機房UPS供電系統(tǒng)升級改造及無縫切換研究

＊郭志玉

（汾西礦業(yè)集團信息中心 山西 032000）

引言

科技水平不斷提升，使得人們對高清數(shù)字網(wǎng)絡電視的使用需求增加。然而，原有供電中心機房的負荷大量增加，降低了運行使用的安全穩(wěn)定性。為此，相關研究者應結合機房UPS供電系統(tǒng)實際情況，對升級改造方案的合理性進行優(yōu)化，并完善實施切換的各項操作，以滿足所處行業(yè)的快速發(fā)展需求。

1.研究機房UPS供電系統(tǒng)升級改造及無縫切換的現(xiàn)實意義

城市化進程的不斷向前推進，三網(wǎng)融合需求逐漸增加。在此背景下，廣電網(wǎng)絡行業(yè)迎來了快速發(fā)展契機。然而，業(yè)務需求增加，使得中心機房設備呈現(xiàn)出膨脹狀態(tài)。具體體現(xiàn)在UPS供電系統(tǒng)運行負荷壓力增加，急需通過升級改造來滿足業(yè)務大發(fā)展所帶來的用電需求。為此，相關建設者從實際機房UPS供電系統(tǒng)升級改造工程入手，通過分析改造前機房系統(tǒng)的運行情況，以為后續(xù)升級改造操作與切換過程提供依據(jù)。經(jīng)分析，需將UPS選型、升級改造方案確定以及切換環(huán)節(jié)作為工作重點，以促進供電系統(tǒng)運行的安全效果與可靠性。這是推動涉及行業(yè)發(fā)展的重要課題，研究人員應將現(xiàn)有科學技術運用起來，以解決負荷緊張與業(yè)務發(fā)展問題所帶來的負面影響[1]。

2.改造機房UPS供電系統(tǒng)前的運行情況

現(xiàn)階段，數(shù)字電視前端、雙向數(shù)據(jù)綜合業(yè)務環(huán)網(wǎng)、高清點撥以及時移電視等平臺的開通，相關供電設施均搭建在中心機房。在UPS負荷日趨嚴重的情況下，系統(tǒng)改造提上了日程。以某地廣電網(wǎng)絡的中心機房開展的大改造為例，該廣電單位中心機房的UPS系統(tǒng)設置在五樓中心機房旁邊的小機房內。系統(tǒng)電池組由3臺三進單出在線式的30kV UPS主機與4組12V×29節(jié)電池組成。其中2臺30kV主機負責并機，配置電池為三組12V×29節(jié)電池，用于信號傳輸、數(shù)據(jù)互動電視以及模擬電視平臺，以下簡稱為負載1組。據(jù)統(tǒng)計，負荷率高達27kV。剩余1臺30kV主機負責單機工作，配置電池為一組12V×29節(jié)電池，專門用于數(shù)字電視集成平臺，以下簡稱為負載2組。為解決上述UPS負荷壓力不斷增加問題，采用統(tǒng)一遷入前端模擬與數(shù)據(jù)中心的方式進行改造[2]。具體升級改造操作與切換過程如下。

3.關于機房UPS供電系統(tǒng)的升級改造及無縫切換實踐

(1)明確UPS系統(tǒng)建設要點

首先，作為網(wǎng)絡運行的中心，中心機房，須將系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性作為關鍵。由于UPS電源系統(tǒng)可供選擇的方案具有多樣性特點，因此，需從適用性角度出發(fā)來確定機房電源系統(tǒng)建設方案。其次，嚴控UPS的位置與布局。具體建設過程，應著重為供電線路改造施工與維護處理提供便利條件。值得注意的是，控制好線路因傳輸過遠導致的電平跌落。對于主機機房的散熱、通風、防塵、地面承重以及電池組設備較大等問題，也要進行合理控制。最后，如遇原有系統(tǒng)無法改動情況，應優(yōu)先選擇新系統(tǒng)的設置，并做好原系統(tǒng)與新系統(tǒng)的融合處理。

(2)UPS選型

目前，UPS選型方法有四種：其一，單UPS供電方式。此方式的優(yōu)勢：應用范圍廣，成本低。缺陷：安全性低，系統(tǒng)單點存在問題，就會導致斷電性播出事故，或是數(shù)據(jù)信息丟失現(xiàn)象[3]。其故障影響巨大，需根據(jù)實際情況謹慎選擇。其二，雙UPS并機冗余供電方式。其安全性較高，能夠在UPS主機與電池發(fā)生故障的情況下保持正常運行，不會出現(xiàn)中斷。此外，系統(tǒng)雖然可按照在線狀態(tài)開展擴容和維護操作，但無法對配電回路故障進行處理。其三，雙UPS雙回路鏡像冗余供電方式。此方法，能夠處理配電回路故障，但會因單點故障而導致供電中斷故障發(fā)生。其四，雙UPS并機與雙回路鏡像冗余供電方式。此系統(tǒng)背景下，能夠有效解決UPS主機與電池等硬件設備運行故障。還可杜絕配電回路問題影響。雖然供電安全性與穩(wěn)定性很好，但是成本高昂，需結合環(huán)境條件進行選擇控制。

本單位在系統(tǒng)升級改造過程中，綜合供電保障級別、造價成本等因素，選擇遵循經(jīng)濟建設原則，在盡量不動線路的情況下，運用雙機并機冗余供電方法[4]。

(3)系統(tǒng)改造方案

第一步，確定主機分配方案，即按照系統(tǒng)運行的負荷情況與業(yè)務負荷增加需求情況開展規(guī)劃工作。具體來說，設計增設兩臺并機50kV主機，替換原系統(tǒng)兩臺并機30kV主機，主要負責負載1組的供電。替換下來的兩臺并機30kV主機，則用來替代原單機狀態(tài)運行的30kV主機，為負載2組供電[5]。

第二步，配置電池組方案。新增設50kVA并機，采購6組100AH電池，174節(jié)。當實際負載量為30kVA，后備時間在7h左右；當實際負載量為40kVA，后備時間在5h左右。而原有30kVA并機，則采用替換下來的4組100AH電池，116節(jié)。當實際負載量為30kVA，后備時間在5h左右。如實際負載量為24kVA，后備時間則在6h左右。如圖1所示，為升級改造后UPS主機機房內部的布局情況。

圖1 改造后的UPS主機機房布局示意圖

第三步，機房布局調整。根據(jù)原有配電機房配置的主機與電池柜占據(jù)大部門空間，無法容納多余設備。方案設計調整為，將4臺主機安置于五樓機房內，將配電機房設置在一樓，用于電池組設備的放置。

第四步，輸入與輸出配電柜設置。對UPS主機市電輸入與逆變輸出電源的配電柜進行保留，將新增電池組接入配電柜，并安置在一樓。

(4)電源系統(tǒng)切換過程

一方面，系統(tǒng)預處理。首先，將承重槽鋼設置在一樓機房設置，并放置靜電底板。將電池組配電柜設置在五樓橋架附近的合適部位。其次，對標記一樓與五樓間的過線橋架內部主機與電池連接線，并按照配電圖設計將連接線接入配電柜總開關。最后，新建槽鋼，應準備好6組12V×29節(jié)電池。同時，還要按照配電圖設計，將電池連接線分別與配線柜支護接線柱進行連接，并標記。另一方面，處理切換過程。由于機房供電不能中斷，因此，需嚴格按照UPS系統(tǒng)集成切換方案實施，并謹慎處理切換過程的各項操作[6]。

①將安裝完畢的6組電池組分出3組暫替五樓UPS機房內部的電池組，拆除原電池組后，完成一樓機房的安裝。首先，關閉五樓機房UPS主機電池開關，對電池組接線進行拆除處理。其次，一樓3組臨時電池組與主機連接，并合上主機電池開關。再次，將拆除的電池組移至一樓，經(jīng)重新組裝后，根據(jù)配電圖設計要求接入配線柜。最后，電池組到位后，對主機臨時電池接入線進行拆除，并按照配線圖完成接線。

②經(jīng)拆除、移位替換原有UPS主機。第一步，系統(tǒng)不斷電情況下，負載1組，由UPS2供電；負載2組，由UPS3供電。第二步，拆除的UPS1放置于原位置，并拆除UPS3。此后，負載1組，由UPS2供電；負載2組，由UPS3供電轉為UPS1單機旁路供電。第三步，將拆除的UPS1安裝新機，即UPS4。此后，負載1組，由UPS2、UPS4并機旁路供電；負載2組，由UPS1單機旁路供電。第四步，拆除UPS2，操作后，負載1組，由UPS2、UPS4單機旁路供電；負載2組，由UPS1單機旁路供電。第五步，將拆除的UPS2安裝在原UPS3位置。操作后，負載1組，由UPS4單機旁路供電；負載2組，由UPS1單機旁路供電轉換為：UPS1、UPS2并機逆變供電狀態(tài)。第六步，將UPS5安裝在UPS2安裝位置。操作后，負載1組，由UPS4、UPS5并機逆變供電；負載2組，由UPS1、UPS2并機逆變供電。

上述為系統(tǒng)切換的全部過程，均處在不斷電條件下進行。經(jīng)技術人員機房留守觀察，無異常現(xiàn)象，至此系統(tǒng)升級改造工作完成。

4.UPS供電系統(tǒng)運行效率的影響因素分析

進行切實的機房UPS供電系統(tǒng)升級改造和無縫切換固然重要，但是，技術人員也需充分把握UPS供電系統(tǒng)運行效率的影響因素，從而在未來的系統(tǒng)改造升級以及動態(tài)調整中更加有的放矢。以下是影響因素列舉：

(1)系統(tǒng)平均無故障時間

該要素可以作為UPS系統(tǒng)的狀態(tài)性指征，代表著其運行是否健康。其所指代的時間范圍是從設備通電啟用到UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障截止。在故障出現(xiàn)時，UPS所輸出的電壓縮小為0。當然，該要素所指的是相應時間范圍或過程的平均值。其中，UPS的MTBF數(shù)值與其系統(tǒng)供電效率呈正相關關系。但是MTBF數(shù)值的高低并不單一與UPS系統(tǒng)相應部件及元件失效率有關系，還受到UPS設計方案、制備工藝的影響。也就是說，即便系統(tǒng)元器件相同，不同的方案設計以及制備工藝下，所對應的UPS的失效率也大不相同。

(2)系統(tǒng)電源可利用率

該要素是UPS系統(tǒng)在運行狀態(tài)下的正常工作的時長與總工作時長之間的比例關系。其比例值與平均修復時間、平均無故障時間可形成公式關系，即，V0=MTBF/(MTBF+MTTR)。而分子位置的MTTR數(shù)值則主要受UPS機柜的具體設計，維修與維護水平等多方面因素影響，處于動態(tài)中。

(3)UPS可利用率

該要素反映的是機房信息網(wǎng)絡的總體利用效率。它受到平均無故障時間、平均癱瘓時間、平均修復時間的共同影響。其中，平均癱瘓時間指代的是機房的實際網(wǎng)絡斷網(wǎng)或癱瘓狀態(tài)持續(xù)時間，若網(wǎng)絡恢復快，則其相應的數(shù)值小，恢復慢，則相應數(shù)值大。

同時，如果電源的效率高，則能夠較大程度上減少設備的發(fā)熱量，以及降低功耗，從而提高UPS可利用率。在線式的UPS，最高的電源使用率能夠超過90%，這是其它普通UPS所無法比擬的。普通UPS的電源使用率一般要低于在線式的UPS約10%。由此，實際的供電設備選擇中，也會更傾向于在線式UPS。當然，實際的系統(tǒng)安裝需求不同，就會使選擇也受到影響，例如，有一些設備仍是選用工頻式UPS電源為最優(yōu)，因為要滿足感性負載要求。工頻UPS電源盡管在效率方面缺乏優(yōu)勢，卻足夠穩(wěn)定，且抗沖擊能力很好。

5.促進機房UPS供電系統(tǒng)高效運作的策略

在明確了機房UPS供電系統(tǒng)運作效率提升的阻礙因素后，技術人員可就這些因素進行相應問題的一一解除，從而提高供電系統(tǒng)運作的有效性。以下策略與機房UPS供電系統(tǒng)的升級改造及無縫切換實踐能夠形成協(xié)同，作為配合相應改造的可行性舉措。

(1)提高系統(tǒng)平均無故障時間

若UPS的正常運作時間相同，則通過平均無故障時間的提高，即能使UPS系統(tǒng)的供電有效性得到保證。當然，這要以合理處理相應的故障為前提。在UPS電源處，一些多發(fā)故障為以下幾點：

①在市電通電正常情況下，UPS仍發(fā)出斷電告警。該故障情況的發(fā)生，可能是多方面原因引起的，例如，UPS內部市電檢測電路故障、市電輸入電壓不正常（頻率異常，以及過高或過低）、市電輸入空開跳閘、UPS輸入開關損壞等等。這些可能性原因的界定，需要技術人員對應進行市電異常檢查、輸入線路檢查、輸入空開檢查等操作，從而明確解決方案，以合理開展檢修線路、更換配件等工作。

②盡管市電以及UPS的輸出都處于正常狀態(tài)，但市電斷電后，其負載也隨即斷電。該故障情況的發(fā)生，可能性原因依然很多，例如電池老化、電池壓力欠佳、電池不能充電、逆變器受損、逆變器未能啟動、負載未接到UPS輸出、市電低壓過久、UPS充電器損壞等等。以上原因導致的故障，均需技術人員制定合適的解決方案，例如，檢查和更換電池、檢查和嘗試啟動逆變器、將負載接到UPS的輸出、在UPS相應的輸入端安裝穩(wěn)壓器等。

③UPS啟動出現(xiàn)異常。該故障情況的發(fā)生與電池閑置時間過久、電壓不足、輸入電源線（交流、直流）連接不暢、UPS內部功率器件受損、UPS內部開機電路故障等均有關系。技術人員需結合實際的故障檢查，進行最優(yōu)方案選擇，例如進行電池充電、電壓保持、檢查輸入線連接情況、檢修UPS相應受損及故障的部件等。

以上故障的有針對性解決，均對平均無故障時間提高有益，能夠顯著改善UPS供電效果。

(2)提高系統(tǒng)可利用率

①選擇質量優(yōu)良的雙總線冗余輸入供電系統(tǒng)以及市電供電電源；設計跳閘功能可自由選擇的供電系統(tǒng)，避免出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象。

②選擇配電系統(tǒng)時，要配置具有抗浪涌、防雷擊特點的抑制器；縮短UPS停機后的維修時間，盡快恢復系統(tǒng)運行，降低MTTR值。

(3)加強電源可靠性

①選擇或維持良好的UPS使用環(huán)境，注意散熱、保持通風。由于電池應用所要求的溫度在0～40℃區(qū)間，所以不要讓它受太陽直射；盡量做到使工作環(huán)境濕度維持在50%，溫度維持在25℃。

②在可靠性最高的標準下，UPS電源的輸出負載應維持在60%左右。盡可能減少UPS帶載過輕的情況出現(xiàn)，以延長其壽命。

③定期適當放電，以保養(yǎng)電池。適度放電對激活電池有利。當市電長期不停時，可采取人為措施，每隔三個月固定進行一次斷市電操作，并用UPS電源帶負載放電一次；當UPS處于閑置狀態(tài)時，可每隔3～6個月充電一次；當UPS放電后，必須得到及時的充電，從而避免電池因過度自放電而受損；正常情況下，可使電池每隔3～6個月帶載充、放電一次，其放電后，標準機應連續(xù)充電10h及以上。

6.結語

綜上所述，廣播電視平臺的機房UPS供電系統(tǒng)運行，需在合理的空間與接線環(huán)境下發(fā)揮作用，以為人們高物質生活需求提供技術條件。