IDC機房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設計

摘要：衡量IDC機房的設計和配置水平高低的重要標志之一是，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、高抗自然災害的能力及易“可管理性”，還要看它能否為IDC設備獲得100％的高“可利用率”，創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。

關鍵詞：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計

1選配具有優(yōu)異“容錯”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。用戶對它們所承擔的對信息資源(數(shù)據(jù)、語音和圖象信息)的遠程處理、存儲和轉送的“時效性”要求極高。那怕是僅幾秒鐘的“停機”均會給整個互聯(lián)網(wǎng)的安全運行和用戶的生產(chǎn)經(jīng)營帶來無法估量的損失。嚴重時,甚至會造成社會和經(jīng)濟生活的嚴重癱瘓。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。為達此目的，從設計原則上講，承擔著向IDC機房供電任務的整個電源系統(tǒng)都必須采用具有高度“容錯”功能的冗余式的供電方案，以確保無論是在市電電網(wǎng)出故障時或是在某臺“雙變換、在線式UPS電源的逆變器發(fā)生故障時，還是在進行日常維護/檢修操作時或因故致使保險絲燒毀/斷路器開關“跳閘”時，互聯(lián)設備均應由“在線式UPS”的逆變器電源來供電，而不應進入由普通的市電電源/應急備用發(fā)電機組經(jīng)UPS的交流旁路來供電的狀態(tài)。這是因為只有“在線式UPS”的逆變器電源才有可能向用戶的負載提供同時具有穩(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。對于包括后備式UPS，在線互動式UPS在內(nèi)的“非在線式UPS”來說，它們主要對輸入電源的電壓進行調(diào)整，對輸入電壓的頻率波動，各種電源干擾和電壓失真度并無“實質(zhì)性”的改善。這就意味著，在整個供電系統(tǒng)中，不應存在單點“瓶頸”故障隱患。為此，應盡可能地配置具有高度“容錯”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)。也就是說，在這種UPS供電系統(tǒng)的運行中,即使遇到某些“部件”偶然發(fā)生“故障”時,整個UPS供電系統(tǒng)必須仍能正常工作。

根據(jù)當今UPS產(chǎn)業(yè)的技術發(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)

電機組＋“自動切換控制柜＋輸入配電柜。自動切換控制系統(tǒng)時刻監(jiān)視著各種輸入電源的實時運行狀態(tài)，并確?？偸菍⑵渲凶羁煽康囊宦冯娫此偷経PS的輸入端。對于某些重要的IDC機房而言，其“應急發(fā)電機”電源實際上是一套由多臺柴油發(fā)電機＋發(fā)電機并機控制柜所組成的冗余式發(fā)電機供電系統(tǒng)。為確保后接的“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)能絕對安全可靠地運行，必須高度重視位于上述冗余輸入電源供電系統(tǒng)中的各種設備之間的“技術兼容性”和“切換參數(shù)”的正確設置。這是因為如果設備的選型和配置不合理或“切換參數(shù)”設置不當,就有可能造成后接的UPS供電系統(tǒng)“出故障”或出現(xiàn)對用戶負載的瞬間“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并機系統(tǒng)的輸入供電系統(tǒng)的設計欠妥，在長達數(shù)年的運行中似乎一切“正常”。然而，當用戶的輸入變壓器的高壓側因故出現(xiàn)“瞬間跳閘”故障時，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”型并機系統(tǒng)存在設計缺陷(價格低),某用戶的“1＋1”型UPS冗余并機系統(tǒng)，在輸入電源供電中斷又突然恢復正常供電時，或在同一電網(wǎng)上有人在作市電供電與備用發(fā)電機供電“互投切換”操作時,就會出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：

——出現(xiàn)了這套UPS供電系統(tǒng)長期處于對用戶負載提供“交流旁路電源”供電的故障狀態(tài)； ——其中的1臺UPS的逆變器進入“自動關機”狀態(tài),其持續(xù)時間為3～10s左右;

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

在此說明的是，對于－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冗余并機供電系統(tǒng)上，從而達到節(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”運行特性，對于向它提供電源的UPS產(chǎn)品的可靠性的要求是非常苛刻的。這是因為對于可靠性僅達99.999％的UPS產(chǎn)品來說，它在一年中可能造成的互聯(lián)網(wǎng)的停機時間長達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時間仍有320ms之長。對于IDC機房而言，如果真的發(fā)生長達320ms的停機故障，它會帶來很大的損失。這是因為當前多數(shù)計算機所允許的瞬間供電中斷時間為10～18ms。否則，就會造成用戶的網(wǎng)控操作系統(tǒng)或運行軟件遭到破壞。因此，要想讓IDC機房真正具備能提供365×24h的連續(xù)不間斷的運行特性，絕不是當今的UPS產(chǎn)業(yè)可提供的UPS單機所能達到的。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。在當今的技術條件下，采用“N＋1”型UPS冗余并機供電系統(tǒng)是消除單點“瓶頸”故障的最佳供電方案。它是在確保各臺UPS單機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單機之間的“環(huán)流”等于零)，將“N＋1”臺具有相同輸出功率的UPS單機置于并聯(lián)輸出狀態(tài)來運行的供電系統(tǒng)。

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

大量的運行實踐表明，隨著位于UPS冗余系統(tǒng)中的UPS單機數(shù)量的增加，它不但會造成整套UPS冗余并機供電系統(tǒng)的可靠性逐漸地下降，而且還會導致整套UPS冗余并機系統(tǒng)的“輸出功率的余量”也逐漸地減小(這意味著：UPS并機系統(tǒng)的抗輸出過載能力也在逐漸地降低)。因此，從應用技術的角度看，用戶應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，請參見表1。

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

IDC機房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設計（1）

圖2帶負載同步控制器LBS和STS的雙總線輸出UPS冗余