电子信息机房UPS供电方式的选择

2011-05-11原媛，赵楠

通信电源技术 2011年2期

原媛，赵楠

（1.上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海200092；2.天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）

0 引言

电子信息机房作为银行和政企用户数据中心、互联网数据中心，直接关系国家和人民生活的各个方面，其安全可靠性是非常重要的。而目前电网的安全可靠性尚无法达到电子信息机房的要求，因此UPS系统在电子信息机房中得到了广泛的应用。近年来，由于电子信息机房功率密度的不断增加和对供电可靠性要求的不断提高，使得UPS电源系统投资在电子信息机房投资中所占的比重也越来越大。因此，如何经济合理地针对不同等级的电子信息机房选择不同的UPS供电方式成为电源设计中的关键问题之一。

在大型电子信息机房的设计中，为避免由于UPS单机系统故障或检修形成的单点故障影响通信设备的供电可靠性，要求UPS系统具有冗余能力。根据《电子信息系统机房设计规范》（GB50174－2008）“附录 A各级电子信息系统机房技术要求”，A级机房应配置2 N 或M（N＋1）冗余（M＝2、3、4……）的不间断电源系统，B级机房应配置“N＋X”冗余（X＝1～N）。因此，本文对满足上述规范中A级、B级机房要求的常用UPS供电方式进行比较分析。

1 UPS系统供电方式

电子信息机房中常用的冗余UPS供电方式包括“N＋1”系统2 N系统、以及模块化UPS系统。

1.1 “N＋1”系统供电

“N＋1”系统是采用“N＋1”台UPS主机并联后共同为后级负载供电的方式，各台UPS均分负载，没有主备机之分，系统额定输出功率为N台UPS主机输出功率之和。当一台UPS的逆变器出现故障时，立即自动脱机，负载由余下的UPS均分，不存在切换问题，见图1。

“N＋1”系统可避免单台UPS主机供电形成的单点故障，但在UPS主机并联运行时，系统容易出现环流，为保证系统的稳定运行，N一般小于3。

1.2 2N双总线系统供电

2 N双总线系统是将UPS主机组成2套UPS系统，其中每套UPS系统由N台UPS主机并联；2套UPS系统分别向2个独立输出系统供电，UPS输出总线总是保持同步，见图2。

2 N双总线系统能够避免UPS系统输出的单点故障，即从UPS输出端到通信设备之间均为双路由，不存在单点故障。常用的2 N双总线系统有单机双总线（N＝1）和双机双总线（N＝2）两种方式。对于双机双总线系统，每套系统中的2台UPS主机均分该系统的负载。如图2所示，对于2 N双总线系统，后级双电源设备可从两套UPS系统分别引接2路独立的电源；单电源设备则通过静态转换开关STS接到两套UPS系统，并优选其中一套UPS系统为供电主回路，另一套为供电备用回路。

1.3 模块化UPS系统供电

图3 模块化UPS系统供电方式拓扑图

模块式UPS是一种新兴技术，近年来开始应用于一些电子信息机房中。它由UPS机架和机架内可热插拔的多个UPS模块构成，各UPS模块采用并联的方式运行。最初的UPS模块为功率模块，仅包括整流、滤波、充电、逆变器等部分，机架内所有UPS模块共用一个静态旁路。机柜内包括一个监控模块，作为用户开关UPS主机和进行网络化监控的平台。随着模块化UPS技术的发展，出现了一种完全模块化UPS，即每个单体模块内都装有整个UPS电源与控制电路，包括整流器、逆变器、静态旁路开关及附属的控制电路、CPU主控板，每个UPS模块均有独立的管理显示屏，控制系统可以实现对每个模块的管理。模块化UPS电源具有“N＋X”的架构特性，可通过配置模块的数量来实现系统的冗余性。模块化UPS系统拓扑图如图3所示。

2 UPS系统供电方式比较

2.1 系统效率比较

UPS系统冗余度的提高可以增加系统的可靠性，但同时也使系统效率有所降低。

对于“N＋1”系统来说，为保证1台UPS故障时，剩余N台UPS也能正常供电，当“N＋1”台UPS正常工作时，每台主机平均负荷不能超过最大总负荷的N／（N＋1）（当 N＝1时，为50%；当 N＝2时，为66.7%；当N＝3时，为75%）。UPS主机负载率的降低会导致整个UPS系统效率降低。这不仅造成了设备浪费，还会因为电源设备发热量的增加而导致空调负荷的增加，使机房的PUE值（即通信设备耗电与机房总用电的比值）降低，不利于节能。2 N双总线系统是将后级负荷分配到2套UPS系统上，因此2套UPS系统正常工作时，每套UPS系统平均负荷约为满负荷的50%，同样存在系统效率偏低的问题。

模块化UPS系统采用了模块备用的方式，备用模块的功率相对于UPS系统的总功率来说比例较小，另外模块的数量也可以根据后级负荷的大小确定，这样就提高了单个UPS模块的负载率，从而使系统效率得到提高，达到了节能的效果。

2.2 设备投资比较

表1以400kVA UPS系统为例，对不同供电方式下UPS设备投资作了比较。表中的投资比为设备总价与1台200kVA塔式UPS主机的价格比。

表1 不同供电方式下UPS设备投资比较

由表1可知，“2＋1”UPS系统的投资最低；“1＋1”UPS系统与单机双总线UPS系统的投资相同，但由于单机双总线UPS系统具有两套独立的UPS输入输出配电系统、后级的单电源设备需要增加STS，因此整个供电系统的投资大于“1＋1”UPS系统；模块化UPS系统投资较大，双机双总线系统投资最大。

2.3 容错性能比较

UPS系统的容错性能是由该系统能够承受单点故障的次数来体现的。仍以400kVA UPS系统为例，对容错性能比较如表2所示。

表2 UPS系统容错性能比较

由表2可知，双机双总线系统和模块化UPS系统容错性能最好；对于模块化UPS来说，备份模块比例越高，其容错的能力也就越高。而在系统总容量相同的情况下，采用“2＋1”系统要比“1＋1”系统和单机双总线系统有更高的容错性能。在一些应用情况下，采用单机双总线与“1＋1”并联相比，容错性能反而会下降，比如后级单电源设备需增加STS，这样就在电路中多了一个单点故障；当机房双电源设备和UPS系统不同的回路同时出现故障时会造成设备全部断电。

2.4 可用性比较

可用性是指在规定的时间间隔内设备正常工作时间所占的百分比。其表达式如下：

式中，A为可用性，MTBF是设备的平均无故障时间，MTTR是设备的平均修复时间。由上式可以看出，提高UPS系统可用性的途径有两个：提高MTBF和减小MTTR。

随着UPS设备技术的成熟，通过提高设备质量以增加MTBF值的办法已收效甚微，因此减小MTTR是提高系统可用度的有效途径。在减小MTTR这点上，模块化UPS非常有优势，它可以在线更换，因为模块的规格统一，具体的实施很简单，更换时间极短，几分钟内可以完成。相比之下，传统机型是修机器、换板子，从判断故障现象到更换完成、排除故障、设备正常运行，需依技术人员的水平而定，几小时至几天不等，使得系统可用性有所降低。