UPS 改造為基礎(chǔ)設(shè)施護(hù)航

■ 北京 劉嘉琦 李洋

編者按：隨著公司信息化發(fā)展的需要，業(yè)務(wù)的逐漸增多，支撐業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施也越來(lái)越多，因此支撐機(jī)房硬件設(shè)備的后備電源尤為關(guān)鍵。本文以實(shí)施UPS 改造工程為例，通過(guò)新建UPS 機(jī)房，增加UPS 設(shè)備，完成新老設(shè)備的業(yè)務(wù)不中斷割接，消除了電力重大風(fēng)險(xiǎn)，保障了業(yè)務(wù)連續(xù)性和持久運(yùn)行，最后給出在相關(guān)工作場(chǎng)景中的一些建議。

筆者單位共有內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)機(jī)房各一個(gè)，UPS 機(jī)房一個(gè)，其中安裝有兩臺(tái)Galaxy 5000 40KVAUPS 不間斷電源，每臺(tái)由32個(gè)150 mA 電池作為后備，兩路市電輸入，UPS 各自單機(jī)運(yùn)行，四路輸出，同時(shí)為兩個(gè)機(jī)房的AB 路分別提供電源保護(hù)，組成了2N 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在改造前已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過(guò)10 年。

由于UPS 設(shè)備使用年限較長(zhǎng)，設(shè)備內(nèi)主要功率器件性能下降，而且UPS 系統(tǒng)單臺(tái)負(fù)載率達(dá)到了80%，已經(jīng)超過(guò)雙路UPS 電源可承擔(dān)最大負(fù)載量，存在電源過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)UPS 系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高整個(gè)UPS 系統(tǒng)的安全性，并滿(mǎn)足未來(lái)機(jī)房負(fù)載增長(zhǎng)的容量需求。

圖1 改造前UPS 系統(tǒng)架構(gòu)圖

改造前架構(gòu)及存在問(wèn)題

改造前2 臺(tái)UPS 單獨(dú)運(yùn)行，同時(shí)為兩個(gè)機(jī)房提供雙路電源保護(hù)。這兩臺(tái)UPS 互為備份，正常情況下同時(shí)運(yùn)行均分負(fù)載，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，每臺(tái)UPS 應(yīng)該都能承擔(dān)全部機(jī)房負(fù)載，一旦有1 臺(tái)UPS斷電，全部負(fù)載會(huì)無(wú)縫切換到另外一臺(tái)UPS，以保證機(jī)房IT負(fù)載能連續(xù)運(yùn)行。但是改造前兩臺(tái) 40KVAUPS 負(fù)載率非常高，電源容量失去備份能力，如果有1 臺(tái)UPS 輸出斷電，全部負(fù)載將切換到另外一臺(tái)UPS，造成那臺(tái)UPS 系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載情況，使UPS 系統(tǒng)無(wú)法支持機(jī)房負(fù)載的供電保護(hù)。兩臺(tái)的負(fù)載量分別 為27.1 KVA/23.9 KW 和29.4 KVA/26.8 KW，總負(fù)載量為56.5 KVA/50.7 KW，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

改造前外網(wǎng)機(jī)房由于PDU 插座數(shù)量有限，已接近飽和，需要重新部署PDU 和配電柜，以保障設(shè)備有足夠的電源插座。

圖2 改造后架構(gòu)圖

方案設(shè)計(jì)及改造后架構(gòu)

1.負(fù)載計(jì)算

改造后的UPS 采用2（N+1）結(jié)構(gòu)，能最大限度的提供電保護(hù)。外網(wǎng)機(jī)房機(jī)柜數(shù)量24個(gè)，按照每個(gè)機(jī)柜負(fù)載量2 KW 計(jì)算，外網(wǎng)機(jī)房的預(yù)計(jì)負(fù)載容量約40 KVA，最大負(fù)荷電流約70 A。外網(wǎng)機(jī)房的現(xiàn)有負(fù)載約23 KW，按照負(fù)載容量增加一倍考慮，內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的預(yù)計(jì)負(fù)載容量約40 KVA，最大負(fù)荷電流約70 A。因此當(dāng)前總負(fù)載57 KVA 預(yù)計(jì)負(fù)載80 KVA，所以單臺(tái)UPS 容量80 KVA，可滿(mǎn)足機(jī)房負(fù)荷增長(zhǎng)需求。安裝2 臺(tái)模塊化96 KVA（80 KVA+16 KVA）UPS，組成2（N+1）UPS 電源系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 新建UPS 機(jī)房結(jié)構(gòu)圖

新UPS 系統(tǒng)中的一臺(tái)UPS 為兩個(gè)機(jī)房的A 路供電，另一臺(tái)UPS 為兩個(gè)機(jī)房的B路供電。外網(wǎng)機(jī)房重新部署PDU 插座，內(nèi)網(wǎng)機(jī)房延用原有PDU 并且使每臺(tái)80 KVA UPS 達(dá)到滿(mǎn)載（負(fù)載功率因數(shù)0.9，負(fù)載72 KW）情況下，電池后備時(shí)間1 h，改造前2臺(tái)UPS 的電池組利舊，并且在此基礎(chǔ)上，增加UPS 電池組。當(dāng)2 臺(tái)UPS 同時(shí)帶載運(yùn)行情況下，電池后備時(shí)間大于2 h。此次改造選用了PX160K 型號(hào)模塊化UPS，實(shí)際安裝96 KVA 模塊，其余模塊插槽空余方便日后擴(kuò)容需求，改造后的UPS 系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

考慮新UPS 系統(tǒng)的承重問(wèn)題，因此選擇在公司B2 層新建UPS 配電機(jī)房，安裝新的2 套UPS 和電池組。這樣，機(jī)房的建設(shè)、布線(xiàn)以及新UPS的調(diào)制在系統(tǒng)割接前均是獨(dú)立進(jìn)行的，對(duì)正在運(yùn)行的系統(tǒng)并無(wú)影響，因此保障了系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性。圖3 為機(jī)房的布局圖。

3.互投設(shè)計(jì)

公司兩路市電輸入，如遇到一路市電故障時(shí)，或者因?yàn)殡娏κ┕ば枰獑温肥须姽╇姇r(shí)，UPS 正常功能不能受影響。因此在UPS 輸入配電柜上做了互投設(shè)計(jì)，配置了ATS 開(kāi)關(guān)，這樣即使市電輸入只有一路的化也可將單路供電分別作為兩路UPS 的市電輸入，進(jìn)而不需要啟動(dòng)電池供電。這樣可以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的市電單路供電，保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)正常運(yùn)行不斷電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

新舊系統(tǒng)割接

1.風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

（1）電源割接的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

割接過(guò)程中要求業(yè)務(wù)系統(tǒng)要連續(xù)運(yùn)行。機(jī)房電源分配柜總開(kāi)關(guān)切換到新UPS 電源時(shí)，需要機(jī)房A 路、B 路電源交替停電進(jìn)行電纜割接，割接過(guò)程中機(jī)房單電源負(fù)載會(huì)出現(xiàn)斷電情況，雙電源負(fù)載會(huì)在切換期間只有一路電源供電。新96 KVA UPS 輸出至機(jī)房分配柜的4 根輸出電纜在電纜割接前敷設(shè)完成，UPS 輸出端先連接完成，做好加鎖掛牌和絕緣防護(hù)，以減少電纜割接的停電時(shí)間。

雙電源負(fù)載設(shè)備要提前檢查電源線(xiàn)連接，保證雙電源連接在兩路不同UPS 電源插座上。為避免機(jī)房的單電源負(fù)載設(shè)備在電纜割接時(shí)出現(xiàn)斷電情況，需檢查和調(diào)整單電源負(fù)載設(shè)備連接在保持供電的那一路電源插座上。在保證施工安全的前提下，縮短電纜割接的時(shí)間，并安排業(yè)務(wù)量不重要的時(shí)間段進(jìn)行機(jī)房分配柜電纜割接。做好數(shù)據(jù)備份和技術(shù)保障工作。

（2）UPS 過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

外網(wǎng)機(jī)房和內(nèi)網(wǎng)機(jī)房電源分配柜割接分步進(jìn)行。外網(wǎng)機(jī)房電源割接過(guò)程中，原2 臺(tái)40KVA UPS 電源正常供電，機(jī)房IT 設(shè)備只是更改電源線(xiàn)時(shí)會(huì)短時(shí)單路供電。外網(wǎng)機(jī)房電源配電改造后，外網(wǎng)機(jī)房的IT 負(fù)載將由2臺(tái)新增PX96 KVA UPS 來(lái)供電。由于外網(wǎng)機(jī)房的IT 負(fù)載已經(jīng)由PX96 K UPS 承擔(dān)，2 臺(tái)40 KVA 只承擔(dān)內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的負(fù)載約23 KVA，當(dāng)斷電一臺(tái)內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的電源分配柜進(jìn)行總進(jìn)線(xiàn)電源割接時(shí)，內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的全部負(fù)載切換到一臺(tái)40 KVA UPS 帶載時(shí)，不會(huì)造成40 KVA UPS 過(guò)載。

由于2 個(gè)機(jī)房電源割接分步進(jìn)行，不會(huì)出現(xiàn)40 KVA UPS 過(guò)載問(wèn)題，所以電源割接時(shí)不需要將機(jī)房IT 設(shè)備停機(jī)來(lái)降低負(fù)載量。

（3）兩個(gè)機(jī)房同時(shí)一路停電的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

圖4 市電輸入配電柜互投設(shè)計(jì)

現(xiàn)有2 臺(tái)40 KVA UPS 同時(shí)為外網(wǎng)機(jī)房和內(nèi)網(wǎng)機(jī)房負(fù)載提供電源保護(hù)，從UPS 內(nèi)部輸出開(kāi)關(guān)至機(jī)房電源分配柜總開(kāi)關(guān)之間，沒(méi)有輸出支路開(kāi)關(guān)。在機(jī)房電源分配柜電纜割接時(shí)，UPS 輸出停電會(huì)使兩個(gè)機(jī)房A 路電源同時(shí)斷電，無(wú)法做到兩個(gè)機(jī)房電源割接分開(kāi)進(jìn)行。

外網(wǎng)機(jī)房和內(nèi)網(wǎng)機(jī)房電源分配柜割接分開(kāi)進(jìn)行。通過(guò)在外網(wǎng)機(jī)房新增2 個(gè)PMM精密列頭柜，重新敷設(shè)到每個(gè)機(jī)柜的2 路電源和機(jī)柜電源插排，在不影響40 KVA UPS 運(yùn)行情況下，逐步將外網(wǎng)機(jī)房的IT 負(fù)載轉(zhuǎn)由2 臺(tái)新增PX96 KVA UPS 來(lái)供電。新增PX96 KVA UPS 配電柜有多個(gè)輸出分路開(kāi)關(guān)，至內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的輸出開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，便于內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的兩路電源分配柜分別進(jìn)行進(jìn)線(xiàn)電纜割接。由于2 臺(tái)40 KVA 只承擔(dān)內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的負(fù)載，所以40 KVA UPS 輸出斷電進(jìn)行電纜割接時(shí)，只會(huì)使內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的一臺(tái)電源分配柜斷電，此時(shí)外網(wǎng)機(jī)房負(fù)載由PX96 KVA UPS 供電，不會(huì)影響到外網(wǎng)機(jī)房負(fù)載。

（4）更換外網(wǎng)機(jī)房電源插座的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

更換機(jī)柜電源插座，需要電源插座逐個(gè)停電來(lái)完成，而且原機(jī)柜電源插座是電纜線(xiàn)直接接到配電柜支路開(kāi)關(guān)上，中間沒(méi)有插座或連接器。

新機(jī)柜電源插座，將由外網(wǎng)機(jī)房新增PMM 精密列頭柜來(lái)供電，還將重新安裝強(qiáng)電線(xiàn)槽和敷設(shè)支路電源電纜、工業(yè)連接器，安裝過(guò)程中不影響原機(jī)柜電源插座的供電。PMM 精密列頭柜和機(jī)柜插座安裝完成后，將每個(gè)機(jī)柜、每個(gè)IT 設(shè)備逐個(gè)將電源改到新的PMM 精密列頭柜供電。

（5）內(nèi)網(wǎng)機(jī)房割接中電池后備計(jì)算

電源割接需要按每路割接，并且確保所有雙路電源的設(shè)備不斷電，業(yè)務(wù)連續(xù)性不受影響，因此在斷掉其中一路電進(jìn)行割接時(shí)需要考慮后備電源是否能得以應(yīng)急。在進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)機(jī)房輸出分配柜進(jìn)線(xiàn)電源從40 KVA UPS 割接到新PX160 KVA 模塊化UPS實(shí)施步驟時(shí)，需要將一路UPS供電停電進(jìn)行配電柜電纜割接，屆時(shí)內(nèi)網(wǎng)機(jī)房全部負(fù)載由一臺(tái)40 KVA UPS 承擔(dān)。

Galaxy5000 UPS 容量40 KVA，UPS 最大輸出有功功率=40 KVA×0.8=32 KW 電池后備時(shí)間計(jì)算，按內(nèi)網(wǎng)機(jī)房的實(shí)際負(fù)載23 KW 計(jì)算，電池供電時(shí)UPS 逆變器效率η ＝0.95，UPS 額定直流電壓DC ＝12 V×32=384 V，每組電池只數(shù)=32 只12 V電池，每組電池2V 單體數(shù)CELLS ＝32×6 ＝192 個(gè)2 V 單體，選用電池型號(hào)為施耐德M2AL12-150，12 V-150 Ah 電池按照UPS 電池放電截止電壓335 V 計(jì)算，單體電池最低放電電壓為1.75 V。電池組需要提供的總功率＝32 KW×100% 負(fù)載/0.95 ＝24 210 W，UPS 配置1 組×32只電池，則每只12 V 電池需要提供的功率＝24 210 W/32只/1 組＝756.6 W/ 只，每電池2V 單體需要提供的功率＝24210 W/192cell/1 組＝126.1 W/cell。查閱電池參數(shù)得知，在單體終止電壓為1.75 V（10.5 V/ 每只電池），放電時(shí)間為1 h 情況下，單體放電功率為190 W/CELL(單體)>126.1 W/cell 的電池放電功率需求，所以每臺(tái)Galaxy5000 40 KVA UPS，在配置1 組32 只150 mAh 電池。在承擔(dān)23 KW 內(nèi)網(wǎng)機(jī)房全部負(fù)載情況下，UPS 后備電池時(shí)間將超過(guò)1 h，實(shí)際能達(dá)到1.5 h 以上。這段時(shí)間足可以完成割接工作，因此可以應(yīng)對(duì)割接中的電力風(fēng)險(xiǎn)。

2.割接過(guò)程

在UPS 機(jī)房建設(shè)完成后，外網(wǎng)機(jī)房安裝精密列頭柜和PDU 電源插座，調(diào)試完成后正式上電，2 路PMM 列頭柜供電，啟動(dòng)割接工作。

首先將機(jī)柜設(shè)備的AB 兩路電源依次通過(guò)插拔插座的方式切換到機(jī)柜的新PDU 上，這樣完成了外網(wǎng)機(jī)房的負(fù)載遷移，全部由舊UPS 遷移到了新UPS 上。

然后內(nèi)網(wǎng)機(jī)房A 路電源分配柜進(jìn)線(xiàn)電源切換到新UPS 上，新UPS 單路完全接管了內(nèi)網(wǎng)機(jī)房負(fù)載后將第一臺(tái)40 KVA UPS 停機(jī)拆電池，再將內(nèi)網(wǎng)機(jī)房B 路電源分配柜進(jìn)線(xiàn)電源切換，完成后第二臺(tái)40 KVA UPS 停機(jī)拆除。這樣全部負(fù)載均且換到了新UPS 上。

最后將兩臺(tái)舊UPS 拆下來(lái)的電池加入新UPS 的電池組中利舊，拆除外網(wǎng)機(jī)房舊配電柜和PDU，完成了割接工作。

改造過(guò)程中所有雙電設(shè)備均未斷電，所有IT 業(yè)務(wù)均未受到影響，改造后兩臺(tái)UPS的負(fù)載率分別在35%和39%，實(shí)現(xiàn)了2N+1 系統(tǒng)，可以支持未來(lái)3～5 年內(nèi)公司的IT業(yè)務(wù)發(fā)展，化解了UPS 負(fù)載過(guò)高給基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的重大風(fēng)險(xiǎn)。

思考與建議

隨著IT 技術(shù)越來(lái)越快的發(fā)展，對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備的增量也是越來(lái)越快的，負(fù)載的增加速度會(huì)越來(lái)越快。這樣在選擇UPS 時(shí)候應(yīng)該考慮動(dòng)態(tài)增量問(wèn)題，對(duì)于傳統(tǒng)定負(fù)載量的UPS 來(lái)說(shuō)，一次升級(jí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此在初期建設(shè)時(shí)選擇模塊化設(shè)備，按需預(yù)留，可以實(shí)現(xiàn)熱插拔，有負(fù)載增加即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)擴(kuò)容。單位此次UPS 改造中所采用的PX160 KVA UPS 總負(fù)載可以達(dá)到160 KVA，每個(gè)模塊16 KVA 用了6 個(gè)模塊共96 KVA 來(lái)實(shí)現(xiàn)2N+1 系統(tǒng)，剩下4 個(gè)空余模塊以備日后業(yè)務(wù)發(fā)展，隨時(shí)增加。

在硬件IT 設(shè)備選購(gòu)上盡量采用雙電設(shè)備，這樣即使遇到故障單路供電也不會(huì)影響業(yè)務(wù)。對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙電的設(shè)備要合理分配好A 路和B 路，不要只讓負(fù)載在單獨(dú)一路上，這樣兩臺(tái)UPS 所帶負(fù)載就會(huì)出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。

在整體基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)中建立報(bào)警和監(jiān)控機(jī)制是尤為重要的，部署相應(yīng)的環(huán)控系統(tǒng)，即時(shí)監(jiān)控溫度、濕度、漏水、電壓電流、每個(gè)PDU 的負(fù)載量等參數(shù)，遇到異常及時(shí)發(fā)出報(bào)警，通過(guò)微信短信的方式，及時(shí)排除隱患，防控重大風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)UPS 所可能出現(xiàn)的各種故障，需要建立相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制和聯(lián)動(dòng)措施，一旦UPS 有故障，按照相應(yīng)的處置聯(lián)動(dòng)措施進(jìn)行處置，快速?lài)?yán)格執(zhí)行，避免因電力問(wèn)題導(dǎo)致IT 業(yè)務(wù)中斷，此類(lèi)問(wèn)題很有可能帶來(lái)設(shè)備硬件損壞或者數(shù)據(jù)丟失等重大事故。做好UPS 系統(tǒng)的維護(hù)和更新，化解后備電力對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的重大風(fēng)險(xiǎn)。