數(shù)據(jù)中心UPS 系統(tǒng)外置維修旁路安全方案探討

雷超群， 王 兵

(伊頓電源(上海)有限公司，上海 200120)

0 引言

5 G 應(yīng)用、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、巨大算力……這些都在促使數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大、重要性越來越高。 作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵核心，UPS 時(shí)刻為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵負(fù)載提供不間斷供電，還兼具穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、濾波、抗電磁干擾、防電壓沖擊等多重功能。

UPS 的高穩(wěn)定性、高可靠性、高可維護(hù)性是數(shù)據(jù)中心對(duì)UPS 最基本的要求，直接影響數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)安全。 完善的UPS 供配電系統(tǒng)非常重要，不合理的系統(tǒng)架構(gòu)，不完善的設(shè)計(jì)或配置，都會(huì)給數(shù)據(jù)中心UPS 供配電系統(tǒng)帶來巨大的供電安全隱患。

作為UPS 電源系統(tǒng)最基本的組成部分，外置維修旁路裝置的科學(xué)配置與合理設(shè)計(jì)也是數(shù)據(jù)中心供電安全的重要環(huán)節(jié)。 本文將以UPS 外置維修旁路開關(guān)的多種應(yīng)用方案來探討數(shù)據(jù)中心UPS 系統(tǒng)的供電安全。

1 UPS 外置維修旁路設(shè)置的必要性

在數(shù)據(jù)中心等UPS 主流應(yīng)用場(chǎng)景中，為了保證系統(tǒng)的可用性及必要的電氣隔離，除了在UPS 主機(jī)外部配置輸入、輸出等開關(guān)，還應(yīng)配置外置維修旁路開關(guān)。 當(dāng)UPS 主機(jī)因?yàn)樽陨砉收系仍蛐枰S修、移機(jī)更換時(shí)，或者對(duì)于數(shù)據(jù)中心最通常的多臺(tái)UPS 并機(jī)應(yīng)用，僅僅依靠UPS 內(nèi)部自帶的手動(dòng)維修旁路開關(guān)不僅無法實(shí)現(xiàn)UPS 系統(tǒng)的安全維護(hù)、維修、換機(jī)等操作，還可能會(huì)帶來誤操作宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，例如北京某云數(shù)據(jù)中心就是因?yàn)闆]有配置外部維修旁路，在年度例行維護(hù)時(shí)，導(dǎo)致嚴(yán)重的宕機(jī)事故，所以采用外置維修旁路開關(guān)是必然的正確選擇。外置維修旁路開關(guān)在維護(hù)維修時(shí)可實(shí)現(xiàn)IT 負(fù)載與UPS 主機(jī)的完全電氣隔離，在移機(jī)更換時(shí)可不中斷負(fù)載的供電，維護(hù)或更換過程中可避免長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)載斷電或單N 運(yùn)行(注:對(duì)2 N 供電系統(tǒng))。 外置維修旁路開關(guān)是UPS 供配電系統(tǒng)最后的安全屏障，其配置的完善性和操作的準(zhǔn)確性直接關(guān)乎負(fù)載的供電安全。 不僅僅是數(shù)據(jù)中心，所有UPS 應(yīng)用場(chǎng)景均需要配置完善的UPS 外置維修旁路。

2 維修旁路安全切換的重要性

UPS 電源系統(tǒng)配置了外置維修旁路開關(guān)后，運(yùn)維人員仍然不可掉以輕心。 在UPS 正常的雙變換運(yùn)行過程中，如果外置維修旁路開關(guān)誤合閘，則電壓、頻率、相位等存在的差異將導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的供電事故，存在供電中斷或“炸機(jī)”等重大風(fēng)險(xiǎn)。 外置維修旁路開關(guān)必須配置，但誤操作又會(huì)釀成重大事故，科學(xué)合理地應(yīng)用UPS 外置維修旁路是確保UPS系統(tǒng)供電安全的重要措施。

后文將展示一種新的數(shù)據(jù)中心UPS 系統(tǒng)外置維修旁路安全方案，可以在便利維護(hù)的前提下最大限度規(guī)避誤操作可能帶來的安全供電風(fēng)險(xiǎn)。

3 數(shù)據(jù)中心UPS 外置維修旁路安全設(shè)計(jì)方案

3.1 維修旁路開關(guān)掛鎖方案

在UPS 應(yīng)用中，多數(shù)情況下UPS 外部配電柜中的維修旁路開關(guān)都會(huì)掛鎖，鎖具是為防止人為誤操作而設(shè)置。 當(dāng)UPS 需要維護(hù)、維修或更換等重大需求時(shí)，授權(quán)人員通過既定的操作步驟，將UPS 切換到靜態(tài)旁路后方可通過專用鑰匙將外置維修旁路開關(guān)合閘，以實(shí)現(xiàn)維護(hù)過程中的負(fù)載持續(xù)供電。 當(dāng)外置維修旁路開關(guān)合閘后，為了實(shí)現(xiàn)UPS 的電氣隔離維護(hù)維修，需要將UPS 停機(jī)并斷開前后端的輸入、輸出開關(guān)。 UPS 修復(fù)后首先需要將UPS 切換到靜態(tài)旁路，然后閉合輸出開關(guān)，最后斷開維修旁路開關(guān)。 操作過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)都可能導(dǎo)致重大的供電中斷事故。 例如在調(diào)試過程中的UPS逆變狀態(tài)下誤合了輸出開關(guān)，因逆變和市電的同時(shí)存在將可能出現(xiàn)“炸機(jī)”等極端情況；再如恢復(fù)過程中UPS 雖轉(zhuǎn)了靜態(tài)旁路但并未閉合輸出開關(guān)，此時(shí)斷開外置維修旁路開關(guān)則負(fù)載掉電。

外置維修旁路開關(guān)掛鎖方式易于實(shí)現(xiàn)且操作可控，但繁雜的操作過程對(duì)運(yùn)維人員自身的要求極高，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤均可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

3.2 外置維修旁路開關(guān)與UPS 電氣聯(lián)鎖方案

在機(jī)械掛鎖的基礎(chǔ)上，通過外置維修旁路開關(guān)和UPS 間簡(jiǎn)單的電氣聯(lián)鎖可提高防誤能力，原理示意圖如圖1 所示。

(1)外置維修旁路開關(guān)配置鎖具以實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖定；(2)將UPS 靜態(tài)旁路運(yùn)行信號(hào)通過繼電器干接點(diǎn)串入外置維修旁路開關(guān)合閘回路，只有當(dāng)UPS 切換為靜態(tài)旁路后外置維修旁路開關(guān)才能合閘；(3)將外置維修旁路開關(guān)的輔助觸點(diǎn)作為UPS 繼電器輸入，激活UPS“維護(hù)旁路管理使能”，即當(dāng)外置維修旁路開關(guān)合閘時(shí)UPS 將無條件轉(zhuǎn)為靜態(tài)旁路模式。

上述方案具備一定的防誤操作能力，且易于實(shí)現(xiàn)，但最大的問題是:外置維修旁路開關(guān)合閘后其輔助觸點(diǎn)閉合，將持續(xù)給UPS 提供強(qiáng)制鎖定旁路的信號(hào)；此時(shí)若需要轉(zhuǎn)逆變調(diào)試，則無法切換狀態(tài)，只能人為解除外置維修旁路開關(guān)的輔助觸點(diǎn)。 同時(shí)，上述方案也無法及時(shí)提供因開關(guān)誤操作可能導(dǎo)致負(fù)載供電中斷的預(yù)警提醒，如斷開外置維修旁路開關(guān)時(shí)，UPS 輸出開關(guān)并沒有提前合閘。

3.3 新型雙磁力電磁鎖盤互鎖方案

為進(jìn)一步提高UPS 維修旁路開關(guān)的操作安全性，筆者公司提出了新型雙磁力電磁鎖盤互鎖方案。 雙磁力電磁鎖盤是一套與UPS 聯(lián)動(dòng)的電磁鎖裝置，由相應(yīng)的磁力鎖、按鈕、指示燈、蜂鳴器等組成，指示燈和蜂鳴器的聲光提示配合按鍵、鑰匙等操作，可實(shí)現(xiàn)UPS 與外置維修旁路開關(guān)間的機(jī)械和電氣聯(lián)鎖。 圖2～4 分別列出了UPS 供配電系統(tǒng)原理示意圖、雙磁力電磁鎖盤原理示意圖以及電磁鎖盤外觀示意圖。

圖2 UPS 供配電系統(tǒng)原理示意圖

UPS 輸出開關(guān)(BK1)和外置維修旁路開關(guān)(BK2)均設(shè)置鎖具，且分別對(duì)應(yīng)鎖盤上的一套電磁鎖，每臺(tái)開關(guān)只有一把對(duì)應(yīng)鑰匙。 當(dāng)鑰匙在電磁鎖盤上時(shí)配套開關(guān)因無鑰匙而無法合閘。 當(dāng)鑰匙未解鎖時(shí)無法從鎖盤取下。

圖3 雙磁力電磁鎖盤原理示意圖

圖4 電磁鎖盤外觀示意圖

當(dāng)UPS 正常運(yùn)行在雙變換模式時(shí)，外置維修旁路開關(guān)(BK2)處于分閘狀態(tài)，其鑰匙鎖定在鎖盤上；輸出開關(guān)處于合閘狀態(tài)，其鑰匙在開關(guān)本體上。

當(dāng)UPS 轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路后UPS 通過繼電器輸出將“旁路運(yùn)行”信號(hào)傳遞給鎖盤，電磁鎖供電回路導(dǎo)通，“靜態(tài)旁路指示燈”亮，此時(shí)鎖盤被激活，鑰匙可解鎖，且鎖盤會(huì)提供一個(gè)干接點(diǎn)信號(hào)到UPS 輸入繼電器Building Alarm 1(簡(jiǎn)稱BA1)，該繼電器輸入對(duì)應(yīng)UPS“遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)旁路使能”，UPS 將被強(qiáng)制在旁路運(yùn)行狀態(tài)。 按動(dòng)“BK2 鑰匙解鎖按鈕”后可取下SE2鎖盤的外置維修旁路開關(guān)鑰匙，鑰匙拔出后因鎖芯狀態(tài)改變蜂鳴器回路導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫，“內(nèi)外旁路同時(shí)工作指示燈”亮，提示UPS 靜態(tài)旁路和外置維修旁路可以(或已經(jīng))同時(shí)運(yùn)行；將鑰匙插入維修旁路開關(guān)后方可合閘，在此期間蜂鳴器會(huì)持續(xù)發(fā)聲。分閘UPS 輸出開關(guān)并取下鑰匙后，插入鎖盤輸出開關(guān)對(duì)應(yīng)電磁鎖(SE1)，鎖芯狀態(tài)被改變，蜂鳴器因回路被斷開而停止發(fā)聲，接入到BA1 的UPS“遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)旁路使能”信號(hào)消除(UPS 已可以轉(zhuǎn)逆變)。 此時(shí)負(fù)載已由外置維修旁路供電，可對(duì)UPS 進(jìn)行維護(hù)操作。 如果UPS 轉(zhuǎn)為了逆變模式，“UPS 旁路運(yùn)行”狀態(tài)指示燈滅，能讓運(yùn)維人員及時(shí)獲悉UPS 已脫離旁路運(yùn)行狀態(tài)。

維護(hù)結(jié)束系統(tǒng)需要恢復(fù)時(shí)，如果“UPS 旁路運(yùn)行”狀態(tài)指示燈并未亮，需要先將UPS 切換到靜態(tài)旁路，UPS 旁路運(yùn)行信號(hào)通過繼電器干接點(diǎn)再次串入鎖盤供電回路，“UPS 旁路運(yùn)行”狀態(tài)指示燈亮，鎖盤再次被激活，連接到BA1 的UPS“遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)旁路使能”信號(hào)再次將UPS 鎖定在旁路模式。 按動(dòng)“BK1 鑰匙解鎖按鈕”后可取下UPS 輸出開關(guān)鑰匙，鎖芯狀態(tài)改變，蜂鳴器鳴叫，“內(nèi)外旁路同時(shí)工作指示燈”亮，將輸出開關(guān)鑰匙插入輸出開關(guān)本體并合閘。 分閘外置維修旁路開關(guān)，取下鑰匙，插入外置維修旁路開關(guān)對(duì)應(yīng)鎖盤(SE2)，鎖芯狀態(tài)再次改變，蜂鳴器消音，連接到BA1 的UPS“遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)旁路使能”信號(hào)解除。 將UPS 切換到雙變換運(yùn)行模式，UPS 旁路運(yùn)行信號(hào)消失，鎖盤被鎖定。

為了確保任何時(shí)候UPS 輸出開關(guān)和維修旁路開關(guān)同時(shí)合閘時(shí)不會(huì)導(dǎo)致極端情況發(fā)生，將UPS 輸出開關(guān)和維修旁路開關(guān)的輔助觸點(diǎn)串聯(lián)后接入U(xiǎn)PS輸入繼電器Building Alarm 2(簡(jiǎn)稱BA2)，該輸入繼電器對(duì)應(yīng)UPS“維護(hù)旁路管理使能”。 當(dāng)UPS 輸出開關(guān)和維修旁路開關(guān)同時(shí)合閘時(shí)，UPS 將無條件切換到旁路模式，以避免發(fā)生事故。

4 結(jié)束語

雙磁力電磁鎖盤互鎖方案可以確保逆變模式下UPS 輸出開關(guān)和維修旁路開關(guān)不能同時(shí)合閘；電磁鎖的設(shè)置使得操作受控；聲光提示可以讓運(yùn)維人員時(shí)刻知曉UPS 狀態(tài)以及所需操作；維護(hù)過程中UPS 可自由轉(zhuǎn)逆變狀態(tài)以滿足調(diào)試的需要。 新型雙磁力鎖盤互鎖方案從操作邏輯到機(jī)械鎖的冗余設(shè)計(jì)，運(yùn)維人員按照固定的操作流程執(zhí)行，可有效避免人為誤操作，提高UPS 系統(tǒng)可靠性和可用性，為數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)互鎖問題提供了新的解決方案。