UPS冗余系統分析與應用方案選擇

董健紳

(國家新聞出版廣電總局七二五臺,山西靈石 031308)

UPS冗余系統分析與應用方案選擇

董健紳

(國家新聞出版廣電總局七二五臺,山西靈石 031308)

不間斷電源是信息化機房軟硬件系統不間斷穩定運行的重要一環。本文從所在單位UPS使用情況出發,對機房常用的UPS冗余系統的優勢及其局限性進行了分析,對信息化機房UPS系統改造的可行性方案進行了探討。

UPS不間斷電源 并聯式冗余 串聯式冗余 模塊化冗余 雙機串聯互備雙總線

1 引言

近幾年,隨著廣播發射臺信息化建設的不斷推進,從節目傳輸到發射各關鍵環節都進行了自動化、信息化建設,先后增加了很多信息化設備和應用系統,以及提供穩定電源的UPS設備。性能良好的UPS提供非常準確的電壓穩定度、頻率穩定度,基本解決了市電中存在的電壓起伏、突降、浪涌、頻率變化、電磁干擾等問題。但是信息化是一個長期的系統工程,在建設初期,難以預估信息化的快速發展對穩定電源的需求情況,以及單機UPS的較多使用,容易導致容量不足、冗余不夠、單機數量多、品牌雜、放置分散等不足,給運維管理工作增加了難度,且單機UPS自身缺陷不利于信息化系統的不間斷穩定運行。因此本文分析常用UPS冗余結構的優劣勢,針對中小規模機房供電穩定性要求,探析對UPS單機供電系統進行改造的方案。

2 UPS單機系統分析

圖1 后備式UPS系統

圖2 交互式UPS系統

根據IEC62040-3標準規定,UPS內部系統主要有三種結構形式:后備式、交互式、雙變換在線式,其特點如下:①冷備用UPS系統:如圖1,逆變器與市電并聯作為市電的備份;整流器給蓄電池充電,不用來給逆變器供電。該類型UPS結構簡單、價格便宜、噪聲低,大部分時間內負載得到的是稍加穩壓處理過的“低質量”正弦波電源。負載與交流輸入干擾沒有真正隔離,市電干擾會影響計算機系統、電子設備等關鍵負載的穩定運行。負載供電從交流輸入和逆變器供電轉換時間較長,不能滿足靈敏負載的需要。②交互式UPS系統:如圖2,市電正常時,一路穩壓精度很差的市電電源供給負載;市電中斷時,逆變器/充電器模塊將從原來的充電工作方式轉入逆變工作方式,由蓄電池提供直流能量,經逆變、正弦波脈寬調制給負載提供穩定的正弦波交變電源。負載與交流輸入干擾沒有真正隔離,市電干擾會影響計算機系統、電子設備等關鍵負載的穩定運行,對于電壓尖峰或過壓的保護性能較差,輸出電壓頻率調節不高,系統工作在非線性負載時,效率較低。③雙變換在線式UPS系統:如圖3,無論交流輸入正常與否,負載始終由逆變器供電,克服了市電質量差對其性能的影響,且市電中斷時,負載不會發生電源瞬時中斷,但兩次電力變換,損耗較大,系統總效率較低。系統的內部模塊、配電在可維護性和故障容限方面也存在一定的局限性。

3 常見UPS冗余結構

3.1 串聯式UPS冗余

即UPS熱備份冗余系統。兩臺具有靜態旁路、容量相同的UPS,通過主從機串接成熱備份冗余系統。系統正常運行時,主機給負載供電,從機處于熱備份;當主機故障時,從機投入運行,主從機故障時,市電通過旁路給負載供電。缺點:主機靜態旁路開關故障時可能出現瓶頸故障,致系統癱瘓;主機故障不便于維修;備機電池長期處于浮充狀態影響壽命;不能實現互為熱備份。

3.2 并聯式UPS冗余

圖3 雙變換在線式UPS系統

圖4 “n＋x”型UPS冗余結構

并聯式冗余克服了串聯式存在的弱點,多臺(一般兩臺)UPS共用一組靜態旁路開關,通過并機柜、并機板等設備平衡負載電流,實現并聯冗余供電。該方式要求雙機并列,均壓均流,性能一致,逆變器輸出同頻同相。根據UPS的設計有并機板并聯、導航型并聯、并機柜并聯等方式實現并聯冗余,提升供電系統可靠性,但存在相位差較大、環流偏大等問題,并機柜、靜態開關是瓶頸故障點,且并機柜價格昂貴,實施成本較高。

圖5 雙機雙總線

圖6 雙機串聯互備雙總線

3.3 模塊化UPS冗余系統

模塊化UPS實質上是集成的N+1冗余并機系統與模塊化體系結構的融合[1]。將每個單臺UPS做為單個獨立的模塊,工作時可以自動均流;出現故障時,不停機即可“熱插拔”故障模塊;輸出功率在一定范圍內可以任意擴容。

如圖4將多臺UPS并聯組成“n＋x”系統,其可靠性更高,冗余度為n＋x,n為并聯系統中UPS單機總臺數,x為系統中允許出故障的UPS單機臺數。正常時這n＋x臺UPS并聯工作,其中任一部分故障時都不會影響整個系統的正常運行,也不會留下隱患[2]。這種設計有效地解決了增容和冗余的問題,提高UPS可靠性、靈活性、智能化、免維護等方面的性能,是目前并聯技術的發展趨勢。

4 UPS系統改造方案特點及選擇

《電子信息系統機房設計規范》(GB50174-2008)要求,特別重要的機房必須配置UPS系統,且有一定的冗余。這就要求UPS系統設計時,須配備至少2臺以上的UPS,充分考慮串、并聯冗余連接,串并連組合連接及模塊化冗余系統等各種結構的優劣勢,設計信息化機房UPS系統改造方案,滿足信息化軟硬件系統穩定運行和升級對供電系統可靠性、擴展性的要求。根據我臺信息化機房UPS使用現狀、硬件條件以及今后設備增加的電力需求,考慮如下幾個方案。

方案一:雙機雙總線供電,采用兩臺UPS構成雙機雙總線系統。兩臺UPS組成兩套獨立UPS供配電系統對雙電源設備獨立供電,對單電源設備采用小型STS開關實現單電源設備的雙電源冗余供電,如圖5所示。特點:該方案針對目前我臺信息化機房IT設備中雙電源設備居多的情況,通過兩套供配電系統獨立供電;通過負載的合理分配實現負載均分,避免UPS老化不均的問題。當一路供電系統故障時,如UPS本身故障、電池故障、輸出配電問題等,全部負載將由另一路供電系統負擔,負載不會存在斷電情況,有兩套獨立互相冗余的供電系統,因此不存在單點故障點。而且不要求雙機具有同步能力,可有效利用原有的UPS設備,降低改造成本。只有末端STS是唯一的單點故障點,但處于系統末端,不影響整個系統的可靠性。

方案二:雙機串聯互備雙總線供電,對方案一加以改造,由兩臺UPS提供兩路獨立供配電系統,對雙電源設備供電,同時其中一路給另一路UPS提供旁路備份,對少數關鍵性單電源負載通過小型STS得到雙路冗余電源,如圖6所示。特點:UPS系統維修時,通過第二路選擇開關將靜態旁通開關接到市電,可恢復為方案一雙機雙總線型。工作原理如圖所示。兩套獨立的UPS系統為雙電源負載提供兩路電源;當任何一臺UPS故障,另一臺轉由旁路充當備機進行供電,雙總線輸出正常。當總線發生故障時,由于另一套UPS輸出總線正常,對雙電源負載無影響;對關鍵類單電源,小型STS在總線電壓異常時進行靜態切換,一般單電源負載可接任意一路總線。在UPS系統維修時,可通過選擇開關將系統恢復為普通雙機雙總線供電,啟用手動維修旁路,用干凈電源為系統供電。該方案沒有單點故障點,可靠性優于方案一。

方案三:模塊化U P S冗余系統。模塊化U P S屬高頻機,采用IGBT高頻整流及逆變技術、主動功率因素校正技術,使整機效率達到96%左右,輸入功率因素接近1,輸入諧波小于3%,具有高效率、高功率密度、易于維護及擴容、支持熱插拔的優點,在可用性、可維護性、擴容性方面具有傳統1+1并機不可比擬的優點。雖然該系統前期投資較高,但其優勢有利于后期的運行維護費用大大降低。

綜合考慮以上三個方案的特點和信息化機房雙電源設備多,面積較小、空間有限,一般無法安裝大容量的可并機的UPS和電池,原有的UPS雖不能并機但還能利用等情況,可選擇雙總線改造方案,該方案中利用2臺UPS構成兩套獨立互相冗余的供配電系統,互不干擾,不存在單一故障點,可靠性較單機、串聯熱備份和并機單總線方案高,且改造方便,能充分保護原有投資。方案二實現了雙機互為備份,通過將靜態旁通開關接到市電,即可恢復方案一的雙機雙總線結構。而方案三模塊化系統是UPS并聯技術的發展趨勢,有諸多優點,可綜合權衡可用性、可維護性、擴充性以及建設資金情況、今后負載增量等因素選擇該升級方案。

5 分析總結

通過以上探析可以看出,在信息化機房UPS供配電系統建設和改造升級過程中,必須整體考慮,除了對以上UPS冗余系統結構選擇外,還要結合其他因素,如UPS主機及供配電系統中其他設備的可靠性、可用空間及施工的難度、整體性價比、管理維護的方便性,以及良好的可擴容性、滿足今后信息化的快速發展需求等。因此UPS冗余系統的選擇,應從本單位實際情況出發,綜合考慮各種因素,找到最適合的方案。

[1]李南.高智能容錯UPS的系統優勢論證[J].中達電通,2012-04:23.

[2]王寧,等.冗余式UPS技術發展趨勢.中國電源博覽[J].2008-05:88.

董健紳,男,國家新聞出版廣電總局七二五臺,工程師,節傳機房副主任,本科,信息工程專業。