李素文（廣東省輕紡建筑設(shè)計(jì)院）

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機(jī)房建設(shè)中高頻UPS 的必要性

李素文（廣東省輕紡建筑設(shè)計(jì)院）

本文主要介紹了現(xiàn)在機(jī)房建設(shè)中高頻UPS的必要性，首先介紹了現(xiàn)在機(jī)房建設(shè)與高頻UPS的發(fā)展趨勢(shì)，然后對(duì)UPS做了一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹，在分析了機(jī)房用電器的負(fù)載特性之后，根據(jù)分析結(jié)果，提出了機(jī)房負(fù)載供電方案?，F(xiàn)在機(jī)房設(shè)備較多，應(yīng)用UPS可以節(jié)約建設(shè)面積，提高機(jī)房空間利用率。同時(shí)本文也為我國(guó)的IDC機(jī)房設(shè)計(jì)和建設(shè)拓寬思路。

IDC機(jī)房；UPS；負(fù)載特性；雙電源負(fù)載；供電系統(tǒng)

1　引言

現(xiàn)代社會(huì)，IDC機(jī)房的建設(shè)現(xiàn)在的通信運(yùn)營(yíng)商充分發(fā)揮其自身的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)而拓展的具備非常良好的發(fā)展前景的新增值業(yè)務(wù)，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性的重要前提。眾所周知，UPS行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是高頻化、小型化、模塊化、智能化和環(huán)?；?。在業(yè)界關(guān)于高頻機(jī)和工頻機(jī)究竟哪個(gè)好、哪個(gè)更有生命力是有爭(zhēng)論和不同見解的，很多UPS用戶更是無所適從。所以說高頻機(jī)代替工頻機(jī)是UPS發(fā)展的必然方向。

現(xiàn)如今，小型機(jī)與大規(guī)模的服務(wù)器的聯(lián)合使用，使得機(jī)房對(duì)UPS供電系統(tǒng)的安全性有了更加大依賴性。所以，我們只有根據(jù)現(xiàn)在IDC機(jī)房信息平臺(tái)中各種設(shè)備的用電情況和在使用過程中可能會(huì)產(chǎn)生的問題來進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，從多種方案中選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。只有這樣才能在未來的供電系統(tǒng)的使用中，保證用電的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。

2　機(jī)房用電器的負(fù)載特性

對(duì)用電器負(fù)載特性的分析：從IDC機(jī)房信息平臺(tái)方面來說，大部分負(fù)載都是小型機(jī)和服務(wù)器。我們首先要對(duì)這些用電設(shè)施的用電特性進(jìn)行分析，明確用電情況，才能設(shè)計(jì)出安全的供電系統(tǒng)。

現(xiàn)在的大部分產(chǎn)品，主要用的是雙輸入的供電方式，只有以下部分采用的是三輸入的方式。這種設(shè)備，服務(wù)商通常會(huì)說有兩個(gè)電源是主備電源。但是事實(shí)上，在服務(wù)器的里面本可能有直流電源切換裝置的，這些直流或者交流電源的多路輸出是并聯(lián)的，假如一部電源出現(xiàn)故障后，其余的電源會(huì)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行供電，對(duì)于這種負(fù)載，我們稱為雙輸入負(fù)載。

除此之外，對(duì)于有些用作操作的計(jì)算機(jī)或者計(jì)算機(jī)服務(wù)器等是只有一個(gè)電源的，對(duì)于其它的一些信息處理設(shè)備，它們雖然有兩個(gè)甚至多個(gè)電源，但是每個(gè)電源只負(fù)責(zé)機(jī)器內(nèi)部某一部分的功能或模塊，只要其中的一個(gè)電源出現(xiàn)故障，則計(jì)算機(jī)就無法進(jìn)行工作，這種計(jì)算機(jī)稱之為單輸入負(fù)載。

3　機(jī)房負(fù)載供電方案

（1）假設(shè)我們使用的是單輸入計(jì)算機(jī)和雙輸入服務(wù)器聯(lián)合供電，對(duì)于供電設(shè)備的類型我們事先也不了解，無法進(jìn)行嚴(yán)格的分辨，這樣為保證對(duì)所有系統(tǒng)的供電可靠，我們可以選擇并聯(lián)冗余供電方案，如圖1所示。

此圖為1+1并聯(lián)系統(tǒng)，其中的兩臺(tái)UPS全都按照全負(fù)荷容量來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在工作的時(shí)候，在母排上并聯(lián)的輸出交流，它們同時(shí)工作平分負(fù)載，假設(shè)系統(tǒng)中UPS在出現(xiàn)一臺(tái)故障，故障UPS會(huì)自動(dòng)退出，然后關(guān)閉輸出，剩余的UPS會(huì)承擔(dān)起所有的負(fù)載，這樣對(duì)負(fù)載的供電不會(huì)造成影響。

其實(shí)還有一種設(shè)計(jì)方案，和第一種相比我們稱之為二加一系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中每臺(tái)UPS的容量是按照全部負(fù)荷的一半來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，二加一并聯(lián)后剩出來的50%設(shè)計(jì)功率用于冗余。對(duì)于這種方案，每一臺(tái)UPS因故障退出后，我們可以將次要系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉先將系統(tǒng)的負(fù)載降至一半以下，然后再次獲得UPS冗余供電特性。

圖1

對(duì)于上述兩種方案我們應(yīng)該要注意的問題是：在給雙輸入電源的服務(wù)器和小型機(jī)進(jìn)行供電的時(shí)候，應(yīng)該首先注意將配電引自2個(gè)分支回路，決不能將雙輸入電源服務(wù)器的兩個(gè)輸入同時(shí)插接在一個(gè)插線排或者說是一個(gè)空開分支回路中，要避免因?yàn)閱螚l供電分支線路出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)器電源出現(xiàn)癱瘓。對(duì)于某些功率較大的系統(tǒng)，如果可能，最好是將雙輸入電源服務(wù)器的兩個(gè)輸入分別引自兩個(gè)負(fù)載配電屏，這樣做可以方便對(duì)便負(fù)載三相平衡的調(diào)整工作和維護(hù)檢修工作，此外還應(yīng)盡可能縮短關(guān)機(jī)時(shí)間和減少上述工作時(shí)服務(wù)器關(guān)機(jī)的需要。

下面我們對(duì)并聯(lián)冗余系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的評(píng)價(jià)：

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于任何一種輸入電源特性的服務(wù)器，都能夠通過UPS系統(tǒng)的供電冗余，對(duì)于任何的單一UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障都不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器的供電出現(xiàn)中斷，而且單一UPS因故障退出時(shí)供電系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)瞬間斷開。

缺點(diǎn)：

①由于在并聯(lián)系統(tǒng)中的UPS之間會(huì)存在著環(huán)流和負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，因此對(duì)于任何品牌和技術(shù)，UPS是不可能會(huì)完全一致無差別的。另一方面，負(fù)載均衡度和環(huán)流受運(yùn)行程度老化和負(fù)載量變化等都會(huì)對(duì)并聯(lián)控制環(huán)路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，這是并聯(lián)系統(tǒng)存在的潛在隱患。

②在進(jìn)行擴(kuò)容時(shí)并機(jī)調(diào)試和維修時(shí)，負(fù)載供電會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)。比如進(jìn)行帶載調(diào)試時(shí)，假如調(diào)試不成功的話會(huì)導(dǎo)致負(fù)載供電出現(xiàn)故障。假如在并機(jī)調(diào)試時(shí)轉(zhuǎn)維修旁路的話，此時(shí)一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障就會(huì)直接影響負(fù)載的供電安全。

③系統(tǒng)中單一UPS出現(xiàn)故障在理論上來說應(yīng)該關(guān)閉輸出退出工作，但是仍有可能存在故障出現(xiàn)時(shí)切換失敗，導(dǎo)致故障擴(kuò)散，系統(tǒng)轉(zhuǎn)旁路的情況發(fā)生。這種情況下負(fù)載供電受電網(wǎng)供電質(zhì)量會(huì)受到嚴(yán)重影響。

（2）假如我們能夠?qū)ω?fù)載供電的特點(diǎn)了解清楚的話，也就是弄清楚統(tǒng)計(jì)，區(qū)分出雙輸入電源服務(wù)器和單輸入計(jì)算機(jī)設(shè)備，我們就可以采用雙母線供電方案，原理如圖2～3。

在這個(gè)方案中，兩套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)分別與雙電源服務(wù)器的兩個(gè)獨(dú)立的電源聯(lián)接，其中每個(gè)UPS系統(tǒng)都會(huì)有自己獨(dú)立的輸入和輸出配電，對(duì)于某些單輸入電源的計(jì)算機(jī)，對(duì)可靠性要求比較高而且對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行有著非常重要作用的，我們可以通過STS負(fù)載自動(dòng)切換裝置來聯(lián)接兩套UPS系統(tǒng)，然后先選擇一套為供電主回路，另一套UPS則為供電的備用回路。因?yàn)镾TS可以在2～4ms內(nèi)進(jìn)行切換，所以不會(huì)影響計(jì)算機(jī)正常工作。假如單電源輸入負(fù)載對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響不是很大和對(duì)可靠性要求不高，我們就可以使用下面的方案：即單電源輸入負(fù)載對(duì)供電進(jìn)行間斷切換時(shí)我們可以用ATS自動(dòng)切換柜或者是手動(dòng)切換柜，這樣可以減少配置成本。

圖2

圖3

對(duì)于雙母線方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

①由于雙母線系統(tǒng)中的兩個(gè)UPS系統(tǒng)是獨(dú)立輸出的，所以不會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榄h(huán)流而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)因單一UPS故障時(shí)切換不正常而導(dǎo)致故障出現(xiàn)擴(kuò)散。

②由于雙電源服務(wù)器的供電是由兩個(gè)獨(dú)立的UPS系統(tǒng)完成的，所以說無論是哪一種故障，服務(wù)器都有一個(gè)備用的獨(dú)立UPS供電回路保護(hù)。和那些并機(jī)系統(tǒng)容易受負(fù)載側(cè)浪涌影響的相比，由于供電回路的整體冗余，雙母線的可靠性比單純的UPS并聯(lián)冗余要高很多。

缺點(diǎn)：需要對(duì)負(fù)載設(shè)備供電特點(diǎn)要有一個(gè)非常清楚的分辨，所以負(fù)載的分配工作和并聯(lián)方案相比較會(huì)麻煩一些。

4　高頻UPS對(duì)現(xiàn)在機(jī)房建設(shè)的重要性

選用高頻機(jī)是構(gòu)建新一代節(jié)能數(shù)據(jù)機(jī)房的需要，高頻機(jī)型UPS采用的是IGBT前端整流、后端逆變，這種雙變換UPS特點(diǎn)很多，其中最顯著的特點(diǎn)是能最大限度地節(jié)能減排、綠色環(huán)保。某企業(yè)生產(chǎn)的300kVA工頻機(jī)，質(zhì)量為2.2t，而同功率的高頻機(jī)只有830kg。這臺(tái)工頻機(jī)采用12脈沖整流、11次諧波濾波器，輸人功率因數(shù)指標(biāo)達(dá)到0.9，而同等功率的高頻機(jī)，輸入功率因數(shù)能達(dá)到0.99，接近于1。從效率指標(biāo)看，工頻機(jī)滿載小于90%，而高頻機(jī)的效率即使半載也能達(dá)到95%以上，這些差別是顯而易見的。

目前國(guó)內(nèi)各廠商都在宣傳推廣綠色電源，但什么是真正的綠色電源，綠色電源應(yīng)該符合什么樣的標(biāo)準(zhǔn)？從技術(shù)上來看，是否綠色要看兩個(gè)指標(biāo)。

（1）諧波。諧波是UPS一個(gè)重要的指標(biāo)。UPS對(duì)電網(wǎng)本身就是個(gè)干擾源，是產(chǎn)生諧波的設(shè)備，對(duì)電力系統(tǒng)造成諧波污染，還會(huì)造成大量的附加損耗。但高頻機(jī)UPS諧波可以做到小于3%。完全消除了UPS對(duì)電網(wǎng)的反饋諧波污染，對(duì)供電電網(wǎng)來說，是真正的綠色負(fù)載。

（2）效率。高效率對(duì)于客戶可以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。一些企業(yè)購(gòu)買UPS產(chǎn)品，只顧及采購(gòu)成本，大多數(shù)的企業(yè)是不考慮安裝使用成本的。如何節(jié)約安裝成本及減少使用成本呢？這彎問舉可以通過提高供電系統(tǒng)的效率來解決。高效率的UPS可以減少輸入線纜的#面積：和前端變壓器的容量，這是減少客戶安裝成本的主要因素。效率為95%以上的高頻機(jī)和效率不到90%的傳統(tǒng)工頻機(jī)相差很大。不要看這百分之幾的微小差別，對(duì)于大功率UPS來說，高效率降低了能耗，降低了UPS運(yùn)行電費(fèi)。騰訊公司現(xiàn)在的機(jī)房每年電費(fèi)已經(jīng)超過其員工全年的工資，這是所有IDC機(jī)房共同存在的問如果UPS效率提高百分之幾，所節(jié)約的費(fèi)用是相當(dāng)可觀的。伊頓公司的一臺(tái)300kVA高頻機(jī)9395UPS，運(yùn)行10年節(jié)約的電費(fèi)大概是100萬元，如果再加上由高效而節(jié)省的空調(diào)制冷費(fèi)，這個(gè)數(shù)字會(huì)更為可觀，大概是150萬元。如果從采購(gòu)安裝和使用成本全局考慮的話，購(gòu)買高頻機(jī)不會(huì)給用戶增加成本，反而會(huì)節(jié)約使用成本，達(dá)到綠色節(jié)能的效果。

5　總結(jié)

綜上所述，如果在系統(tǒng)中雙電源負(fù)載居多的話，一般雙母線方案的可靠性和可維護(hù)性以及擴(kuò)容時(shí)的安全性都比并聯(lián)方案高很多。然后再根據(jù)設(shè)備總體的功率來選擇UPS的容量。IDC機(jī)房建設(shè)面積寸土寸金，用戶希望UPS體積小、占地面積少，給客戶節(jié)約更多的機(jī)房空間，也能減小空調(diào)的規(guī)模，降低機(jī)房建設(shè)的投資。人們常說要構(gòu)建新一代節(jié)能的數(shù)據(jù)機(jī)房，其中重要環(huán)節(jié)就是如何構(gòu)建一個(gè)安全、可靠、綠色、節(jié)能的供電系統(tǒng)，高頻UPS無疑是最佳選擇。

［1］劉洪峰.談IDC棚房UPS系統(tǒng)帕設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)通信電源、局站環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)宣講與新技術(shù)論壇會(huì)刊，2008（6）：56.

［2］王其英.高頻機(jī)型UPS技術(shù)及應(yīng)用.中國(guó)電力出版社，2010，10.

2016-3-12

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2095-2066（2016）09-0121-02