■文/喬 黎

關(guān)于雙總線UPS供電系統(tǒng)的分析及應(yīng)用

■文/喬 黎

文章介紹了幾種UPS冗余連接方式的特點(diǎn)及存在的問題。并從配置方式、供電可靠性、系統(tǒng)可用性等方面分析了雙總線UPS 供電系統(tǒng)，說(shuō)明了采用雙總線UPS 供電系統(tǒng)的必要性。介紹了雙總線UPS 供電系統(tǒng)在新華社財(cái)訊機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：UPS；供電方式；冗余方式；雙總線；應(yīng)用

前言

UPS自問世以來(lái)，一直伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普及形成了廣泛的IT行業(yè)，UPS也緊隨其后成為IT業(yè)不可缺少的黃金搭檔，近年來(lái)，由于通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，信息技術(shù)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，容不得任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏，從而對(duì)供電要求很高，那怕是僅幾秒鐘的停機(jī)可能會(huì)給整個(gè)機(jī)房的安全運(yùn)行和用戶的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)無(wú)法估量的損失。數(shù)據(jù)中心UPS作為備用電源設(shè)備，對(duì)保障供電安全、可靠以及電能質(zhì)量發(fā)揮了積極的作用。然而，由于任何單機(jī)供電都存在著斷電的危險(xiǎn)，關(guān)鍵性負(fù)載要求供電設(shè)備的可靠性或可用性做到萬(wàn)無(wú)一失。因此，UPS電源系統(tǒng)采用具有高度容錯(cuò)功能的冗余式供電方案，已變成必要手段。在數(shù)據(jù)中心，為確保無(wú)論是在市電出故障時(shí)或在某臺(tái)UPS電源發(fā)生故障時(shí)，還是在UPS進(jìn)行日常維護(hù)、檢修操作時(shí)，甚至是在拆除、更換某臺(tái)UPS設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)中心設(shè)備均要有高質(zhì)量的供電，均應(yīng)由UPS電源不間斷供電。只有UPS電源可以向負(fù)載提供具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、低諧波、無(wú)干擾和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。為此，應(yīng)盡可能地為數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)及配置具有高度容錯(cuò)功能的UPS冗余供電系統(tǒng)，即使某些環(huán)節(jié)偶然發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)UPS供電系統(tǒng)仍能正常工作。

1幾種主要UPS配置方式及優(yōu)缺點(diǎn)分析

UPS主要有以下幾種冗余方式：串聯(lián)熱備份供電方式；冗余并聯(lián)供電方式；雙總線供電方式。

1.1 串聯(lián)熱備份供電方式

串聯(lián)熱備份方式是指對(duì)于在線式工作模式的兩臺(tái)UPS，備機(jī)的輸出作為主機(jī)的旁路備份輸入，在運(yùn)行中，一旦主機(jī)逆變器出現(xiàn)故障，能夠快速切換到旁路，由備機(jī)的逆變器輸出供電，保證負(fù)載不停電。串聯(lián)熱備份方案如圖1所示。

圖1 串聯(lián)熱備份供電方案

該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，且無(wú)并機(jī)中存在的均流問題，因此系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該方案的缺點(diǎn)是不中斷負(fù)載用電的擴(kuò)容能力較差；主、從機(jī)老化狀態(tài)不一致，正常工作狀態(tài)下，主機(jī)為負(fù)載供電，從機(jī)一直空載運(yùn)行，從而造成主機(jī)、從機(jī)元器件的老化程度差別很大，并且從機(jī)電池壽命減低；當(dāng)負(fù)載有短路故障時(shí)，從機(jī)逆變器容易損壞；串聯(lián)熱備份一般不超過兩臺(tái)UPS串聯(lián)使用，因此，應(yīng)用場(chǎng)合受到了限制。

1.2 冗余并聯(lián)供電方式

冗余并聯(lián)供電方式是指兩臺(tái)以上UPS的輸出進(jìn)行直接的并聯(lián)，共同均分負(fù)載電流，不存在主從關(guān)系；當(dāng)某臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，該機(jī)將自動(dòng)退出并聯(lián)系統(tǒng)，負(fù)載電流100%由剩余的UPS供電，輸出不間斷；在故障機(jī)維修完成后可以在線并入繼續(xù)對(duì)負(fù)載進(jìn)行冗余供電。如圖2所示。

圖2 冗余并聯(lián)供電方案

并聯(lián)供電方式擴(kuò)容相對(duì)方便；正常運(yùn)行時(shí)多臺(tái)UPS均分負(fù)載，系統(tǒng)壽命、可維護(hù)性及可靠性提高。

冗余并聯(lián)供電方式缺點(diǎn)：在用新老兩套UPS系統(tǒng)進(jìn)行不斷電割接時(shí)，若在操作過程中出現(xiàn)失誤，則供電中斷的可能性會(huì)非常大。系統(tǒng)存在單點(diǎn)瓶頸。由于其供電由同一套系統(tǒng)輸出，而且并機(jī)系統(tǒng)中UPS主機(jī)輸入一般來(lái)自于同一路電源，所以一旦系統(tǒng)中的輸入輸出部分如輸入開關(guān)、輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)、輸出并機(jī)開關(guān)、輸出配電柜等單點(diǎn)瓶頸出現(xiàn)故障，可導(dǎo)致供電中斷。

因此，需采用必要的技術(shù)措施來(lái)消除可能出現(xiàn)在UPS輸入輸出端的各種單點(diǎn)故障隱患，實(shí)用有效的辦法是配置UPS雙總線輸入輸出配電系統(tǒng)。

1.3 雙總線UPS供電方式

對(duì)于雙總線UPS供電系統(tǒng)，當(dāng)其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套系統(tǒng)將完全承擔(dān)起供電可靠性的保障。該供電方案由兩套獨(dú)立工作的UPS、負(fù)載母線同步跟蹤控制器（LBS）、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）、靜態(tài)切換開關(guān)系統(tǒng)（STS）、兩套獨(dú)立的輸入、輸出配電屏組成。如圖3所示。目前，雙總線的系統(tǒng)已在中、大型數(shù)據(jù)中心得到了規(guī)模的應(yīng)用。

圖3 雙總線供電方案

雙總線UPS供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、消除了系統(tǒng)存在的單點(diǎn)瓶頸。消除了可能出現(xiàn)在從市電輸入到UPS 供電系統(tǒng)的輸入端，再到最終的設(shè)備電源輸入端之間的配電線路中由于輸入開關(guān)、輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)、輸出并機(jī)開關(guān)、輸出配電屏等可能存在的單點(diǎn)瓶頸故障隱患。2、系統(tǒng)的擴(kuò)容升級(jí)及可維護(hù)性提高。雙總線供電方式具有很好的開放性及前瞻性，在任何時(shí)候均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進(jìn)行處理以解決維護(hù)或者擴(kuò)容的問題，為今后的設(shè)備故障維修、擴(kuò)容及更換改造等打好基礎(chǔ)。

2. UPS雙總線系統(tǒng)在新華社財(cái)訊機(jī)房的應(yīng)用

在中國(guó)國(guó)際新聞中心A座十一層建設(shè)了一個(gè)面積約為350㎡的財(cái)訊機(jī)房。該機(jī)房將服務(wù)于新華社在該樓內(nèi)辦公的新聞信息、金融信息和圖片信息等部門的存儲(chǔ)和通信業(yè)務(wù)。機(jī)房按照功能區(qū)劃分為：主機(jī)房區(qū)：服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)控制中心和程控交換機(jī)房；輔助機(jī)房區(qū)：監(jiān)控/調(diào)測(cè)機(jī)房、氣體滅火鋼瓶間；動(dòng)力保障區(qū)：UPS機(jī)房；支持區(qū)：走廊。

在UPS機(jī)房?jī)?nèi)配置了UPS雙總線供電系統(tǒng)。機(jī)房?jī)?nèi)最多可放置50個(gè)19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜。每個(gè)機(jī)柜均為兩路UPS供電，每機(jī)柜負(fù)載為3.5kw共175kw；每層配線間機(jī)房3kw，15層共45kw；網(wǎng)絡(luò)機(jī)房15kw。根據(jù)用電需求，為機(jī)房配置兩臺(tái)容量為250KVA的UPS，采用UPS雙總線輸出配送電系統(tǒng)，每路可提供225kw的輸出功率，為負(fù)載提供雙路電源，且每臺(tái)UPS配備滿載30分鐘后備電池。該系統(tǒng)已建成并投入使用，為財(cái)訊機(jī)房各個(gè)機(jī)柜及IDF間提供可靠的UPS電源。機(jī)房的供電等級(jí)達(dá)到GB50174-2008 A級(jí)要求。系統(tǒng)配電方案如圖4所示。

如圖4所示，每臺(tái)UPS配兩面輸入柜：一面市電輸入柜與一面UPS輸入柜，市電輸入柜中安裝630A ATS雙電源自動(dòng)切換開關(guān)，對(duì)兩路市電可以進(jìn)行帶載切換，實(shí)現(xiàn)雙路市電輸入；一面UPS輸入配電柜中裝兩路UPS主、旁路輸入開關(guān)與三路供機(jī)房?jī)?nèi)照明、空調(diào)、新風(fēng)等設(shè)備及備用電開關(guān)。每臺(tái)UPS配一面輸出配電柜：UPS輸出配電柜中裝有一路630AUPS輸出開關(guān)、三路160A開關(guān)和三路100A開關(guān)。分別為機(jī)房?jī)?nèi)各列頭柜以及為全樓15個(gè)綜合布線系統(tǒng)IDF間供電的配電柜供電。

機(jī)柜列架采用配電列頭柜方式供電，UPS輸出柜送至配電列頭柜，配電列頭柜雙面使用，每?jī)膳艡C(jī)柜共用一個(gè)配電列頭柜。機(jī)柜內(nèi)配置雙路的32安培的PDU。

可以看出，該系統(tǒng)將其中的一套單機(jī)系統(tǒng)作為雙總線系統(tǒng)的一根輸出母線，另外一套單機(jī)系統(tǒng)作為雙總線的另一根輸出母線。每臺(tái)UPS有獨(dú)立的輸入輸出配電柜。即使一套系統(tǒng)完全失效或者需要檢修，雙電源負(fù)載因?yàn)橛幸桓敵瞿妇€仍然有電，所以會(huì)繼續(xù)正常工作；而關(guān)鍵的單電源負(fù)載會(huì)通過STS零切換到另外一根輸出母線，也會(huì)正常工作。

圖4 新華社財(cái)訊機(jī)房UPS供電方案

該系統(tǒng)有兩路市電輸入，采用了雙總線輸入冗余式供電系統(tǒng)。每套系統(tǒng)有獨(dú)自的輸入配電柜及電力傳輸線路，并各自配置了自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS），對(duì)兩路冗余市電進(jìn)行切換，并且配有超壓、過載、短路保護(hù)的輸入開關(guān)，確保UPS系統(tǒng)輸入端消除單點(diǎn)瓶頸故障。采用雙總線冗余式輸出配電系統(tǒng)，每套系統(tǒng)有獨(dú)自的輸出配電柜及電力傳輸線路，對(duì)于雙電源負(fù)載，確保消除UPS逆變器輸出端到最終重要負(fù)載之間可能出現(xiàn)的單點(diǎn)瓶頸故障隱患。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過比較和分析，可以看出，UPS雙總線供電系統(tǒng)是具有高度容錯(cuò)功能的UPS冗余供電系統(tǒng)，可為數(shù)據(jù)中心設(shè)備提供高可靠性的UPS 電源，為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的安全高效提供充分的保障。目前，該系統(tǒng)已在大容量UPS 供電系統(tǒng)中全面采用。

[1]鐘景華，朱利偉，曹播，丁麒鋼．新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社， 2013．

[2]馬學(xué)利．“1+1”冗余并機(jī)UPS 系統(tǒng)與冗余式雙總線“1 +1”UPS 系統(tǒng)可靠性比較分析．現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2008．

[3]周志敏，紀(jì)愛華等．UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用實(shí)例．北京：中國(guó)電力出版社，2014．

（作者單位：新華社通信技術(shù)局）

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1671-0134（2016）12-055-02

10．19483/j．cnki．11-4653/n．2016．12．020