IDC機(jī)房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)

摘要：衡量IDC機(jī)房的設(shè)計(jì)和配置水平高低的重要標(biāo)志之一是，不但要看它的UPS冗余供電系統(tǒng)是否具有高可靠性、高抗干擾性、高抗自然災(zāi)害的能力及易“可管理性”，還要看它能否為IDC設(shè)備獲得100％的高“可利用率”，創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運(yùn)行環(huán)境。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心；多媒體數(shù)據(jù)中心；不間斷電源冗余配置與設(shè)計(jì)

1選配具有優(yōu)異“容錯(cuò)”功能的UPS冗余

供電系統(tǒng)

眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)和多媒體數(shù)據(jù)中心(MDC)是高速互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)控中心。用戶(hù)對(duì)它們所承擔(dān)的對(duì)信息資源(數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖象信息)的遠(yuǎn)程處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)送的“時(shí)效性”要求極高。那怕是僅幾秒鐘的“停機(jī)”均會(huì)給整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的安全運(yùn)行和用戶(hù)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)無(wú)法估量的損失。嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)斐缮鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)生活的嚴(yán)重癱瘓。因此，IDC必須向用戶(hù)提供365×24h連續(xù)不斷的高速、安全和可靠的信息資源增值服務(wù)。為達(dá)此目的，從設(shè)計(jì)原則上講，承擔(dān)著向IDC機(jī)房供電任務(wù)的整個(gè)電源系統(tǒng)都必須采用具有高度“容錯(cuò)”功能的冗余式的供電方案，以確保無(wú)論是在市電電網(wǎng)出故障時(shí)或是在某臺(tái)“雙變換、在線(xiàn)式UPS電源"的逆變器發(fā)生故障時(shí)，還是在進(jìn)行日常維護(hù)/檢修操作時(shí)或因故致使保險(xiǎn)絲燒毀/斷路器開(kāi)關(guān)“跳閘”時(shí)，互聯(lián)設(shè)備均應(yīng)由“在線(xiàn)式UPS”的逆變器電源來(lái)供電，而不應(yīng)進(jìn)入由普通的市電電源/應(yīng)急備用發(fā)電機(jī)組經(jīng)UPS的交流旁路來(lái)供電的狀態(tài)。這是因?yàn)橹挥?ldquo;在線(xiàn)式UPS”的逆變器電源才有可能向用戶(hù)的負(fù)載提供同時(shí)具有穩(wěn)壓、無(wú)頻率“突變”，無(wú)干擾和波形失真度極小的高質(zhì)量正弦波電源。對(duì)于包括后備式UPS，在線(xiàn)互動(dòng)式UPS在內(nèi)的“非在線(xiàn)式UPS”來(lái)說(shuō)，它們主要對(duì)輸入電源的電壓進(jìn)行調(diào)整，對(duì)輸入電壓的頻率波動(dòng)，各種電源干擾和電壓失真度并無(wú)“實(shí)質(zhì)性”的改善。這就意味著，在整個(gè)供電系統(tǒng)中，不應(yīng)存在單點(diǎn)“瓶頸”故障隱患。為此，應(yīng)盡可能地配置具有高度“容錯(cuò)”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)。也就是說(shuō)，在這種UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行中,即使遇到某些“部件”偶然發(fā)生“故障”時(shí),整個(gè)UPS供電系統(tǒng)必須仍能正常工作。

根據(jù)當(dāng)今UPS產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平,以選用具有“雙總線(xiàn)輸入”和“雙總線(xiàn)輸出”供電功能的UPS冗余供電系統(tǒng)為宜。它是由如下幾部分供電系統(tǒng)所構(gòu)成的。

1?1“雙總線(xiàn)輸入”冗余式的輸入電源供電系統(tǒng)

由市電和備用發(fā)電機(jī)組所組成的雙總線(xiàn)輸入供電系統(tǒng)，它的基本配置為：由市電輸入電源＋備用發(fā)

電機(jī)組＋“自動(dòng)切換"控制柜＋輸入配電柜。自動(dòng)切換控制系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)視著各種輸入電源的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并確?？偸菍⑵渲凶羁煽康囊宦冯娫此偷経PS的輸入端。對(duì)于某些重要的IDC機(jī)房而言，其“應(yīng)急發(fā)電機(jī)”電源實(shí)際上是一套由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)＋發(fā)電機(jī)并機(jī)控制柜所組成的冗余式發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。為確保后接的“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)能絕對(duì)安全可靠地運(yùn)行，必須高度重視位于上述冗余輸入電源供電系統(tǒng)中的各種設(shè)備之間的“技術(shù)兼容性”和“切換參數(shù)”的正確設(shè)置。這是因?yàn)槿绻O(shè)備的選型和配置不合理或“切換參數(shù)”設(shè)置不當(dāng),就有可能造成后接的UPS供電系統(tǒng)“出故障”或出現(xiàn)對(duì)用戶(hù)負(fù)載的瞬間“供電中斷”的故障隱患。可舉例說(shuō)明此事。 1）由于某用戶(hù)的“1＋1”型UPS并機(jī)系統(tǒng)的輸入供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)欠妥，在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的運(yùn)行中似乎一切“正常”。然而，當(dāng)用戶(hù)的輸入變壓器的高壓側(cè)因故出現(xiàn)“瞬間跳閘”故障時(shí)，引起UPS中的電池組也發(fā)生“爆炸起火”故障；

2）由于所選配的“1＋1”型并機(jī)系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷(價(jià)格低),某用戶(hù)的“1＋1”型UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)，在輸入電源供電中斷又突然恢復(fù)正常供電時(shí)，或在同一電網(wǎng)上有人在作市電供電與備用發(fā)電機(jī)供電“互投切換”操作時(shí),就會(huì)出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：

——出現(xiàn)了這套UPS供電系統(tǒng)長(zhǎng)期處于對(duì)用戶(hù)負(fù)載提供“交流旁路電源”供電的故障狀態(tài)； ——其中的1臺(tái)UPS的逆變器進(jìn)入“自動(dòng)關(guān)機(jī)”狀態(tài),其持續(xù)時(shí)間為3～10s左右;

——整套“1＋1”UPS并機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)2～6s左右的“短暫停機(jī)”故障現(xiàn)象等。

在此說(shuō)明的是，對(duì)于－48V通信電源而言，由于它們已采用雙路三相交流電源供電體制及備有大容量的－48V電池組的緣故。一般是將這種冗余式的通訊電源的輸入端直接連接到IDC的冗余式輸入電源的輸出端上，而無(wú)需將它們連接到“N＋1”型UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)上，從而達(dá)到節(jié)省投資的目的。

1?2高可靠性的“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)

要想讓互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心具有365×24h的“全天候”運(yùn)行特性，對(duì)于向它提供電源的UPS產(chǎn)品的可靠性的要求是非?？量痰摹＿@是因?yàn)閷?duì)于可靠性?xún)H達(dá)99.999％的UPS產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它在一年中可能造成的互聯(lián)網(wǎng)的停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)316s，即使將UPS產(chǎn)品的可靠性提高到99.999999％，在一年中可能造成的停機(jī)時(shí)間仍有320ms之長(zhǎng)。對(duì)于IDC機(jī)房而言，如果真的發(fā)生長(zhǎng)達(dá)320ms的停機(jī)故障，它會(huì)帶來(lái)很大的損失。這是因?yàn)楫?dāng)前多數(shù)計(jì)算機(jī)所允許的瞬間供電中斷時(shí)間為10～18ms。否則，就會(huì)造成用戶(hù)的網(wǎng)控操作系統(tǒng)或運(yùn)行軟件遭到破壞。因此，要想讓IDC機(jī)房真正具備能提供365×24h的連續(xù)不間斷的運(yùn)行特性，絕不是當(dāng)今的UPS產(chǎn)業(yè)可提供的UPS單機(jī)所能達(dá)到的。迄今為止，我們只能制備出故障率越來(lái)越低的UPS產(chǎn)品。然而，還制造不出“故障率為零”的UPS產(chǎn)品。在當(dāng)今的技術(shù)條件下，采用“N＋1”型UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)是消除單點(diǎn)“瓶頸”故障的最佳供電方案。它是在確保各臺(tái)UPS單機(jī)的逆變器輸出電壓處于同幅度、同頻率和同相位的條件下(出現(xiàn)在各種UPS單機(jī)之間的“環(huán)流”等于零)，將“N＋1”臺(tái)具有相同輸出功率的UPS單機(jī)置于并聯(lián)輸出狀態(tài)來(lái)運(yùn)行的供電系統(tǒng)。

為使UPS并機(jī)供電系統(tǒng)具有必要的“容錯(cuò)”功能，要求用戶(hù)的最大負(fù)載量不應(yīng)超過(guò)N臺(tái)UPS單機(jī)的總輸出功率。當(dāng)UPS并機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，由“N＋1”臺(tái)UPS單機(jī)來(lái)平均分擔(dān)負(fù)載電流。當(dāng)某臺(tái)UPS出故障時(shí)，發(fā)生故障的那臺(tái)UPS通過(guò)執(zhí)行“選擇性跳閘”操作而自動(dòng)脫機(jī)，此時(shí),由剩下的N臺(tái)UPS繼續(xù)為用戶(hù)提供高質(zhì)量的逆變器電源。

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，隨著位于UPS冗余系統(tǒng)中的UPS單機(jī)數(shù)量的增加，它不但會(huì)造成整套UPS冗余并機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性逐漸地下降，而且還會(huì)導(dǎo)致整套UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)的“輸出功率的余量”也逐漸地減小(這意味著：UPS并機(jī)系統(tǒng)的抗輸出過(guò)載能力也在逐漸地降低)。因此，從應(yīng)用技術(shù)的角度看，用戶(hù)應(yīng)盡量地選用最可靠的“1＋1”型或“2＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)。為說(shuō)明此問(wèn)題，請(qǐng)參見(jiàn)表1。

表1某型號(hào)UPS多機(jī)冗余直接并機(jī)供電系統(tǒng)的可靠性并機(jī)方案1＋12＋13＋14＋15＋16＋1
系統(tǒng)輸出功率“余量”/％1005033252016
系統(tǒng)與單機(jī)的MTBF之比5.54.12.92.11.30.98
從表1可知，對(duì)“1＋1”型并機(jī)系統(tǒng)而言，其MTBF為單機(jī)的5.5倍。由此可見(jiàn)，采用冗余并機(jī)供電方案的確可使得整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性得到明顯的改善。然而，過(guò)份地增多單機(jī)的數(shù)量會(huì)造成并機(jī)系統(tǒng)可靠性的“巨大犧牲”，而且“6＋1”型并機(jī)系統(tǒng)的可靠性反而比單機(jī)的可靠性還低。

IDC機(jī)房用UPS冗余供電系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)（1）

圖2帶負(fù)載同步控制器LBS和STS的雙總線(xiàn)輸出UPS冗余 [!--empirenews.page--]

供電系統(tǒng)(力博特的UPS電源產(chǎn)品)

圖1經(jīng)濟(jì)型的雙總線(xiàn)輸入,雙總線(xiàn)輸出UPS冗余供電系統(tǒng)

表2互聯(lián)網(wǎng)的“帶寬”增值服務(wù)價(jià)格比較表網(wǎng)絡(luò)速率/bit/s≤64k64～128k128～256k256～384k384～512k512～768k768～1024k1024k～2M
網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)使用費(fèi)用11.31.82.43.34.56.17
網(wǎng)絡(luò)速率/bit/s2M～4M4M～8M8M～10M10M～20M20M～34M34M～100M100M～200M
網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)使用費(fèi)用91619305090150

1?3“雙總線(xiàn)輸出”型的UPS冗余輸出配電系統(tǒng)

為了消除可能出現(xiàn)在UPS并機(jī)系統(tǒng)輸出端與用戶(hù)端之間的“單點(diǎn)瓶頸”故障隱患，有必要配置UPS的雙總線(xiàn)輸出配電系統(tǒng)。其基本配置是由“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)(優(yōu)選“1＋1”或“2＋1”型并機(jī)供電方案)＋輸出配電柜＋負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)(LTS)所組成的UPS輸出供電系統(tǒng)。對(duì)于某些要求極高的的場(chǎng)所，還應(yīng)配置由負(fù)載同步控制器（LBS）＋兩套“N＋1”型UPS冗余供電系統(tǒng)所組成的具有極高“容錯(cuò)”功能的供電系統(tǒng)。鑒于目前在IDC機(jī)房中所用的服務(wù)器和磁盤(pán)陣列機(jī)等產(chǎn)品中有（30～50）％為采用“雙電源輸入供電”體制的產(chǎn)品，對(duì)于這些設(shè)備，可以直接將分別來(lái)自?xún)商?ldquo;N＋1”型并機(jī)系統(tǒng)的電源連接到這種“雙電源輸入設(shè)備”的兩個(gè)輸入端上。對(duì)于采用“單電源輸入供電”方式的關(guān)鍵負(fù)載，則是將分別來(lái)自?xún)商?ldquo;N＋1”型并機(jī)系統(tǒng)的電源首先連接到“負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”(常見(jiàn)的是STS型的靜態(tài)開(kāi)關(guān)和SS型的快速切換開(kāi)關(guān))的兩個(gè)輸入端上，然后再將用戶(hù)的關(guān)鍵設(shè)備連接到“負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”的輸出端上。兩種典型的雙總線(xiàn)輸入，雙總線(xiàn)輸出UPS冗余供電系統(tǒng)示于圖1和圖2中。

2選配具有高抗干擾性和優(yōu)良EMC特性的

UPS冗余供電系統(tǒng)

采用該供電系統(tǒng)是為信息網(wǎng)絡(luò)獲得100％的高“可利用率”(IDC和MDC機(jī)房中的信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“數(shù)據(jù)吞吐量”和“數(shù)據(jù)傳輸速率”均能達(dá)到這些設(shè)備的標(biāo)稱(chēng)工作值)而創(chuàng)造優(yōu)良的電源運(yùn)行環(huán)境。大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，UPS產(chǎn)品本身的電磁兼容(EMC)特性是否優(yōu)良，UPS供電系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種“干擾”能否被盡可能地減少，是決定互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的“誤碼率”是否被降低和網(wǎng)絡(luò)的“實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率”是否能被提高的重要原因之一。如果上述問(wèn)題處理不當(dāng)，會(huì)造成本來(lái)可以高速運(yùn)行的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)總是處于低速，小數(shù)據(jù)吞吐量的“降額使用”狀態(tài)(它意味著互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際“可利用率”極低)，從而造成信息資源的巨大浪費(fèi)。為說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)見(jiàn)表2。

從表2可知,如果因供電系統(tǒng)的抗干擾性能不好,從而迫使互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)入低速的“降額使用”狀態(tài)的話(huà)，它不僅會(huì)使得大量的網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)因“工作效率”下降而帶來(lái)巨大的“隱形經(jīng)濟(jì)損失”。而且，還會(huì)導(dǎo)致“電信和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商”的利潤(rùn)大幅度下降。

可舉例說(shuō)明電源“干擾”對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的“誤碼率”和“數(shù)據(jù)傳送速度”可能帶來(lái)的影響。例如，某用戶(hù)因過(guò)

CIRRUSLOGIC設(shè)計(jì)中心在深圳成立

CirrusLogic公司（納斯達(dá)克上市代號(hào)：CRUS）在深圳成立了一個(gè)新的電子設(shè)計(jì)及應(yīng)用中心，擴(kuò)大了其在音頻/視頻系統(tǒng)、個(gè)人錄像機(jī)，特別是中國(guó)迅速增長(zhǎng)的DVD市場(chǎng)等數(shù)字娛樂(lè)電子領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。

該設(shè)計(jì)中心將為CirrusLogic在中國(guó)的大量消費(fèi)電子客戶(hù)提供支持，加強(qiáng)對(duì)該地區(qū)某些關(guān)鍵時(shí)頻客戶(hù)的支持，并將Cirrus業(yè)務(wù)擴(kuò)大到全球增長(zhǎng)最快的中國(guó)電子市場(chǎng)。

份地考慮價(jià)格問(wèn)題而選用某種型號(hào)的UPS。在其局域網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，偶然發(fā)現(xiàn)，如果將UPS的逆變器關(guān)機(jī),讓UPS進(jìn)入由市電經(jīng)交流旁路通道供電的狀態(tài)時(shí)，則局域網(wǎng)的“數(shù)據(jù)包的傳送速率”反而比用UPS逆變器供電時(shí)的“數(shù)據(jù)包傳送率”還高的“反常”現(xiàn)象。造成這種“反常”現(xiàn)象的原因是，在這種UPS的輸出中存在有嚴(yán)重的“調(diào)制干擾”的緣故。因此，在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，考察一臺(tái)UPS質(zhì)量的高低時(shí)，不能只局限于它是否能確保不間斷地向用戶(hù)提供逆變器電源。這是因?yàn)?，即使我們?cè)谶x用這種型號(hào)的UPS產(chǎn)品時(shí)，表面上看起來(lái)，無(wú)論是UPS本身，還是互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備似乎都在“正常地”運(yùn)行著，它們并沒(méi)有造成互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)任何“停機(jī)”故障，然而，由于此時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是處于“低數(shù)據(jù)傳送速率”和“小數(shù)據(jù)吞吐量”的“低效運(yùn)行”狀態(tài)，也就是說(shuō)，在此條件下，不能充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的技術(shù)潛力，其惡果是造成互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際“可利用率”的急劇下降。

3選配同IDC的集中監(jiān)控系統(tǒng)“兼容性”

好的UPS冗余供電系統(tǒng)

為了滿(mǎn)足信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)IDC和MDC機(jī)房實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人值守管理和遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的需求，從而提高對(duì)UPS供電系統(tǒng)的“可管理性”，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō)，除本身應(yīng)配置對(duì)它的所有IT設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之外，還應(yīng)建立一套對(duì)“非IT設(shè)備”的集中監(jiān)控體系，以便對(duì)諸如空調(diào)機(jī)、配電柜、電池組、發(fā)電機(jī)組、漏水警報(bào)、安全系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控和分析。為此，要求所選用的UPS冗余供電系統(tǒng)應(yīng)配置有如下通信接口：

1）在UPS上配置RS232/RS485接口，Modem或SNMP適配器；

2）用于顯示UPS的工作狀態(tài)/報(bào)警信息的“繼電器干接點(diǎn)”型的輸出通信接口；

3）“用戶(hù)自定義”輸入信號(hào)(門(mén)禁、煙霧、溫度、濕度等報(bào)警信號(hào))的“繼電器干接點(diǎn)”型的輸入通信接口；

4）對(duì)各種“非IT設(shè)備”配置必要的數(shù)據(jù)采集器；

5）配置相應(yīng)的集中監(jiān)控和管理軟件包或通信協(xié)議。

利用上述的輸入/輸出通信接口和相應(yīng)的電源管理軟件或用戶(hù)現(xiàn)有的網(wǎng)管集中監(jiān)控系統(tǒng),就可以組成所謂的智能化IDC和MDC機(jī)房的集中監(jiān)控系統(tǒng)。在這樣的網(wǎng)管系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)的主要調(diào)控功能有：

1）調(diào)閱在UPS的LED/LCD顯示屏上所能觀察到的UPS的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)(例如：輸入/輸出電壓、電流、頻率、有功功率/視在功率、功率因數(shù)及電池組的充放電電壓/電流等參數(shù))；

2）“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心”所用的各種“機(jī)房環(huán)境調(diào)控設(shè)備”的“運(yùn)行大事記”(自各種設(shè)備開(kāi)機(jī)以來(lái)，按時(shí)序排列的，曾出現(xiàn)過(guò)的故障/報(bào)警/用戶(hù)所執(zhí)行過(guò)的操作等信息)；

3）萬(wàn)一發(fā)生故障時(shí)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)廣播報(bào)警(彈出報(bào)警窗口)，電話(huà)或手機(jī)的自動(dòng)撥號(hào)、自動(dòng)傳呼或發(fā)E－Mail等操作，以便通知值班人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)排除故障或維修；

4）對(duì)UPS的備用電池組執(zhí)行可編程的電池容量“自測(cè)試”操作，如果發(fā)現(xiàn)電池的“實(shí)有容量（Ah）"偏低時(shí)，還應(yīng)自動(dòng)發(fā)出“電池需要更換”的預(yù)報(bào)警信號(hào)；

5）將“用戶(hù)的自定義”報(bào)警信號(hào)(例如：溫度/濕度、門(mén)禁、消防等報(bào)警信號(hào))經(jīng)UPS的輸入通信接口被納入IDC機(jī)房或智能化樓宇的統(tǒng)一的集中監(jiān)控系統(tǒng)；

6）由IDC和MDC的主管當(dāng)局所指定的人員，根據(jù)不同的授權(quán)權(quán)限，分級(jí)“重新調(diào)整”/設(shè)置各種相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)或執(zhí)行遠(yuǎn)程的故障分析/診斷操作。