數據中心機房U P S供電系統可靠性研究與應用

武書軍，黃長江，李 瀚

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；2.上海電力學院，上海 200090）

0 引言

隨著加快堅強智能電網建設步伐，電力企業對信息通信系統的依賴度越來越高，對數據中心UPS系統可靠性提出了更高的要求。在信息系統運行中，如果出現超過20ms以上的瞬間供電中斷故障，就會導致服務器、小型機、網絡設備等用電設備出現重啟或宕機，從而導致網絡癱瘓、數據丟失、業務系統停止服務等重大信息安全事故。一旦出現這種局面，信息網絡系統恢復正常工作往往需要較長時間，短則幾十分鐘、長則幾個小時，使信息事故的影響面急劇擴大。提高數據中心UPS供電可靠性對信息系統安全運行至關重要。

1 數據中心機房設備分類及用電特點

數據中心機房設備包括網絡交換機、路由器、服務器、小型機、存儲設備等，按電源類型分為單電源設備和冗余電源設備。單電源設備指只有一個電源模塊，一旦供電出現問題或者電源本身出現問題，設備就會宕機。冗余電源設備有多個電源模塊 （一般為1+1冗余，稱雙電源設備），多個電源模塊平均承擔系統負荷，一個電源模塊出現問題停止供電時，剩余的電源模塊便承擔所有的電源負載，設備供電可靠性高。

2 常見UPS冗余供電模式

2.1 串聯單總線供電模式

兩套UPS系統分別作為UPS主機和UPS備機，UPS備機的輸出作為UPS主機的靜態旁路電源，這就是主備冗余供電，也叫雙機串聯冗余供電，如圖1所示。正常運行時由主機供電，備機處于空載備用狀態。主機故障時，負載切換到主機旁路，由備機承擔負載供電。

圖1 串聯單總線供電模式

這種方式可以在保留現有UPS的情況下，對無冗余的UPS系統進行擴充改造，以獲得一定程度的冗余。只要UPS主機具有獨立的靜態旁路輸入口，就可以很容易地實現UPS主、備機冗余供電。在這種UPS供電模式中，產品的選擇很靈活，可以混用不同制造商或不同型號的產品，在系統負載不能超過單機容量情況下，也可使用同性能而不同容量的UPS串聯，非常方便，改造成本很低，容易實現。同時，這種供電模式中的熱備份系統不需外加任何外部設備，故障點相對較少，可以方便地實現現場安裝調試以及日常維護。

此模式結構及控制簡單，但是由于在正常工作狀態下，所有的負載全部由主機供電，備機處于空載運行狀態，長時間運行，會導致主、備機的老化程度不一樣。當主機轉換到旁路時，備機必須能夠處理突然的負載變化，由于備機長期工作在零負載的狀態下，所以，這種突然負載變化要求UPS單機必須具有優良的帶階躍性負載能力。 此外，這種供電模式另外一個重要缺點是存在單點（主機靜態旁路）故障隱患。

2.2 并聯單總線供電模式

將兩臺或多臺UPS設備的輸出并聯，即將UPS的逆變器并聯運行，組成“N+1”冗余并聯系統［1］，如圖2所示。 正常運行狀態下，兩臺（或多臺）逆變器同時向負載均分供電；當其中一臺故障時，該UPS從供電系統中脫離，負載由剩余逆變器按新的比例分配，不間斷供電。

圖2 并聯單總線供電模式

并聯冗余模式有許多優點，一是提高了容錯性能。 當UPS正常運行時，N+1臺UPS平均承擔負載供電，當某臺UPS出現故障時，剩余N臺UPS具有足夠的帶載能力分擔原N+l臺的供電負載［2］。對于UPS系統而言，仍然為后端負載提供純凈、穩定的逆變電源。二是并聯冗余模式可以實現在線維護UPS，可以在UPS系統不間斷供電的情況下，對并機系統中的單臺UPS實現不帶電維護操作。三是大大提高了UPS系統可靠性。

在UPS并聯方式下，因為諸多原因，如電網的頻率擾動、負載擾動等，都會引起UPS狀態的變化。由于各臺UPS輸出量參數難以保持完全一致，導致各UPS在向負載供電同時，還會在UPS內部的逆變器間形成環流，當環流過大，將直接危及逆變器安全引發故障。此外，并聯冗余供電模式中UPS逆變器輸出端到負載之間仍然存在“單點瓶頸”故障隱患。

2.3 雙總線供電模式

為了克服單總線供電模式會造成單點故障的缺點，可采用雙總線供電，此種UPS供電模式如圖3所示，其最大的特點是同時提供兩路互不影響的供電總線，為負載提供完全獨立的電源［3］。雙總線供電模式的每一路可以是單臺UPS，也可以是N臺UPS（N≥2）。 雙電源負載可分別接兩路電源。對于單電源負載，靜態轉換開關（Static Transfer Switch，簡稱STS）成為必選。STS為電源二選一自動切換設備，正常工作狀態下，當主電源處于正常的電壓范圍時，負載一直連接在主電源上。 當主電源發生故障時，負載通過STS自動切換到備用電源。當主電源恢復正常后，負載又會自動切換到主電源。與傳統的自動轉換開關（Automatic Transfer Switch，簡稱 ATS）不同，靜態轉換開關提供快速負載轉換（一般為1/4周期），保證精密的電子設備不間斷工作。

圖3 雙總線供電模式

雙總線供電正常運行時，兩路總線分別向負載同時供電，雙電源負載的兩個電源模塊協同工作、同時供電，而單電源負載由STS供電。 當一路總線故障時，雙電源負載接在另一路總線的電源模塊承擔整個負載，而單電源負載則由STS自動判斷后實現不間斷供電。UPS雙總線供電模式消除由于設備、器件、線纜等因素而存在的單節點故障隱患，但是由于需要雙市電輸入和雙（多）套UPS系統并聯部署，大大增加了電源建設成本和占地空間，適用于為重要的數據中心提供電源［4］。

3 雙總線供電模式應用

雙總線供電模式在省級電網公司數據中心的供配電系統得到了廣泛應用。為了滿足供電高可靠性的要求，可對幾種供電模式進行組合，提高安全系數。 在資金投入或者場地空間方面有限的情況下，可以選擇雙總線供電模式［5］。例如，某省級電力公司數據中心機房擴容改造，機房面積增加300 m2，新增兩臺400 kVA UPS，電池后備時間2 h。由于UPS室空間有限，在保證UPS供電安全可靠的前提下，盡量精簡設備，選擇單機雙總線“交叉旁路模式”，一臺UPS的旁路電源取自另一臺UPS的主路市電輸入，如圖4所示。 UPS的旁路與主路電源來自不同市電，當一路市電或一臺UPS出現問題時，始終保持負載有兩路電源供應。這種供電模式靈活的調整了雙總線供電模式的市電輸入，供電可靠性提高的同時，減少設備投入及占地空間。

圖4 雙總線交叉旁路模式

4 結語

任何解決方案和規劃都是有條件的，有其特定的使用環境，也就是有其局限性。 雖然采用的是同一個名稱，但具體的設計細節千差萬別。 在設計機房UPS供電系統時，既要考慮供電系統的可靠性、靈活性，又要兼顧考慮資金投入或者場地空間因素，為信息通信系統提供可靠、可行的UPS供電系統解決方案。 為進一步保障UPS系統安全運行，故障能被及時發現，應為UPS供電系統配備故障監測報警裝置，通過監控系統實時監控UPS系統運行狀態，第一時間準確定位故障原因，及時進行應急處置。

［1］王其英.UPS冗余并聯與雙總線連接供電方案（一）［J］.電源技術應用，2009（2）：38-40.

［2］趙建統，梁樹坤.UPS電源的現狀、發展及選配［J］.電源世界，2008（10）：21-23.

［3］蓋潤生，魏子良.大型數據機房UPS電源系統的可用性研究［J］.電信工程技術與標準化，2007（6）：60-62.

［4］南惠蓉，樊保國.UPS電源的幾種接線方式在工程中的應用［J］.石油化工應用，2008（4）：87-89.

［5］梁貴毅，謝敏.核心機房高可靠性UPS電源系統設計與分析［J］.移動通信，2012（8）：69-72.