關于雙總線UPS供電系統的分析及應用

■文/喬 黎

關于雙總線UPS供電系統的分析及應用

■文/喬 黎

文章介紹了幾種UPS冗余連接方式的特點及存在的問題。并從配置方式、供電可靠性、系統可用性等方面分析了雙總線UPS 供電系統，說明了采用雙總線UPS 供電系統的必要性。介紹了雙總線UPS 供電系統在新華社財訊機房的實際應用。關鍵詞：UPS；供電方式；冗余方式；雙總線；應用

前言

UPS自問世以來，一直伴隨著計算機的發展而發展，計算機的普及形成了廣泛的IT行業，UPS也緊隨其后成為IT業不可缺少的黃金搭檔，近年來，由于通信網絡規模越來越大，信息技術已成為國民經濟的重要支柱，容不得任何一個環節出現紕漏，從而對供電要求很高，那怕是僅幾秒鐘的停機可能會給整個機房的安全運行和用戶的生產經營帶來無法估量的損失。數據中心UPS作為備用電源設備，對保障供電安全、可靠以及電能質量發揮了積極的作用。然而，由于任何單機供電都存在著斷電的危險，關鍵性負載要求供電設備的可靠性或可用性做到萬無一失。因此，UPS電源系統采用具有高度容錯功能的冗余式供電方案，已變成必要手段。在數據中心，為確保無論是在市電出故障時或在某臺UPS電源發生故障時，還是在UPS進行日常維護、檢修操作時，甚至是在拆除、更換某臺UPS設備時，數據中心設備均要有高質量的供電，均應由UPS電源不間斷供電。只有UPS電源可以向負載提供具有穩壓、穩頻、低諧波、無干擾和波形失真度極小的高質量正弦波電源。為此，應盡可能地為數據中心設計及配置具有高度容錯功能的UPS冗余供電系統，即使某些環節偶然發生故障時，整個UPS供電系統仍能正常工作。

1幾種主要UPS配置方式及優缺點分析

UPS主要有以下幾種冗余方式：串聯熱備份供電方式；冗余并聯供電方式；雙總線供電方式。

1.1 串聯熱備份供電方式

串聯熱備份方式是指對于在線式工作模式的兩臺UPS，備機的輸出作為主機的旁路備份輸入，在運行中，一旦主機逆變器出現故障，能夠快速切換到旁路，由備機的逆變器輸出供電，保證負載不停電。串聯熱備份方案如圖1所示。

圖1 串聯熱備份供電方案

該方案結構簡單、安裝方便，且無并機中存在的均流問題，因此系統穩定可靠。該方案的缺點是不中斷負載用電的擴容能力較差；主、從機老化狀態不一致，正常工作狀態下，主機為負載供電，從機一直空載運行，從而造成主機、從機元器件的老化程度差別很大，并且從機電池壽命減低；當負載有短路故障時，從機逆變器容易損壞；串聯熱備份一般不超過兩臺UPS串聯使用，因此，應用場合受到了限制。

1.2 冗余并聯供電方式

冗余并聯供電方式是指兩臺以上UPS的輸出進行直接的并聯，共同均分負載電流，不存在主從關系；當某臺UPS出現故障時，該機將自動退出并聯系統，負載電流100%由剩余的UPS供電，輸出不間斷；在故障機維修完成后可以在線并入繼續對負載進行冗余供電。如圖2所示。

圖2 冗余并聯供電方案

并聯供電方式擴容相對方便；正常運行時多臺UPS均分負載，系統壽命、可維護性及可靠性提高。

冗余并聯供電方式缺點：在用新老兩套UPS系統進行不斷電割接時，若在操作過程中出現失誤，則供電中斷的可能性會非常大。系統存在單點瓶頸。由于其供電由同一套系統輸出，而且并機系統中UPS主機輸入一般來自于同一路電源，所以一旦系統中的輸入輸出部分如輸入開關、輸入轉換開關、輸出并機開關、輸出配電柜等單點瓶頸出現故障，可導致供電中斷。

因此，需采用必要的技術措施來消除可能出現在UPS輸入輸出端的各種單點故障隱患，實用有效的辦法是配置UPS雙總線輸入輸出配電系統。

1.3 雙總線UPS供電方式

對于雙總線UPS供電系統，當其中一套系統出現故障時，另一套系統將完全承擔起供電可靠性的保障。該供電方案由兩套獨立工作的UPS、負載母線同步跟蹤控制器（LBS）、自動轉換開關（ATS）、靜態切換開關系統（STS）、兩套獨立的輸入、輸出配電屏組成。如圖3所示。目前，雙總線的系統已在中、大型數據中心得到了規模的應用。

圖3 雙總線供電方案

雙總線UPS供電系統具有以下優點：1、消除了系統存在的單點瓶頸。消除了可能出現在從市電輸入到UPS 供電系統的輸入端，再到最終的設備電源輸入端之間的配電線路中由于輸入開關、輸入轉換開關、輸出并機開關、輸出配電屏等可能存在的單點瓶頸故障隱患。2、系統的擴容升級及可維護性提高。雙總線供電方式具有很好的開放性及前瞻性，在任何時候均可將其中的一套系統完全下電進行處理以解決維護或者擴容的問題，為今后的設備故障維修、擴容及更換改造等打好基礎。

2. UPS雙總線系統在新華社財訊機房的應用

在中國國際新聞中心A座十一層建設了一個面積約為350㎡的財訊機房。該機房將服務于新華社在該樓內辦公的新聞信息、金融信息和圖片信息等部門的存儲和通信業務。機房按照功能區劃分為：主機房區：服務器及存儲設備機房、網絡控制中心和程控交換機房；輔助機房區：監控/調測機房、氣體滅火鋼瓶間；動力保障區：UPS機房；支持區：走廊。

在UPS機房內配置了UPS雙總線供電系統。機房內最多可放置50個19英寸標準機柜。每個機柜均為兩路UPS供電，每機柜負載為3.5kw共175kw；每層配線間機房3kw，15層共45kw；網絡機房15kw。根據用電需求，為機房配置兩臺容量為250KVA的UPS，采用UPS雙總線輸出配送電系統，每路可提供225kw的輸出功率，為負載提供雙路電源，且每臺UPS配備滿載30分鐘后備電池。該系統已建成并投入使用，為財訊機房各個機柜及IDF間提供可靠的UPS電源。機房的供電等級達到GB50174-2008 A級要求。系統配電方案如圖4所示。

如圖4所示，每臺UPS配兩面輸入柜：一面市電輸入柜與一面UPS輸入柜，市電輸入柜中安裝630A ATS雙電源自動切換開關，對兩路市電可以進行帶載切換，實現雙路市電輸入；一面UPS輸入配電柜中裝兩路UPS主、旁路輸入開關與三路供機房內照明、空調、新風等設備及備用電開關。每臺UPS配一面輸出配電柜：UPS輸出配電柜中裝有一路630AUPS輸出開關、三路160A開關和三路100A開關。分別為機房內各列頭柜以及為全樓15個綜合布線系統IDF間供電的配電柜供電。

機柜列架采用配電列頭柜方式供電，UPS輸出柜送至配電列頭柜，配電列頭柜雙面使用，每兩排機柜共用一個配電列頭柜。機柜內配置雙路的32安培的PDU。

可以看出，該系統將其中的一套單機系統作為雙總線系統的一根輸出母線，另外一套單機系統作為雙總線的另一根輸出母線。每臺UPS有獨立的輸入輸出配電柜。即使一套系統完全失效或者需要檢修，雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有電，所以會繼續正常工作；而關鍵的單電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線，也會正常工作。

圖4 新華社財訊機房UPS供電方案

該系統有兩路市電輸入，采用了雙總線輸入冗余式供電系統。每套系統有獨自的輸入配電柜及電力傳輸線路，并各自配置了自動轉換開關（ATS），對兩路冗余市電進行切換，并且配有超壓、過載、短路保護的輸入開關，確保UPS系統輸入端消除單點瓶頸故障。采用雙總線冗余式輸出配電系統，每套系統有獨自的輸出配電柜及電力傳輸線路，對于雙電源負載，確保消除UPS逆變器輸出端到最終重要負載之間可能出現的單點瓶頸故障隱患。

3.結束語

通過比較和分析，可以看出，UPS雙總線供電系統是具有高度容錯功能的UPS冗余供電系統，可為數據中心設備提供高可靠性的UPS 電源，為數據中心運行的安全高效提供充分的保障。目前，該系統已在大容量UPS 供電系統中全面采用。

[1]鐘景華，朱利偉，曹播，丁麒鋼．新一代綠色數據中心的規劃與設計．北京：電子工業出版社， 2013．

[2]馬學利．“1+1”冗余并機UPS 系統與冗余式雙總線“1 +1”UPS 系統可靠性比較分析．現代經濟信息，2008．

[3]周志敏，紀愛華等．UPS供電系統設計與工程應用實例．北京：中國電力出版社，2014．

（作者單位：新華社通信技術局）

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1671-0134（2016）12-055-02

10．19483/j．cnki．11-4653/n．2016．12．020