數據中心機房UPS 供電系統可靠性研究應用

張眾音

（航天工程大學，北京 懷柔 101400）

0 引言

隨著數據業務的快速發展，移動通信領域對UPS的應用數量不斷增加。然而，由于單機容量的提升，一旦UPS 出現故障，可能帶來嚴重后果。在數據中心機房中常見的UPS 系統包括SMS 系統、業務分析系統、數據電網、電網管理系統和智能電網系統等。當數據中心機房出現故障時，將嚴重影響相關服務的可用性，且系統恢復所需時間較長。傳統的UPS 配置即使在一般負載保持的并行模式下，也難以滿足設備對電力可用性和數據服務的高要求。近年來，雙總線配置逐漸受到關注，它不僅能滿足UPS 數據處理設備的需求，還能消除業界廣泛認可的單點故障風險。通過雙總線配置，數據中心機房可以實現UPS 系統的高可靠性和高可用性，確保持續穩定的電力供應。這種配置模式能夠降低UPS 故障對數據中心運營的影響，提高業務連續性和數據安全性。本研究旨在探討數據中心機房UPS 供電系統可靠性的研究應用。采用理論分析與實證研究相結合的方法，通過對現有數據中心機房的UPS 供電系統進行分析，總結經驗和教訓，并探索適用于雙總線配置模式的最佳實踐。因此，本研究對于數據中心機房UPS 供電系統的可靠性研究和應用具有重要價值，可為相關領域的專業人士和研究人員提供實用的指導和決策支持。

1 從數據設備“用電”角度提高UPS 系統可靠性的探討

改善數據中心機房供電可靠性是一項系統工程，從數據處理設備的“可靠性”角度，討論了實際設計和配置中的一些常見問題。

1.1 數據中心機房概述

現代數據機房主要由服務器、小型機、路由器、存儲設備、電網交換機等設備構成。而電源類型包括單電源設備和備用電源設備。從其實際應用功能上來看，電源在數據機房中屬于一種功能模塊。數據機房在運行過程中，一旦電源發生故障，設備就會出現停機，這就是單個電源的弊端。當設置備用電源后，電源由多個模塊組成，設置為冗余系統。如此設置就構成了備用電源，雙電源系統共同承擔工作壓力。在雙電源系統設置中，當一路電源出現故障時，另一路電源就會投入系統工作，維持數據中心的正常工作。通過雙電源模式的設置，使數據中心具有更高的可靠性。

1.2 數據中心機房UPS 供電系統建設的必要性和緊迫性

1.2.1 數據中心機房UPS 供電系統建設的必要性

數據中心機房作為存儲和處理大量敏感數據的關鍵場所，對電力供應的穩定性和可靠性要求極高。UPS 供電系統作為數據中心機房的后備電源系統，能夠在電力中斷或電壓異常的情況下提供可靠的電力支持，保證數據中心的連續運行。UPS 系統能夠提供干凈的電力，避免因電壓波動或電力噪音引起的設備損壞，同時還能提供短時的備用電力，給管理員足夠的時間來采取措施，避免數據丟失和服務中斷。因此，數據中心機房UPS 供電系統的建設是確保數據中心連續運行的基礎。

1.2.2 數據中心機房UPS 供電系統建設的緊迫性

隨著數據中心的規模和重要性的不斷提升，對UPS 供電系統的可靠性和可用性的要求也越來越高。數據中心承載著大量的業務和用戶數據，一旦發生停電或電壓異常，將導致嚴重的經濟損失和用戶不滿。例如，在電力故障的情況下，數據中心的服務器和網絡設備將無法正常工作，導致業務中斷和數據丟失。因此，及時建設和完善UPS 供電系統勢在必行，以應對突發的電力故障和保障數據中心的可靠運行。

1.3 負荷分擔或主備用關系的數據設備

對于設置為主、備用電源的數據服務設備，設計為共享服務負載。在數據中心電源系統設計中，必須充分利用主、備用電源之間的關系，從而保證服務系統的可靠性。數據中心服務設備不應重復使用相同的UPS，以實現電源故障時的備份操作，以及負載共享。如果條件允許，主要數據處理設備和輔助設備也必須位于獨立的數據室[1]。

1.4 不同業務分區的數據設備

電源模式下的集中數據維護提供了高效率，但也存在一些操作管理風險。一旦數據服務系統出現崩潰，將會對相關業務產生較大影響。在對集中數據服務系統進行分類的過程中，通過區分業務功能，針對不同區域的企業系統采用不同的UPS 供電方式。那么與企業運營相關的風險可以顯著降低。這需要基于數據服務系統結構和類型的總體規劃，這在實踐中經常被忽略。

1.5 關于STS 的使用

充電前兩個電源的移動自動開關（STS）。在配置模式下，兩個輸入通常通過兩條電源總線連接。在正常操作中，主電源應當由兩路電源進行供電。在主電源出現故障時，STS 將由主電源向備用電源自由切換，從而保證電源負載的連續性。由于大型數據中心的數據服務設備主要是雙線設備，因此可以使用額外的STS 來解決雙線配置中單個設備的性能問題[2]。

2 大型數據機房UPS 電源系統的配置模式

2.1 主從串聯備份模式

在正常操作中，負載由節點控制，待機狀態為空閑。當主電源發生故障時，負載通過主電源及備用電源負責向負載供電。這種配置模式的最大缺點是隱藏與主電源靜態拆分相關的單個故障點。故障發生后，系統電源中斷。當時備用電源處于睡眠狀態時，主電源仍在長時間運行，備用電源的節點和組件的老化速度不同[3]。目前很少使用這種配置，但在之前建造的舊機房中，該種配置方式較為常見。

圖1 主從串聯備份模式

2.2 負荷分擔冗余并機模式

當兩個或多個UPS 輸出端子并聯連接時，可通過并機模塊、并機電路板采用冗余模式進行并聯連接。其中最為常見的是冗余“1+1”并聯系統，如圖2 所示。此外，“2+1”并行系統也是一種常見的配置模式。當UPS 系統在第二配置模式下運行時，UPS 電源同時均勻地傳輸負載。如果過熱，充電電流將由其他電源提供。與主串行備份相比，冗余并行負載共享模式具有以下兩個獨特的優點。

圖2 負荷分擔冗余并機模式

2.2.1 實現了熱備份

過多的同時負載共享模式將長期改變主電源的運行狀態，而在待機模式下，主電源將長期處于串行從屬模式。

2.2.2 減小了切換電流沖擊

主從串聯備份模式的備機切換電流從0%增加到100%，這大大簡化了并聯冗余分配模式。當兩個并聯系統中的一個關閉時，剩余50%的充電電流增加到100%，而其他并聯系統產生的增長電流較低。盡管此配置模式的可用性顯著高于串行主備份模式，但始終存在單個系統故障的風險。例如并聯控制面板、空氣開關、電流路徑等。此外，在實踐中，有時電源故障是由單個故障點引起的[4]。

2.3 雙總線配置模式

為了提高UPS 電源系統的可靠性，有必要實施UPS 冗余項目及其配電系統。以徹底消除單個UPS電源系統故障的潛在風險，并為數據服務設備提供獨立、穩定和可靠的雙向電源。根據負載容量，每個總線可以配置為雙總線配置，例如負載分配和并行備份[5]。如圖3 所示。

圖3 雙總線配置模式

3 提高供電可靠性與可用性的途徑

3.1 UPS 輸入輸出形式對供電可靠性的影響

三相充電UPS 不平衡，則三相電壓不平衡。因此，建議使用單相三相UPS 輸出，如圖4 所示，以確保其安全性。

圖4 三進單出結構的UPS

輸入和分配之間的平衡，這是由輸入和輸出造成的。通常，當三相負載不平衡時，電壓不平衡超過2%。但是，如果UPS 連接器過載、短路或被逆變器損壞，僅能確保充電期間電源不間斷，故障開關將自動閉合。最初提供30 kVA 每周期的電路提供90 kVA，總配電開關斷開并過載。沒有達到持續供電的目標，充電已完全關閉。為了避免這種情況，我們需要將輸入電路的帶寬增加三倍，另一個問題是移動終端的電阻增加了三倍[6]。但是，結構化UPS 的容量越大，問題越嚴重。

3.2 冗余供電方案的可靠性

3.2.1 雙電網供電連接方式的可靠性

如果連接方法不合適，電源可靠性也會降低。圖5 顯示了UPS 和電源之間的四個現有連接選項。

圖5 兩路市電向UPS 的不同接法

圖5（a）顯示了將兩個電源連接到同一UPS 的過程。

這種連接方法在過去幾年中有一些應用，但也存在一些問題。原因是它與UPS 最初的設計理念不同。UPS 的原始功能是以分電壓對電池放電（這也意味著整流器輸入端的電源電壓不穩定），從而允許連續發電。這種連接的另一個潛在危險是，如果整流器輸入端的電源電壓發生故障，電池將放電。然而，當主電源加倍時，電池故障時間通常約為30 min，非常短。需要注意的是，通常情況下，在雙電源的情況下不容易斷開，并且在發生故障后不可能立即恢復。例如，如果存在路徑錯誤，則錯誤可能來自相對容易使用的外部電網[7]。總的來說，這不會花費太多時間。如果發生局部損壞，隨著線路老化，主開關斷開。

在這種情況下，維護時間超過30 min，有時甚至更長。在30 min 內，電氣設備必須完全依賴自然電源。此時，充電設備根本不受UPS 保護，可能會受到電源電壓引起的各種干擾和過度振蕩的影響。因此，不建議使用這種電源連接模式[8]。

圖5（b）顯示了將兩個電網連接到同一UPS 的改進型UPS。

該電路考慮了圖5（a）所出現的問題。重新設計電路并增加新功能，即如果斷路器發生故障，電網可以通過獨立的S 開關繼續向充電設備供電，從而增加供電保障。

圖5（c）顯示了根據位置連接到主端子的兩組并聯UPS 輸入端子。

這種連接方式似乎沒有問題，盡管兩條電源線的相位和電壓不同，因為并聯UPS 與UPS 具有相同的特性，即主電源正常工作，因此不會影響正確的操作。然而，并聯UPS 電源也可能會加劇潛在的危險。并聯UPS 可以同時切換到配電盤。如圖所示，一旦兩個開關繞過電源，除了負載電源，兩個電網電源并聯連接。此時，兩個主電源的相位和電壓差在兩個電源之間產生密集循環。直到電路中的串聯燒毀，循環才會停止。最安全的方法是連接兩條電源線，如圖5（d）所示，并通過相互配電板將它們轉換為一條線路，然后將它們發送到UPS。這種方法的價值在于，它不僅反映了UPS 的原始理念，而且將設備置于UPS 的保護之下。

3.2.2 UPS 冗余供電的可靠性

（1）UPS 熱備份連接時供電的可靠性

熱備份連接可用于提高可靠性。換句話說，如果UPS 滿足用戶的可靠性要求，它可以連接到相同規格的UPS，甚至可以連接到其他品牌的UPS，以提高可靠性。圖6 顯示了合并兩個獨立UPS 的方法。

這種連接非常簡單。當UPS1 使用主電源且UPS2 用作備用電源器時，UPS2 只需將備用電源連接到UPSI 輸入分配器。然而，在這一點上，UPS1 的接入口與UPS2 的接入口是分開的，這提高了UPS 系統的性能。為了量化這個概念，圖7 顯示了UPS 的相關性。為了提高電源的可靠性，UPS 設計者將城市電力引入電路作為備用電源。

圖7 兩臺UPS 并聯連接的原理方框圖

3.2.3 UPS 的冗余并聯連接及其可靠性

UPS 的并聯冗余連接克服了上述方法的缺點。圖7 顯示了并聯的兩個UPS 電路。

這種連接更容易，只需將兩個輸出連接在一起即可。輸出端子也可以以這種方式彼此連接，以執行并聯功能。并聯電路后的可靠性模型如圖8 所示。

圖8 兩臺并聯UPS 的可靠性模型

UPS 并聯系統不僅更可靠，而且更靈活。由于UPS 是并聯雙負載，因此與通過冗余熱備份連接的UPS 相比，UPS 具有更大的過載和沖擊電阻。如圖9所示，兩個冗余并發UPS 的可靠性與非交換機的可靠性相當[11]。

圖9 兩臺UPS 加STS 切換結構

作為規劃理念的一部分，一些人也接受了該設計，并以高昂的價格實施了該設計。

3.3 雙總線供電系統的可靠性

3.3.1 并聯備用系統和雙總線電源的設計

確保電源在任何情況下都可以使用，保障電氣設備連續工作，因此可以使用任何方式來實現這一目標。實現這一功能有多種方式，如串行熱備份、并行備份和雙總線。事實上，這些系統也有優缺點，既經濟又可靠。如果你不能選擇性地使用它們，如果不能有選擇地去用就會事倍功半。

3.3.2 對雙總線供電系統的誤解

當應用于雙電源系統時，這意味著并行冗余方案不能滿足電源服務器的性能要求。通常，雙線制系統主要由兩個電網供電。這里的雙總線電源有兩個含義：一是每個電路可以提供總負載能量的兩部分；二是兩個電源可以同時提供雙負載。然而，在正常情況下，兩個電源都有自己的負載。只有當電源（對應于電網2 的移動）發生故障時，另一個電源（對應的電網1）才能通過靜態開關STS2 向符合電網2 供電。在此期間，雙電源負載（如R）不會關閉。即使STS2 沒有生成相應的UPS1 電網，雙負載也不會停止，因為電源仍然存在。

4 結語

在現代電網快速發展的背景下，通過改變數據中心機房的供電模式，來滿足數據傳輸業務的更高要求。因此，優化UPS 供電模式，實現雙電源供電，從而滿足科學合理的設計要求，提高數據中心用電可靠性，滿足相關技術標準要求。