STS輸入配電系統(tǒng)解決方案

1　配置負載自動切換開關(guān)的必要性

　當今的市場經(jīng)濟和社會活動對信息網(wǎng)絡(互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、工業(yè)自動化控制網(wǎng)、政府的電子政務網(wǎng)站等)的依賴程度是如此之高，那怕是僅幾分鐘的“網(wǎng)絡癱瘓”就可能會給公司，企業(yè)及行政管理機構(gòu)的銷售，經(jīng)營管理、社會生活的正常運行、聲譽、及公眾形象帶來難以估量的損失。鑒于公眾對“信息網(wǎng)絡”的正常運營服務所期望的高度“時效性”，為此要求負責向它供電的UPS供電系統(tǒng)必須具有提供100%”高可利用率”的供電能力。目前，常采用的技術(shù)措施之一是：在各種重要的信息網(wǎng)絡機房中、配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng), 從而為確保各種網(wǎng)絡設(shè)備能安全、可靠地處理/傳輸/存儲數(shù)據(jù)和各種信息資料創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。多年來的運行實踐證明：“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

　增強UPS供電系統(tǒng)的“容錯”功能：在由“N+1”臺UPS所構(gòu)成的UPS冗余并機系統(tǒng)的運行中，如果其中某臺UPS因故”出故障”時、剩下的N臺UPS具有足夠的”帶載能力”向后接的網(wǎng)絡設(shè)備提供純潔的、穩(wěn)壓的UPS逆變器電源，從而確保各種網(wǎng)絡設(shè)備的安全運行。這意味著：對于這樣的帶“容錯”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)而言，即使在遇到某臺UPS因故出故障時，它仍能向它的負載提供具有100%“高可利用率”的高品質(zhì)電源。

　提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性：例如“1+1”并機系統(tǒng)的平均無故障工作時間(MTBF)是UPS單機6倍左右。如果再考慮到：當今的中、大型UPS的MTBF值已高達40-50萬小時的話，“1+1”UPS冗余供電系統(tǒng)的MTBF值可達250萬小時左右。同普通市電電源的99.9%的“可利用率”相比，它可將UPS供電系統(tǒng)的”可利用率”提高到99.99997%以上。由此可見：它對提高供電系統(tǒng)的可靠性的作用是多么的巨大。
　　
提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：它允許在UPS的逆變器電源供電的條件下、對位于UPS并機系統(tǒng)中的某臺UPS單機執(zhí)行”不帶電”的定期維護/故障檢修操作。

　盡管在配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)后、可極大地改善信息網(wǎng)絡的供電環(huán)境。然而，近年來對當今IDC機房的運行狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：僅靠“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)并不可能100%地確保在它的輸出端、再也不會出現(xiàn)”停電”事故。相關(guān)的統(tǒng)計資料證明：由于UPS的機型選配不當或輸入配電系統(tǒng)/輸出配電系統(tǒng)的設(shè)計不當而造成在UPS冗余并機系統(tǒng)中、出現(xiàn)從幾十毫秒到幾秒的“短暫停電”或超過幾分鐘的“長時間停電”的事故仍然r有發(fā)生(注：發(fā)生這種故障的相對比例很低)。眾所周知：在“信息網(wǎng)絡”的運行中，如果遇到出現(xiàn)超過20毫秒以上的“瞬間供電中斷”故障發(fā)生時，就可能會導致服務器、小型計算機、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡設(shè)備出現(xiàn)“開機自檢”誤動作(此時的服務器會在瞬間“自動關(guān)機”后，在極短的時間內(nèi)、自動執(zhí)行重新”開機啟動”操作。這樣一來，它必然會導致信息網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)和用戶的應用軟件破壞及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失)，從而致使“網(wǎng)絡癱瘓”事故發(fā)生。相關(guān)的統(tǒng)計資料證明：一旦出現(xiàn)這種局面，要使信息網(wǎng)絡恢復正常工作、往往需“耗時”短則幾十分鐘、長則到幾小時以上，從而致使“網(wǎng)絡癱瘓”事故的影響面被急劇地擴大。例如：某電信公司的電信網(wǎng)絡在運行中，因UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)約3秒的“短暫供電中斷”而導致其計費系統(tǒng)及電話號碼的自動查詢等關(guān)鍵系統(tǒng)停止工作，從而造成高達數(shù)百萬元的營運損失及用戶的大量投訴。為消除這種不幸事故的發(fā)生、所用的有效技術(shù)途徑之一是配置如圖1所示的UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)。

從UPS-A和UPS-B兩套UPS供電系統(tǒng)送出的兩路交流電源負責向各種網(wǎng)絡設(shè)備供電(注：在這里，UPS-A和B兩套系統(tǒng)既可以是UPS單機、也可以是“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)。在工作實踐中，在重要的IDC機房中，常用“1+1”/“2+1” 型UPS冗余并機系統(tǒng)來作為它的網(wǎng)絡設(shè)備的供電電源)。位于UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)的輸出端的網(wǎng)絡設(shè)備可分為三大類：

(a)非關(guān)鍵性的設(shè)備(例：打印機、復印機及供瀏覽網(wǎng)絡用的PC機等)；

由于對非關(guān)鍵的設(shè)備而言，當因電源問題而造成它們發(fā)生“停止工作”的故障時，一般說來、它僅會給用戶帶來工作不便/工作時間的浪費的煩惱，并不會造成重大的經(jīng)濟損失。因此，僅向它們提供單路供電電源。

(b)用“1+1”式冗余供電的、帶“雙電源輸入端”的關(guān)鍵的網(wǎng)絡設(shè)備(例：服務器、磁盤陣列機、網(wǎng)關(guān)等)；

對于帶“雙電源輸入”的網(wǎng)絡設(shè)備而言，從UPS-A和B的輸出配電柜所輸出的兩路UPS電源被分別送到這種設(shè)備的兩個輸入端上。在這樣的冗余式“雙路交流電源”供電設(shè)計的條件下，當遇到某套UPS供電系統(tǒng)因故出現(xiàn)“停電”事故時，它也能確保這些IT設(shè)備的正常運行。通過對當今的信息網(wǎng)絡機房的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：因各類用戶的網(wǎng)絡設(shè)備的配置水平/更新的速度的不同、所用的“雙電源輸入”供電的網(wǎng)絡設(shè)備在總網(wǎng)絡設(shè)備的配置中所占的比例大約在30% 到90%之間(注：對于某些重要的服務器而言，它們甚至用“2+1”冗余式的“叁電源輸入”供電設(shè)計方案)。

(c) 帶”單電源輸入端”的關(guān)鍵的網(wǎng)絡設(shè)備：

為確保向位于“信息網(wǎng)絡”中的關(guān)鍵“單電源輸入”供電的網(wǎng)絡設(shè)備提供365*24小時的高品質(zhì)UPS電源，就需要配置一種“負載自動切換開關(guān)”(LTM：Load Transfer Module)。分別來自兩套UPS并機系統(tǒng)A和B輸出端的兩路“逆變器電源”被送到“負載自動切換開關(guān)(LTM開關(guān))”的兩個輸入端上。在此，用戶可以通過調(diào)整它的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的辦法，將其中的一路UPS電源設(shè)置為“優(yōu)先供電電源”、將另一路UPS電源設(shè)置為“備用電源”。正常工作時，“單電源輸入”的負載同用戶所指定的承擔“優(yōu)先供電”任務的UPS電源相接通。當這路“優(yōu)先供電電源”因故“出故障”時，LTM開關(guān)將立即把用戶的負載切換到處于正常工作狀態(tài)下的“備用UPS逆變器電源”上。因此，利用這種”負載自動切換開關(guān)”就能消除可能出現(xiàn)在UPS并機系統(tǒng)的輸出端與用戶負載端之間的“單點瓶頸”故障隱患。這樣一來，就能向用戶的關(guān)鍵負載提供具有100%”高可利用率”供電特性的高品質(zhì)的電源供應, 從而為”信息網(wǎng)絡”能長期地、安全地和可靠地運行創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。

有鑒于此，配置“負載自動切換開關(guān)”后、它將有助于UPS的輸出線路能順利地完成的如下調(diào)控任務：

(1)提高UPS供電系統(tǒng)的可利用率：它能消除從UPS輸出配電柜到用戶負載端之間所可能出現(xiàn)的”單點瓶頸”故障隱患，達到能最大限度地降低網(wǎng)絡設(shè)備因”輸入停電”而出現(xiàn)”網(wǎng)絡癱瘓”故障的發(fā)生的幾率的目的。

(2)“擇優(yōu)供電”功能，提高UPS供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量：用戶可以通過對輸入到”負載自動切換開關(guān)”上的兩路交流源的電壓和頻率設(shè)置”不同級別”的工作窗口大小的辦法，將具有最高供電質(zhì)量的那路UPS電源送到用戶的負載上。

(3)提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：當某套UPS供電系統(tǒng)因故需要執(zhí)行”停電”維護或檢修時，可通過重新選擇“優(yōu)先供電電源”的辦法、將用戶的負載自動切換到原來的“備用電源”上，從而達到在繼續(xù)向負載提供高品質(zhì)的UPS逆變器電源的同時、將原來處于“優(yōu)先供電電源”工作狀態(tài)的那套UPS供電系統(tǒng)置于“停電”和“脫機”的工作狀態(tài)之下，以便為操作人員提供一個執(zhí)行安全維修/檢修操作的優(yōu)良工作環(huán)境。

(4)增強UPS供電系統(tǒng)的“故障隔離”功能：從上所述可知，造成”負載自動切換開關(guān)”執(zhí)行切換操作的前提條件是：從”優(yōu)先供電電源”送到LTM開關(guān)的輸入端上的電源、一定是因故曾經(jīng)出現(xiàn)過”停電”或”嚴重超限”事故。眾所周知：能導致產(chǎn)生這種事故的原因、此時它所應執(zhí)行的調(diào)控功能有：

當承擔“優(yōu)先供電電源”任務的那套UPS電源因故出現(xiàn)“停電”、“嚴重過壓/欠壓“故障”時，對于設(shè)計合理的“負載自動切換開關(guān)”來說，要求它必須自動執(zhí)行“先斷后通”的快速切換操作、以便在確保后接的網(wǎng)絡設(shè)備安全運行的同時、還能有效地防止上述故障從”優(yōu)先供電電源”系統(tǒng)擴散到另一套處于正常工作狀態(tài)下的“備用電源”供電系統(tǒng)上。

當因故在“負載自動切換開關(guān)”的后接負載端出現(xiàn)“短路”/“嚴重過載”故障時，它不僅具備有“禁止切換”的保護功能。而且，還具備能承受往巨大的短路電流“沖擊”的能力。這樣一來，就能將短路故障的影響范圍局限在最小范圍之內(nèi),將可能造成的損失降低到最小的程度上。

(5)用模塊化的標準設(shè)計、降低它的平均維修時間(MTTR)：鑒于“負載自動切換開關(guān)”是處于“上接”兩路冗余輸入電源、“下接”各種網(wǎng)絡設(shè)備的樞紐供電位置上及重要的信息網(wǎng)絡必須向用戶提供365*24小時的不間斷的互聯(lián)網(wǎng)增值服務的實際需求，不僅將它的各個關(guān)鍵部件(例：“可控硅”切換模塊、斷路器開關(guān)部件)設(shè)計成允許值班人員執(zhí)行“帶電、熱插拔”操作的模塊化結(jié)構(gòu)。而且，還用將“弱電”控制部件同“強電”切換部件進行徹底“電隔離”的機械設(shè)計方案，從而達到消除因“人為誤操作”而導致誘發(fā)其它的災難性的故障的發(fā)生的目的。

2　負載自動切換開關(guān)(LTM開關(guān))的型號

目前在市場上銷售的負載自動切換開關(guān)的品種，可大體分為三大類：

a)由可控硅所構(gòu)成的三相、大功率STS靜態(tài)開關(guān)(Static Transfer Switch)式的負載自動切換開關(guān)：其典型的標稱輸出電流有：60A、100A、160A、250A、400A、600A、800A、1000A和1200A的開關(guān)(注：少數(shù)廠家的STS產(chǎn)品是用在400V工作電壓時的標稱輸出功率KVA來進行標注的);

b)由兩組大功率的快速繼電器構(gòu)成的中功率、SS(SmartSwitch)智能式的負載自動切換開關(guān)(SS型開關(guān))：它包括三相25A和50A的開關(guān)及單相16A、25A和50A的開關(guān);

c)由一個中間繼電器所組成的小功率冗余開關(guān)(Redundant Switch)式的負載自動切換開關(guān)：其品種為：單相10A、16A(注：這是60Hz時的參數(shù)。如果在50Hz下運行時，其額定工作電流僅為：8A、13A)。

下面將以艾默生公司的STS型的靜態(tài)開關(guān)為例，對三相、大功率的負載自動切換開關(guān)的工作特性進行分析和討論。
　　
3　大功率STS型負載自動切換開關(guān)(LTM開關(guān))的工作原理

艾默生公司的STS-2型自動切換開關(guān)的控制框圖被示于圖2中。它是以“反向并聯(lián)可控硅”為核心部件所組成的大功率的”靜態(tài)開關(guān)”式的負載自動切換開關(guān)。有關(guān)它的各種工作特性將分析如下：