機房建設(shè)中高頻UPS 的必要性

李素文（廣東省輕紡建筑設(shè)計院）

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機房建設(shè)中高頻UPS 的必要性

李素文（廣東省輕紡建筑設(shè)計院）

本文主要介紹了現(xiàn)在機房建設(shè)中高頻UPS的必要性，首先介紹了現(xiàn)在機房建設(shè)與高頻UPS的發(fā)展趨勢，然后對UPS做了一個簡要的介紹，在分析了機房用電器的負載特性之后，根據(jù)分析結(jié)果，提出了機房負載供電方案。現(xiàn)在機房設(shè)備較多，應(yīng)用UPS可以節(jié)約建設(shè)面積，提高機房空間利用率。同時本文也為我國的IDC機房設(shè)計和建設(shè)拓寬思路。

IDC機房；UPS；負載特性；雙電源負載；供電系統(tǒng)

1　引言

現(xiàn)代社會，IDC機房的建設(shè)現(xiàn)在的通信運營商充分發(fā)揮其自身的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢而拓展的具備非常良好的發(fā)展前景的新增值業(yè)務(wù)，供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是網(wǎng)絡(luò)運行的安全性的重要前提。眾所周知，UPS行業(yè)的發(fā)展趨勢是高頻化、小型化、模塊化、智能化和環(huán)?；Ｔ跇I(yè)界關(guān)于高頻機和工頻機究竟哪個好、哪個更有生命力是有爭論和不同見解的，很多UPS用戶更是無所適從。所以說高頻機代替工頻機是UPS發(fā)展的必然方向。

現(xiàn)如今，小型機與大規(guī)模的服務(wù)器的聯(lián)合使用，使得機房對UPS供電系統(tǒng)的安全性有了更加大依賴性。所以，我們只有根據(jù)現(xiàn)在IDC機房信息平臺中各種設(shè)備的用電情況和在使用過程中可能會產(chǎn)生的問題來進行預先設(shè)計，從多種方案中選擇最佳的設(shè)計方案。只有這樣才能在未來的供電系統(tǒng)的使用中，保證用電的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。

2　機房用電器的負載特性

對用電器負載特性的分析：從IDC機房信息平臺方面來說，大部分負載都是小型機和服務(wù)器。我們首先要對這些用電設(shè)施的用電特性進行分析，明確用電情況，才能設(shè)計出安全的供電系統(tǒng)。

現(xiàn)在的大部分產(chǎn)品，主要用的是雙輸入的供電方式，只有以下部分采用的是三輸入的方式。這種設(shè)備，服務(wù)商通常會說有兩個電源是主備電源。但是事實上，在服務(wù)器的里面本可能有直流電源切換裝置的，這些直流或者交流電源的多路輸出是并聯(lián)的，假如一部電源出現(xiàn)故障后，其余的電源會對服務(wù)器進行供電，對于這種負載，我們稱為雙輸入負載。

除此之外，對于有些用作操作的計算機或者計算機服務(wù)器等是只有一個電源的，對于其它的一些信息處理設(shè)備，它們雖然有兩個甚至多個電源，但是每個電源只負責機器內(nèi)部某一部分的功能或模塊，只要其中的一個電源出現(xiàn)故障，則計算機就無法進行工作，這種計算機稱之為單輸入負載。

3　機房負載供電方案

（1）假設(shè)我們使用的是單輸入計算機和雙輸入服務(wù)器聯(lián)合供電，對于供電設(shè)備的類型我們事先也不了解，無法進行嚴格的分辨，這樣為保證對所有系統(tǒng)的供電可靠，我們可以選擇并聯(lián)冗余供電方案，如圖1所示。

此圖為1+1并聯(lián)系統(tǒng)，其中的兩臺UPS全都按照全負荷容量來進行設(shè)計，在工作的時候，在母排上并聯(lián)的輸出交流，它們同時工作平分負載，假設(shè)系統(tǒng)中UPS在出現(xiàn)一臺故障，故障UPS會自動退出，然后關(guān)閉輸出，剩余的UPS會承擔起所有的負載，這樣對負載的供電不會造成影響。

其實還有一種設(shè)計方案，和第一種相比我們稱之為二加一系統(tǒng)，這種系統(tǒng)中每臺UPS的容量是按照全部負荷的一半來進行設(shè)計的，二加一并聯(lián)后剩出來的50%設(shè)計功率用于冗余。對于這種方案，每一臺UPS因故障退出后，我們可以將次要系統(tǒng)進行關(guān)閉先將系統(tǒng)的負載降至一半以下，然后再次獲得UPS冗余供電特性。

圖1

對于上述兩種方案我們應(yīng)該要注意的問題是：在給雙輸入電源的服務(wù)器和小型機進行供電的時候，應(yīng)該首先注意將配電引自2個分支回路，決不能將雙輸入電源服務(wù)器的兩個輸入同時插接在一個插線排或者說是一個空開分支回路中，要避免因為單條供電分支線路出現(xiàn)故障而導致整個服務(wù)器電源出現(xiàn)癱瘓。對于某些功率較大的系統(tǒng)，如果可能，最好是將雙輸入電源服務(wù)器的兩個輸入分別引自兩個負載配電屏，這樣做可以方便對便負載三相平衡的調(diào)整工作和維護檢修工作，此外還應(yīng)盡可能縮短關(guān)機時間和減少上述工作時服務(wù)器關(guān)機的需要。

下面我們對并聯(lián)冗余系統(tǒng)進行簡要的評價：

優(yōu)點：對于任何一種輸入電源特性的服務(wù)器，都能夠通過UPS系統(tǒng)的供電冗余，對于任何的單一UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障都不會導致服務(wù)器的供電出現(xiàn)中斷，而且單一UPS因故障退出時供電系統(tǒng)不會出現(xiàn)瞬間斷開。

缺點：

①由于在并聯(lián)系統(tǒng)中的UPS之間會存在著環(huán)流和負載不均衡的現(xiàn)象，因此對于任何品牌和技術(shù)，UPS是不可能會完全一致無差別的。另一方面，負載均衡度和環(huán)流受運行程度老化和負載量變化等都會對并聯(lián)控制環(huán)路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，這是并聯(lián)系統(tǒng)存在的潛在隱患。

②在進行擴容時并機調(diào)試和維修時，負載供電會存在風險。比如進行帶載調(diào)試時，假如調(diào)試不成功的話會導致負載供電出現(xiàn)故障。假如在并機調(diào)試時轉(zhuǎn)維修旁路的話，此時一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障就會直接影響負載的供電安全。

③系統(tǒng)中單一UPS出現(xiàn)故障在理論上來說應(yīng)該關(guān)閉輸出退出工作，但是仍有可能存在故障出現(xiàn)時切換失敗，導致故障擴散，系統(tǒng)轉(zhuǎn)旁路的情況發(fā)生。這種情況下負載供電受電網(wǎng)供電質(zhì)量會受到嚴重影響。

（2）假如我們能夠?qū)ω撦d供電的特點了解清楚的話，也就是弄清楚統(tǒng)計，區(qū)分出雙輸入電源服務(wù)器和單輸入計算機設(shè)備，我們就可以采用雙母線供電方案，原理如圖2～3。

在這個方案中，兩套獨立的UPS系統(tǒng)分別與雙電源服務(wù)器的兩個獨立的電源聯(lián)接，其中每個UPS系統(tǒng)都會有自己獨立的輸入和輸出配電，對于某些單輸入電源的計算機，對可靠性要求比較高而且對系統(tǒng)運行有著非常重要作用的，我們可以通過STS負載自動切換裝置來聯(lián)接兩套UPS系統(tǒng)，然后先選擇一套為供電主回路，另一套UPS則為供電的備用回路。因為STS可以在2～4ms內(nèi)進行切換，所以不會影響計算機正常工作。假如單電源輸入負載對系統(tǒng)運行影響不是很大和對可靠性要求不高，我們就可以使用下面的方案：即單電源輸入負載對供電進行間斷切換時我們可以用ATS自動切換柜或者是手動切換柜，這樣可以減少配置成本。

圖2

圖3

對于雙母線方案的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：

①由于雙母線系統(tǒng)中的兩個UPS系統(tǒng)是獨立輸出的，所以不會出現(xiàn)因為環(huán)流而導致的系統(tǒng)故障，同時也不會出現(xiàn)因單一UPS故障時切換不正常而導致故障出現(xiàn)擴散。

②由于雙電源服務(wù)器的供電是由兩個獨立的UPS系統(tǒng)完成的，所以說無論是哪一種故障，服務(wù)器都有一個備用的獨立UPS供電回路保護。和那些并機系統(tǒng)容易受負載側(cè)浪涌影響的相比，由于供電回路的整體冗余，雙母線的可靠性比單純的UPS并聯(lián)冗余要高很多。

缺點：需要對負載設(shè)備供電特點要有一個非常清楚的分辨，所以負載的分配工作和并聯(lián)方案相比較會麻煩一些。

4　高頻UPS對現(xiàn)在機房建設(shè)的重要性

選用高頻機是構(gòu)建新一代節(jié)能數(shù)據(jù)機房的需要，高頻機型UPS采用的是IGBT前端整流、后端逆變，這種雙變換UPS特點很多，其中最顯著的特點是能最大限度地節(jié)能減排、綠色環(huán)保。某企業(yè)生產(chǎn)的300kVA工頻機，質(zhì)量為2.2t，而同功率的高頻機只有830kg。這臺工頻機采用12脈沖整流、11次諧波濾波器，輸人功率因數(shù)指標達到0.9，而同等功率的高頻機，輸入功率因數(shù)能達到0.99，接近于1。從效率指標看，工頻機滿載小于90%，而高頻機的效率即使半載也能達到95%以上，這些差別是顯而易見的。

目前國內(nèi)各廠商都在宣傳推廣綠色電源，但什么是真正的綠色電源，綠色電源應(yīng)該符合什么樣的標準？從技術(shù)上來看，是否綠色要看兩個指標。

（1）諧波。諧波是UPS一個重要的指標。UPS對電網(wǎng)本身就是個干擾源，是產(chǎn)生諧波的設(shè)備，對電力系統(tǒng)造成諧波污染，還會造成大量的附加損耗。但高頻機UPS諧波可以做到小于3%。完全消除了UPS對電網(wǎng)的反饋諧波污染，對供電電網(wǎng)來說，是真正的綠色負載。

（2）效率。高效率對于客戶可以節(jié)省運行費用。一些企業(yè)購買UPS產(chǎn)品，只顧及采購成本，大多數(shù)的企業(yè)是不考慮安裝使用成本的。如何節(jié)約安裝成本及減少使用成本呢？這彎問舉可以通過提高供電系統(tǒng)的效率來解決。高效率的UPS可以減少輸入線纜的#面積：和前端變壓器的容量，這是減少客戶安裝成本的主要因素。效率為95%以上的高頻機和效率不到90%的傳統(tǒng)工頻機相差很大。不要看這百分之幾的微小差別，對于大功率UPS來說，高效率降低了能耗，降低了UPS運行電費。騰訊公司現(xiàn)在的機房每年電費已經(jīng)超過其員工全年的工資，這是所有IDC機房共同存在的問如果UPS效率提高百分之幾，所節(jié)約的費用是相當可觀的。伊頓公司的一臺300kVA高頻機9395UPS，運行10年節(jié)約的電費大概是100萬元，如果再加上由高效而節(jié)省的空調(diào)制冷費，這個數(shù)字會更為可觀，大概是150萬元。如果從采購安裝和使用成本全局考慮的話，購買高頻機不會給用戶增加成本，反而會節(jié)約使用成本，達到綠色節(jié)能的效果。

5　總結(jié)

綜上所述，如果在系統(tǒng)中雙電源負載居多的話，一般雙母線方案的可靠性和可維護性以及擴容時的安全性都比并聯(lián)方案高很多。然后再根據(jù)設(shè)備總體的功率來選擇UPS的容量。IDC機房建設(shè)面積寸土寸金，用戶希望UPS體積小、占地面積少，給客戶節(jié)約更多的機房空間，也能減小空調(diào)的規(guī)模，降低機房建設(shè)的投資。人們常說要構(gòu)建新一代節(jié)能的數(shù)據(jù)機房，其中重要環(huán)節(jié)就是如何構(gòu)建一個安全、可靠、綠色、節(jié)能的供電系統(tǒng)，高頻UPS無疑是最佳選擇。

［1］劉洪峰.談IDC棚房UPS系統(tǒng)帕設(shè)計［J］.中國通信電源、局站環(huán)境標準宣講與新技術(shù)論壇會刊，2008（6）：56.

［2］王其英.高頻機型UPS技術(shù)及應(yīng)用.中國電力出版社，2010，10.

2016-3-12

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2095-2066（2016）09-0121-02