IDC机房用UPS冗余供电系统的配置和设计

摘要：衡量IDC机房的设计和配置水平高低的重要标志之一是，不但要看它的UPS冗余供电系统是否具有高可靠性、高抗干扰性、高抗自然灾害的能力及易“可管理性”，还要看它能否为IDC设备获得100％的高“可利用率”，创造出优良的电源运行环境。

关键词：互联网数据中心；多媒体数据中心；不间断电源冗余配置与设计

1选配具有优异“容错”功能的UPS冗余

供电系统

众所周知，互联网数据中心(IDC)和多媒体数据中心(MDC)是高速互联网的调控中心。用户对它们所承担的对信息资源(数据、语音和图象信息)的远程处理、存储和转送的“时效性”要求极高。那怕是仅几秒钟的“停机”均会给整个互联网的安全运行和用户的生产经营带来无法估量的损失。严重时,甚至会造成社会和经济生活的严重瘫痪。因此，IDC必须向用户提供365×24h连续不断的高速、安全和可靠的信息资源增值服务。为达此目的，从设计原则上讲，承担着向IDC机房供电任务的整个电源系统都必须采用具有高度“容错”功能的冗余式的供电方案，以确保无论是在市电电网出故障时或是在某台“双变换、在线式UPS电源的逆变器发生故障时，还是在进行日常维护/检修操作时或因故致使保险丝烧毁/断路器开关“跳闸”时，互联设备均应由“在线式UPS”的逆变器电源来供电，而不应进入由普通的市电电源/应急备用发电机组经UPS的交流旁路来供电的状态。这是因为只有“在线式UPS”的逆变器电源才有可能向用户的负载提供同时具有稳压、无频率“突变”，无干扰和波形失真度极小的高质量正弦波电源。对于包括后备式UPS，在线互动式UPS在内的“非在线式UPS”来说，它们主要对输入电源的电压进行调整，对输入电压的频率波动，各种电源干扰和电压失真度并无“实质性”的改善。这就意味着，在整个供电系统中，不应存在单点“瓶颈”故障隐患。为此，应尽可能地配置具有高度“容错”功能的UPS冗余供电系统。也就是说，在这种UPS供电系统的运行中,即使遇到某些“部件”偶然发生“故障”时,整个UPS供电系统必须仍能正常工作。

根据当今UPS产业的技术发展水平,以选用具有“双总线输入”和“双总线输出”供电功能的UPS冗余供电系统为宜。它是由如下几部分供电系统所构成的。

11“双总线输入”冗余式的输入电源供电系统

由市电和备用发电机组所组成的双总线输入供电系统，它的基本配置为：由市电输入电源＋备用发

电机组＋“自动切换控制柜＋输入配电柜。自动切换控制系统时刻监视着各种输入电源的实时运行状态，并确保总是将其中最可靠的一路电源送到UPS的输入端。对于某些重要的IDC机房而言，其“应急发电机”电源实际上是一套由多台柴油发电机＋发电机并机控制柜所组成的冗余式发电机供电系统。为确保后接的“N＋1”型UPS冗余供电系统能绝对安全可靠地运行，必须高度重视位于上述冗余输入电源供电系统中的各种设备之间的“技术兼容性”和“切换参数”的正确设置。这是因为如果设备的选型和配置不合理或“切换参数”设置不当,就有可能造成后接的UPS供电系统“出故障”或出现对用户负载的瞬间“供电中断”的故障隐患。可举例说明此事。 1）由于某用户的“1＋1”型UPS并机系统的输入供电系统的设计欠妥，在长达数年的运行中似乎一切“正常”。然而，当用户的输入变压器的高压侧因故出现“瞬间跳闸”故障时，引起UPS中的电池组也发生“爆炸起火”故障；

2）由于所选配的“1＋1”型并机系统存在设计缺陷(价格低),某用户的“1＋1”型UPS冗余并机系统，在输入电源供电中断又突然恢复正常供电时，或在同一电网上有人在作市电供电与备用发电机供电“互投切换”操作时,就会出现如下故障现象：

——出现了这套UPS供电系统长期处于对用户负载提供“交流旁路电源”供电的故障状态； ——其中的1台UPS的逆变器进入“自动关机”状态,其持续时间为3～10s左右;

——整套“1＋1”UPS并机系统出现2～6s左右的“短暂停机”故障现象等。

在此说明的是，对于－48V通信电源而言，由于它们已采用双路三相交流电源供电体制及备有大容量的－48V电池组的缘故。一般是将这种冗余式的通讯电源的输入端直接连接到IDC的冗余式输入电源的输出端上，而无需将它们连接到“N＋1”型UPS冗余并机供电系统上，从而达到节省投资的目的。

12高可靠性的“N＋1”型UPS冗余供电系统

要想让互联网数据中心具有365×24h的“全天候”运行特性，对于向它提供电源的UPS产品的可靠性的要求是非常苛刻的。这是因为对于可靠性仅达99.999％的UPS产品来说，它在一年中可能造成的互联网的停机时间长达316s，即使将UPS产品的可靠性提高到99.999999％，在一年中可能造成的停机时间仍有320ms之长。对于IDC机房而言，如果真的发生长达320ms的停机故障，它会带来很大的损失。这是因为当前多数计算机所允许的瞬间供电中断时间为10～18ms。否则，就会造成用户的网控操作系统或运行软件遭到破坏。因此，要想让IDC机房真正具备能提供365×24h的连续不间断的运行特性，绝不是当今的UPS产业可提供的UPS单机所能达到的。迄今为止，我们只能制备出故障率越来越低的UPS产品。然而，还制造不出“故障率为零”的UPS产品。在当今的技术条件下，采用“N＋1”型UPS冗余并机供电系统是消除单点“瓶颈”故障的最佳供电方案。它是在确保各台UPS单机的逆变器输出电压处于同幅度、同频率和同相位的条件下(出现在各种UPS单机之间的“环流”等于零)，将“N＋1”台具有相同输出功率的UPS单机置于并联输出状态来运行的供电系统。

为使UPS并机供电系统具有必要的“容错”功能，要求用户的最大负载量不应超过N台UPS单机的总输出功率。当UPS并机系统正常工作时，由“N＋1”台UPS单机来平均分担负载电流。当某台UPS出故障时，发生故障的那台UPS通过执行“选择性跳闸”操作而自动脱机，此时,由剩下的N台UPS继续为用户提供高质量的逆变器电源。

大量的运行实践表明，随着位于UPS冗余系统中的UPS单机数量的增加，它不但会造成整套UPS冗余并机供电系统的可靠性逐渐地下降，而且还会导致整套UPS冗余并机系统的“输出功率的余量”也逐渐地减小(这意味着：UPS并机系统的抗输出过载能力也在逐渐地降低)。因此，从应用技术的角度看，用户应尽量地选用最可靠的“1＋1”型或“2＋1”型UPS冗余供电系统。为说明此问题，请参见表1。

表1某型号UPS多机冗余直接并机供电系统的可靠性并机方案1＋12＋13＋14＋15＋16＋1
系统输出功率“余量”/％1005033252016
系统与单机的MTBF之比5.54.12.92.11.30.98
从表1可知，对“1＋1”型并机系统而言，其MTBF为单机的5.5倍。由此可见，采用冗余并机供电方案的确可使得整个供电系统的可靠性得到明显的改善。然而，过份地增多单机的数量会造成并机系统可靠性的“巨大牺牲”，而且“6＋1”型并机系统的可靠性反而比单机的可靠性还低。

IDC机房用UPS冗余供电系统的配置和设计（1）

图2带负载同步控制器LBS和STS的双总线输出UPS冗余