IDC機(jī)房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)

摘要：衡量IDC機(jī)房的設(shè)計(jì)和配置水平高低的重要標(biāo)志之一是，不但要看它的UPS冗余供電系統(tǒng)是否具有高可靠性、高抗干擾性、高抗自然災(zāi)害的能力及易“可管理性”，還要看它能否為IDC設(shè)備獲得100％的高“可利用率”，創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運(yùn)行環(huán)境。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心；多媒體數(shù)據(jù)中心；不間斷電源冗余配置與設(shè)計(jì)

1選配具有優(yōu)異“容錯(cuò)”功能的UPS冗余

供電系統(tǒng)

眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)和多媒體數(shù)據(jù)中心(MDC)是高速互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)控中心。用戶對(duì)它們所承擔(dān)的對(duì)信息資源(數(shù)據(jù)、語音和圖象信息)的遠(yuǎn)程處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)送的“時(shí)效性”要求極高。那怕是僅幾秒鐘的“停機(jī)”均會(huì)給整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶的生產(chǎn)經(jīng)營帶來無法估量的損失。嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)斐缮鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)生活的嚴(yán)重癱瘓。因此，IDC必須向用戶提供365×24h連續(xù)不斷的高速、安全和可靠的信息資源增值服務(wù)。為達(dá)此目的，從設(shè)計(jì)原則上講，承擔(dān)著向IDC機(jī)房供電任務(wù)的整個(gè)電源系統(tǒng)都必須采用具有高度“容錯(cuò)”功能的冗余式的供電方案，以確保無論是在市電電網(wǎng)出故障時(shí)或是在某臺(tái)“雙變換、在線式UPS電源的逆變器發(fā)生故障時(shí)，還是在進(jìn)行日常維護(hù)/檢修操作時(shí)或因故致使保險(xiǎn)絲燒毀/斷路器開關(guān)“跳閘”時(shí)，互聯(lián)設(shè)備均應(yīng)由“在線式UPS”的逆變器電源來供電，而不應(yīng)進(jìn)入由普通的市電電源/應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)組經(jīng)UPS的交流旁路來供電的狀態(tài)。這是因?yàn)橹挥?ldquo;在線式UPS”的逆變器電源才有可能向用戶的負(fù)載提供同時(shí)具有穩(wěn)壓、無頻率“突變”，無干擾和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。對(duì)于包括后備式UPS，在線互動(dòng)式UPS在內(nèi)的“非在線式UPS”來說，它們主要對(duì)輸入電源的電壓進(jìn)行調(diào)整，對(duì)輸入電壓的頻率波動(dòng)，各種電源干擾和電壓失真度并無“實(shí)質(zhì)性”的改善。這就意味著，在整個(gè)供電系統(tǒng)中，不應(yīng)存在單點(diǎn)“瓶頸”故障隱患。為此，應(yīng)盡可能地配置具有高度“容錯(cuò)”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)。也就是說，在這種UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行中,即使遇到某些“部件”偶然發(fā)生“故障”時(shí),整個(gè)UPS供電系統(tǒng)必須仍能正常工作。

根據(jù)當(dāng)今UPS產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平,以選用具有“雙總線輸入”和“雙總線輸出”供電功能的UPS冗余供電系統(tǒng)為宜。它是由如下幾部分供電系統(tǒng)所構(gòu)成的。

11“雙總線輸入”冗余式的輸入電源供電系統(tǒng)

由市電和備用發(fā)電機(jī)組所組成的雙總線輸入供電系統(tǒng)，它的基本配置為：由市電輸入電源＋備用發(fā)

電機(jī)組＋“自動(dòng)切換控制柜＋輸入配電柜。自動(dòng)切換控制系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)視著各種輸入電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并確?？偸菍⑵渲凶羁煽康囊宦冯娫此偷経PS的輸入端。對(duì)于某些重要的IDC機(jī)房而言，其“應(yīng)急發(fā)電機(jī)”電源實(shí)際上是一套由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)＋發(fā)電機(jī)并機(jī)控制柜所組成的冗余式發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。為確保后接的“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)能絕對(duì)安全可靠地運(yùn)行，必須高度重視位于上述冗余輸入電源供電系統(tǒng)中的各種設(shè)備之間的“技術(shù)兼容性”和“切換參數(shù)”的正確設(shè)置。這是因?yàn)槿绻O(shè)備的選型和配置不合理或“切換參數(shù)”設(shè)置不當(dāng),就有可能造成后接的UPS供電系統(tǒng)“出故障”或出現(xiàn)對(duì)用戶負(fù)載的瞬間“供電中斷”的故障隱患?？膳e例說明此事。 1）由于某用戶的“1＋1”型UPS并機(jī)系統(tǒng)的輸入供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)欠妥，在長達(dá)數(shù)年的運(yùn)行中似乎一切“正常”。然而，當(dāng)用戶的輸入變壓器的高壓側(cè)因故出現(xiàn)“瞬間跳閘”故障時(shí)，引起UPS中的電池組也發(fā)生“爆炸起火”故障；

2）由于所選配的“1＋1”型并機(jī)系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷(價(jià)格低),某用戶的“1＋1”型UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)，在輸入電源供電中斷又突然恢復(fù)正常供電時(shí)，或在同一電網(wǎng)上有人在作市電供電與備用發(fā)電機(jī)供電“互投切換”操作時(shí),就會(huì)出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：

——出現(xiàn)了這套UPS供電系統(tǒng)長期處于對(duì)用戶負(fù)載提供“交流旁路電源”供電的故障狀態(tài)； ——其中的1臺(tái)UPS的逆變器進(jìn)入“自動(dòng)關(guān)機(jī)”狀態(tài),其持續(xù)時(shí)間為3～10s左右;

——整套“1＋1”UPS并機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)2～6s左右的“短暫停機(jī)”故障現(xiàn)象等。

在此說明的是，對(duì)于－48V通信電源而言，由于它們已采用雙路三相交流電源供電體制及備有大容量的－48V電池組的緣故。一般是將這種冗余式的通訊電源的輸入端直接連接到IDC的冗余式輸入電源的輸出端上，而無需將它們連接到“N＋1”型UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)上，從而達(dá)到節(jié)省投資的目的。

12高可靠性的“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)

要想讓互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心具有365×24h的“全天候”運(yùn)行特性，對(duì)于向它提供電源的UPS產(chǎn)品的可靠性的要求是非?？量痰摹＿@是因?yàn)閷?duì)于可靠性僅達(dá)99.999％的UPS產(chǎn)品來說，它在一年中可能造成的互聯(lián)網(wǎng)的停機(jī)時(shí)間長達(dá)316s，即使將UPS產(chǎn)品的可靠性提高到99.999999％，在一年中可能造成的停機(jī)時(shí)間仍有320ms之長。對(duì)于IDC機(jī)房而言，如果真的發(fā)生長達(dá)320ms的停機(jī)故障，它會(huì)帶來很大的損失。這是因?yàn)楫?dāng)前多數(shù)計(jì)算機(jī)所允許的瞬間供電中斷時(shí)間為10～18ms。否則，就會(huì)造成用戶的網(wǎng)控操作系統(tǒng)或運(yùn)行軟件遭到破壞。因此，要想讓IDC機(jī)房真正具備能提供365×24h的連續(xù)不間斷的運(yùn)行特性，絕不是當(dāng)今的UPS產(chǎn)業(yè)可提供的UPS單機(jī)所能達(dá)到的。迄今為止，我們只能制備出故障率越來越低的UPS產(chǎn)品。然而，還制造不出“故障率為零”的UPS產(chǎn)品。在當(dāng)今的技術(shù)條件下，采用“N＋1”型UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)是消除單點(diǎn)“瓶頸”故障的最佳供電方案。它是在確保各臺(tái)UPS單機(jī)的逆變器輸出電壓處于同幅度、同頻率和同相位的條件下(出現(xiàn)在各種UPS單機(jī)之間的“環(huán)流”等于零)，將“N＋1”臺(tái)具有相同輸出功率的UPS單機(jī)置于并聯(lián)輸出狀態(tài)來運(yùn)行的供電系統(tǒng)。

為使UPS并機(jī)供電系統(tǒng)具有必要的“容錯(cuò)”功能，要求用戶的最大負(fù)載量不應(yīng)超過N臺(tái)UPS單機(jī)的總輸出功率。當(dāng)UPS并機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，由“N＋1”臺(tái)UPS單機(jī)來平均分擔(dān)負(fù)載電流。當(dāng)某臺(tái)UPS出故障時(shí)，發(fā)生故障的那臺(tái)UPS通過執(zhí)行“選擇性跳閘”操作而自動(dòng)脫機(jī)，此時(shí),由剩下的N臺(tái)UPS繼續(xù)為用戶提供高質(zhì)量的逆變器電源。

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，隨著位于UPS冗余系統(tǒng)中的UPS單機(jī)數(shù)量的增加，它不但會(huì)造成整套UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性逐漸地下降，而且還會(huì)導(dǎo)致整套UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)的“輸出功率的余量”也逐漸地減小(這意味著：UPS并機(jī)系統(tǒng)的抗輸出過載能力也在逐漸地降低)。因此，從應(yīng)用技術(shù)的角度看，用戶應(yīng)盡量地選用最可靠的“1＋1”型或“2＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)。為說明此問題，請(qǐng)參見表1。

表1某型號(hào)UPS多機(jī)冗余直接并機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性并機(jī)方案1＋12＋13＋14＋15＋16＋1
系統(tǒng)輸出功率“余量”/％1005033252016
系統(tǒng)與單機(jī)的MTBF之比5.54.12.92.11.30.98
從表1可知，對(duì)“1＋1”型并機(jī)系統(tǒng)而言，其MTBF為單機(jī)的5.5倍。由此可見，采用冗余并機(jī)供電方案的確可使得整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性得到明顯的改善。然而，過份地增多單機(jī)的數(shù)量會(huì)造成并機(jī)系統(tǒng)可靠性的“巨大犧牲”，而且“6＋1”型并機(jī)系統(tǒng)的可靠性反而比單機(jī)的可靠性還低。

IDC機(jī)房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)（1）

圖2帶負(fù)載同步控制器LBS和STS的雙總線輸出UPS冗余