数据中心机房U P S供电系统可靠性研究与应用

武书军，黄长江，李 瀚

（1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.上海电力学院，上海 200090）

0 引言

随着加快坚强智能电网建设步伐，电力企业对信息通信系统的依赖度越来越高，对数据中心UPS系统可靠性提出了更高的要求。在信息系统运行中，如果出现超过20ms以上的瞬间供电中断故障，就会导致服务器、小型机、网络设备等用电设备出现重启或宕机，从而导致网络瘫痪、数据丢失、业务系统停止服务等重大信息安全事故。一旦出现这种局面，信息网络系统恢复正常工作往往需要较长时间，短则几十分钟、长则几个小时，使信息事故的影响面急剧扩大。提高数据中心UPS供电可靠性对信息系统安全运行至关重要。

1 数据中心机房设备分类及用电特点

数据中心机房设备包括网络交换机、路由器、服务器、小型机、存储设备等，按电源类型分为单电源设备和冗余电源设备。单电源设备指只有一个电源模块，一旦供电出现问题或者电源本身出现问题，设备就会宕机。冗余电源设备有多个电源模块 （一般为1+1冗余，称双电源设备），多个电源模块平均承担系统负荷，一个电源模块出现问题停止供电时，剩余的电源模块便承担所有的电源负载，设备供电可靠性高。

2 常见UPS冗余供电模式

2.1 串联单总线供电模式

两套UPS系统分别作为UPS主机和UPS备机，UPS备机的输出作为UPS主机的静态旁路电源，这就是主备冗余供电，也叫双机串联冗余供电，如图1所示。正常运行时由主机供电，备机处于空载备用状态。主机故障时，负载切换到主机旁路，由备机承担负载供电。

图1 串联单总线供电模式

这种方式可以在保留现有UPS的情况下，对无冗余的UPS系统进行扩充改造，以获得一定程度的冗余。只要UPS主机具有独立的静态旁路输入口，就可以很容易地实现UPS主、备机冗余供电。在这种UPS供电模式中，产品的选择很灵活，可以混用不同制造商或不同型号的产品，在系统负载不能超过单机容量情况下，也可使用同性能而不同容量的UPS串联，非常方便，改造成本很低，容易实现。同时，这种供电模式中的热备份系统不需外加任何外部设备，故障点相对较少，可以方便地实现现场安装调试以及日常维护。

此模式结构及控制简单，但是由于在正常工作状态下，所有的负载全部由主机供电，备机处于空载运行状态，长时间运行，会导致主、备机的老化程度不一样。当主机转换到旁路时，备机必须能够处理突然的负载变化，由于备机长期工作在零负载的状态下，所以，这种突然负载变化要求UPS单机必须具有优良的带阶跃性负载能力。 此外，这种供电模式另外一个重要缺点是存在单点（主机静态旁路）故障隐患。

2.2 并联单总线供电模式

将两台或多台UPS设备的输出并联，即将UPS的逆变器并联运行，组成“N+1”冗余并联系统［1］，如图2所示。 正常运行状态下，两台（或多台）逆变器同时向负载均分供电；当其中一台故障时，该UPS从供电系统中脱离，负载由剩余逆变器按新的比例分配，不间断供电。

图2 并联单总线供电模式

并联冗余模式有许多优点，一是提高了容错性能。 当UPS正常运行时，N+1台UPS平均承担负载供电，当某台UPS出现故障时，剩余N台UPS具有足够的带载能力分担原N+l台的供电负载［2］。对于UPS系统而言，仍然为后端负载提供纯净、稳定的逆变电源。二是并联冗余模式可以实现在线维护UPS，可以在UPS系统不间断供电的情况下，对并机系统中的单台UPS实现不带电维护操作。三是大大提高了UPS系统可靠性。

在UPS并联方式下，因为诸多原因，如电网的频率扰动、负载扰动等，都会引起UPS状态的变化。由于各台UPS输出量参数难以保持完全一致，导致各UPS在向负载供电同时，还会在UPS内部的逆变器间形成环流，当环流过大，将直接危及逆变器安全引发故障。此外，并联冗余供电模式中UPS逆变器输出端到负载之间仍然存在“单点瓶颈”故障隐患。

2.3 双总线供电模式

为了克服单总线供电模式会造成单点故障的缺点，可采用双总线供电，此种UPS供电模式如图3所示，其最大的特点是同时提供两路互不影响的供电总线，为负载提供完全独立的电源［3］。双总线供电模式的每一路可以是单台UPS，也可以是N台UPS（N≥2）。 双电源负载可分别接两路电源。对于单电源负载，静态转换开关（Static Transfer Switch，简称STS）成为必选。STS为电源二选一自动切换设备，正常工作状态下，当主电源处于正常的电压范围时，负载一直连接在主电源上。 当主电源发生故障时，负载通过STS自动切换到备用电源。当主电源恢复正常后，负载又会自动切换到主电源。与传统的自动转换开关（Automatic Transfer Switch，简称 ATS）不同，静态转换开关提供快速负载转换（一般为1/4周期），保证精密的电子设备不间断工作。

图3 双总线供电模式

双总线供电正常运行时，两路总线分别向负载同时供电，双电源负载的两个电源模块协同工作、同时供电，而单电源负载由STS供电。 当一路总线故障时，双电源负载接在另一路总线的电源模块承担整个负载，而单电源负载则由STS自动判断后实现不间断供电。UPS双总线供电模式消除由于设备、器件、线缆等因素而存在的单节点故障隐患，但是由于需要双市电输入和双（多）套UPS系统并联部署，大大增加了电源建设成本和占地空间，适用于为重要的数据中心提供电源［4］。

3 双总线供电模式应用

双总线供电模式在省级电网公司数据中心的供配电系统得到了广泛应用。为了满足供电高可靠性的要求，可对几种供电模式进行组合，提高安全系数。 在资金投入或者场地空间方面有限的情况下，可以选择双总线供电模式［5］。例如，某省级电力公司数据中心机房扩容改造，机房面积增加300 m2，新增两台400 kVA UPS，电池后备时间2 h。由于UPS室空间有限，在保证UPS供电安全可靠的前提下，尽量精简设备，选择单机双总线“交叉旁路模式”，一台UPS的旁路电源取自另一台UPS的主路市电输入，如图4所示。 UPS的旁路与主路电源来自不同市电，当一路市电或一台UPS出现问题时，始终保持负载有两路电源供应。这种供电模式灵活的调整了双总线供电模式的市电输入，供电可靠性提高的同时，减少设备投入及占地空间。

图4 双总线交叉旁路模式

4 结语

任何解决方案和规划都是有条件的，有其特定的使用环境，也就是有其局限性。 虽然采用的是同一个名称，但具体的设计细节千差万别。 在设计机房UPS供电系统时，既要考虑供电系统的可靠性、灵活性，又要兼顾考虑资金投入或者场地空间因素，为信息通信系统提供可靠、可行的UPS供电系统解决方案。 为进一步保障UPS系统安全运行，故障能被及时发现，应为UPS供电系统配备故障监测报警装置，通过监控系统实时监控UPS系统运行状态，第一时间准确定位故障原因，及时进行应急处置。

［1］王其英.UPS冗余并联与双总线连接供电方案（一）［J］.电源技术应用，2009（2）：38-40.

［2］赵建统，梁树坤.UPS电源的现状、发展及选配［J］.电源世界，2008（10）：21-23.

［3］盖润生，魏子良.大型数据机房UPS电源系统的可用性研究［J］.电信工程技术与标准化，2007（6）：60-62.

［4］南惠蓉，樊保国.UPS电源的几种接线方式在工程中的应用［J］.石油化工应用，2008（4）：87-89.

［5］梁贵毅，谢敏.核心机房高可靠性UPS电源系统设计与分析［J］.移动通信，2012（8）：69-72.