電子信息機房UPS供電方式的選擇

原 媛，趙 楠

（1.上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海200092；2.天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192）

0 引 言

電子信息機房作為銀行和政企用戶數據中心、互聯網數據中心，直接關系國家和人民生活的各個方面，其安全可靠性是非常重要的。而目前電網的安全可靠性尚無法達到電子信息機房的要求，因此UPS系統在電子信息機房中得到了廣泛的應用。近年來，由于電子信息機房功率密度的不斷增加和對供電可靠性要求的不斷提高，使得UPS電源系統投資在電子信息機房投資中所占的比重也越來越大。因此，如何經濟合理地針對不同等級的電子信息機房選擇不同的UPS供電方式成為電源設計中的關鍵問題之一。

在大型電子信息機房的設計中，為避免由于UPS單機系統故障或檢修形成的單點故障影響通信設備的供電可靠性，要求UPS系統具有冗余能力。根據《電子信息系統機房設計規范》（GB50174－2008）“附錄 A各級電子信息系統機房技術要求”，A級機房應配置2 N 或M（N＋1）冗余（M＝2、3、4……）的不間斷電源系統，B級機房應配置“N＋X”冗余（X＝1～N）。因此，本文對滿足上述規范中A級、B級機房要求的常用UPS供電方式進行比較分析。

1 UPS系統供電方式

電子信息機房中常用的冗余UPS供電方式包括“N＋1”系統2 N系統、以及模塊化UPS系統。

1.1 “N＋1”系統供電

“N＋1”系統是采用“N＋1”臺UPS主機并聯后共同為后級負載供電的方式，各臺UPS均分負載，沒有主備機之分，系統額定輸出功率為N臺UPS主機輸出功率之和。當一臺UPS的逆變器出現故障時，立即自動脫機，負載由余下的UPS均分，不存在切換問題，見圖1。

“N＋1”系統可避免單臺UPS主機供電形成的單點故障，但在UPS主機并聯運行時，系統容易出現環流，為保證系統的穩定運行，N一般小于3。

1.2 2N雙總線系統供電

2 N雙總線系統是將UPS主機組成2套UPS系統，其中每套UPS系統由N臺UPS主機并聯；2套UPS系統分別向2個獨立輸出系統供電，UPS輸出總線總是保持同步，見圖2。

2 N雙總線系統能夠避免UPS系統輸出的單點故障，即從UPS輸出端到通信設備之間均為雙路由，不存在單點故障。常用的2 N雙總線系統有單機雙總線（N＝1）和雙機雙總線（N＝2）兩種方式。對于雙機雙總線系統，每套系統中的2臺UPS主機均分該系統的負載。如圖2所示，對于2 N雙總線系統，后級雙電源設備可從兩套UPS系統分別引接2路獨立的電源；單電源設備則通過靜態轉換開關STS接到兩套UPS系統，并優選其中一套UPS系統為供電主回路，另一套為供電備用回路。

1.3 模塊化UPS系統供電

圖3 模塊化UPS系統供電方式拓撲圖

模塊式UPS是一種新興技術，近年來開始應用于一些電子信息機房中。它由UPS機架和機架內可熱插拔的多個UPS模塊構成，各UPS模塊采用并聯的方式運行。最初的UPS模塊為功率模塊，僅包括整流、濾波、充電、逆變器等部分，機架內所有UPS模塊共用一個靜態旁路。機柜內包括一個監控模塊，作為用戶開關UPS主機和進行網絡化監控的平臺。隨著模塊化UPS技術的發展，出現了一種完全模塊化UPS，即每個單體模塊內都裝有整個UPS電源與控制電路，包括整流器、逆變器、靜態旁路開關及附屬的控制電路、CPU主控板，每個UPS模塊均有獨立的管理顯示屏，控制系統可以實現對每個模塊的管理。模塊化UPS電源具有“N＋X”的架構特性，可通過配置模塊的數量來實現系統的冗余性。模塊化UPS系統拓撲圖如圖3所示。

2 UPS系統供電方式比較

2.1 系統效率比較

UPS系統冗余度的提高可以增加系統的可靠性，但同時也使系統效率有所降低。

對于“N＋1”系統來說，為保證1臺UPS故障時，剩余N臺UPS也能正常供電，當“N＋1”臺UPS正常工作時，每臺主機平均負荷不能超過最大總負荷的N／（N＋1）（當 N＝1時，為50%；當 N＝2時，為66.7%；當N＝3時，為75%）。UPS主機負載率的降低會導致整個UPS系統效率降低。這不僅造成了設備浪費，還會因為電源設備發熱量的增加而導致空調負荷的增加，使機房的PUE值（即通信設備耗電與機房總用電的比值）降低，不利于節能。2 N雙總線系統是將后級負荷分配到2套UPS系統上，因此2套UPS系統正常工作時，每套UPS系統平均負荷約為滿負荷的50%，同樣存在系統效率偏低的問題。

模塊化UPS系統采用了模塊備用的方式，備用模塊的功率相對于UPS系統的總功率來說比例較小，另外模塊的數量也可以根據后級負荷的大小確定，這樣就提高了單個UPS模塊的負載率，從而使系統效率得到提高，達到了節能的效果。

2.2 設備投資比較

表1以400kVA UPS系統為例，對不同供電方式下UPS設備投資作了比較。表中的投資比為設備總價與1臺200kVA塔式UPS主機的價格比。

表1 不同供電方式下UPS設備投資比較

由表1可知，“2＋1”UPS系統的投資最低；“1＋1”UPS系統與單機雙總線UPS系統的投資相同，但由于單機雙總線UPS系統具有兩套獨立的UPS輸入輸出配電系統、后級的單電源設備需要增加STS，因此整個供電系統的投資大于“1＋1”UPS系統；模塊化UPS系統投資較大，雙機雙總線系統投資最大。

2.3 容錯性能比較

UPS系統的容錯性能是由該系統能夠承受單點故障的次數來體現的。仍以400kVA UPS系統為例，對容錯性能比較如表2所示。

表2 UPS系統容錯性能比較

由表2可知，雙機雙總線系統和模塊化UPS系統容錯性能最好；對于模塊化UPS來說，備份模塊比例越高，其容錯的能力也就越高。而在系統總容量相同的情況下，采用“2＋1”系統要比“1＋1”系統和單機雙總線系統有更高的容錯性能。在一些應用情況下，采用單機雙總線與“1＋1”并聯相比，容錯性能反而會下降，比如后級單電源設備需增加STS，這樣就在電路中多了一個單點故障；當機房雙電源設備和UPS系統不同的回路同時出現故障時會造成設備全部斷電。

2.4 可用性比較

可用性是指在規定的時間間隔內設備正常工作時間所占的百分比。其表達式如下：

式中，A為可用性，MTBF是設備的平均無故障時間，MTTR是設備的平均修復時間。由上式可以看出，提高UPS系統可用性的途徑有兩個：提高MTBF和減小MTTR。

隨著UPS設備技術的成熟，通過提高設備質量以增加MTBF值的辦法已收效甚微，因此減小MTTR是提高系統可用度的有效途徑。在減小MTTR這點上，模塊化UPS非常有優勢，它可以在線更換，因為模塊的規格統一，具體的實施很簡單，更換時間極短，幾分鐘內可以完成。相比之下，傳統機型是修機器、換板子，從判斷故障現象到更換完成、排除故障、設備正常運行，需依技術人員的水平而定，幾小時至幾天不等，使得系統可用性有所降低。

2.5 裝機占地面積及承重

表3為各種配置模式下裝機占地面積和樓板承重的分析。

由表3可知，傳統塔式UPS單機容量越大、主機臺數越多，其占地面積越大；單機容量越大，樓板承重越大。而模塊化UPS在物理尺寸整機重量對比傳統機型有絕對優勢。

表3 UPS系統占地面積及承重

3 結 論

本文通過對電子信息機房UPS系統供電方式的比較分析，得出在不同類型的電子信息機房選擇UPS系統的建議如下：

（1）雙機雙總線系統適用于負荷較大、供電可靠性要求高、后級以雙電源設備為主的機房，該系統容錯性能好、可用度高，能夠為后級負荷提供穩定的電源，但雙機雙總線系統投資較大，系統效率較低。

（2）對于負荷較大、供電可靠性要求不是特別高的機房，采用單機雙總線系統或“N＋1”系統可減少投資。

（3）對于負荷不斷增長的機房，可以考慮采用模塊化UPS系統，根據遠期需求配置機柜、近期需求配置模塊，待需要擴容時只需增加模塊即可。這樣既可減少初期的投資，又使遠期的擴容具有靈活性。

（4）對于電力室面積緊張和樓板承重較低的機房，也建議優先考慮模塊化UPS系統。

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