“UPS”，即不間斷電源，是將蓄電池與主機(jī)連接，通過(guò)主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。使用UPS供電系統(tǒng)對(duì)提高其供電可靠性，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。因此，我們需要采取有效的措施，解決UPS供電中存在的問(wèn)題?；诖?，就UPS供電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了探討。

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，可分為單電源設(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)為“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)的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，也叫作雙機(jī)串聯(lián)冗余供電，如圖1所示。系統(tǒng)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

串聯(lián)單總線供電這一模式可以在保留現(xiàn)有UPS的情況下，擴(kuò)充改造無(wú)冗余的UPS系統(tǒng)，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，就很容易實(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)容量的情況下，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，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和日常維護(hù)非常方便。

雖然這種模式結(jié)構(gòu)和控制簡(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。因此，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)期在零負(fù)載的狀態(tài)下工作，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，這種供電模式的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是存在單點(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2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)，如圖2所示。正常運(yùn)行狀態(tài)下，2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。

并聯(lián)冗余模式有許多優(yōu)點(diǎn)：①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。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。②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)施不帶電維護(hù)操作。③大大提高了UPS系統(tǒng)的可靠性。

在UPS并聯(lián)方式下，因?yàn)橹T多原因，例如電網(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，各UPS在向負(fù)載供電時(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)大時(shí)，將直接危及逆變器安全，引發(fā)故障。此外，在并聯(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，如圖3所示。雙總線供電模式最大的特點(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。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，在正常工作狀態(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)能快速轉(zhuǎn)換負(fù)載（一般為1/4周期），保證精密的電子設(shè)備不間斷工作。

雙總線正常供電時(shí)，兩路總線同時(shí)分別向負(fù)載供電，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雙總線供電模式可以消除由于設(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，因此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。

3 雙總線供電模式的應(yīng)用

雙總線供電模式在某數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。為了滿(mǎn)足供電可靠性的要求，可結(jié)合幾種供電模式，提高安全系數(shù)。在資金投入或者場(chǎng)地空間有限的情況下，可以選擇雙總線供電模式。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2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——1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2路電源供應(yīng)。這種供電模式靈活地調(diào)整了雙總線供電模式的市電輸入，在提高供電可靠性的同時(shí)，減少了設(shè)備投入和占地空間。

圖4 雙總線交叉旁路模式

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，UPS供電系統(tǒng)憑借著自身具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步促進(jìn)UPS供電系統(tǒng)的發(fā)展，我們需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)解決存在的問(wèn)題，從而提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性。

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〔編輯：王霞〕