UPS 改造为基础设施护航

■ 北京 刘嘉琦 李洋

编者按：随着公司信息化发展的需要，业务的逐渐增多，支撑业务的基础设施也越来越多，因此支撑机房硬件设备的后备电源尤为关键。本文以实施UPS 改造工程为例，通过新建UPS 机房，增加UPS 设备，完成新老设备的业务不中断割接，消除了电力重大风险，保障了业务连续性和持久运行，最后给出在相关工作场景中的一些建议。

笔者单位共有内网和外网机房各一个，UPS 机房一个，其中安装有两台Galaxy 5000 40KVAUPS 不间断电源，每台由32个150 mA 电池作为后备，两路市电输入，UPS 各自单机运行，四路输出，同时为两个机房的AB 路分别提供电源保护，组成了2N 电源系统结构。在改造前已经连续运行超过10 年。

由于UPS 设备使用年限较长，设备内主要功率器件性能下降，而且UPS 系统单台负载率达到了80%，已经超过双路UPS 电源可承担最大负载量，存在电源过载风险，因此需要对UPS 系统进行改造，提高整个UPS 系统的安全性，并满足未来机房负载增长的容量需求。

图1 改造前UPS 系统架构图

改造前架构及存在问题

改造前2 台UPS 单独运行，同时为两个机房提供双路电源保护。这两台UPS 互为备份，正常情况下同时运行均分负载，按照系统设计要求，每台UPS 应该都能承担全部机房负载，一旦有1 台UPS断电，全部负载会无缝切换到另外一台UPS，以保证机房IT负载能连续运行。但是改造前两台 40KVAUPS 负载率非常高，电源容量失去备份能力，如果有1 台UPS 输出断电，全部负载将切换到另外一台UPS，造成那台UPS 系统出现过载情况，使UPS 系统无法支持机房负载的供电保护。两台的负载量分别 为27.1 KVA/23.9 KW 和29.4 KVA/26.8 KW，总负载量为56.5 KVA/50.7 KW，系统架构图如图1 所示。

改造前外网机房由于PDU 插座数量有限，已接近饱和，需要重新部署PDU 和配电柜，以保障设备有足够的电源插座。

图2 改造后架构图

方案设计及改造后架构

1.负载计算

改造后的UPS 采用2（N+1）结构，能最大限度的提供电保护。外网机房机柜数量24个，按照每个机柜负载量2 KW 计算，外网机房的预计负载容量约40 KVA，最大负荷电流约70 A。外网机房的现有负载约23 KW，按照负载容量增加一倍考虑，内网机房的预计负载容量约40 KVA，最大负荷电流约70 A。因此当前总负载57 KVA 预计负载80 KVA，所以单台UPS 容量80 KVA，可满足机房负荷增长需求。安装2 台模块化96 KVA（80 KVA+16 KVA）UPS，组成2（N+1）UPS 电源系统。

2.系统架构

图3 新建UPS 机房结构图

新UPS 系统中的一台UPS 为两个机房的A 路供电，另一台UPS 为两个机房的B路供电。外网机房重新部署PDU 插座，内网机房延用原有PDU 并且使每台80 KVA UPS 达到满载（负载功率因数0.9，负载72 KW）情况下，电池后备时间1 h，改造前2台UPS 的电池组利旧，并且在此基础上，增加UPS 电池组。当2 台UPS 同时带载运行情况下，电池后备时间大于2 h。此次改造选用了PX160K 型号模块化UPS，实际安装96 KVA 模块，其余模块插槽空余方便日后扩容需求，改造后的UPS 系统架构如图2 所示。

考虑新UPS 系统的承重问题，因此选择在公司B2 层新建UPS 配电机房，安装新的2 套UPS 和电池组。这样，机房的建设、布线以及新UPS的调制在系统割接前均是独立进行的，对正在运行的系统并无影响，因此保障了系统运行的连续性。图3 为机房的布局图。

3.互投设计

公司两路市电输入，如遇到一路市电故障时，或者因为电力施工需要单路市电供电时，UPS 正常功能不能受影响。因此在UPS 输入配电柜上做了互投设计，配置了ATS 开关，这样即使市电输入只有一路的化也可将单路供电分别作为两路UPS 的市电输入，进而不需要启动电池供电。这样可以应对长时间的市电单路供电，保障业务系统正常运行不断电，系统结构如图4 所示。

新旧系统割接

1.风险应对

（1）电源割接的风险应对

割接过程中要求业务系统要连续运行。机房电源分配柜总开关切换到新UPS 电源时，需要机房A 路、B 路电源交替停电进行电缆割接，割接过程中机房单电源负载会出现断电情况，双电源负载会在切换期间只有一路电源供电。新96 KVA UPS 输出至机房分配柜的4 根输出电缆在电缆割接前敷设完成，UPS 输出端先连接完成，做好加锁挂牌和绝缘防护，以减少电缆割接的停电时间。

双电源负载设备要提前检查电源线连接，保证双电源连接在两路不同UPS 电源插座上。为避免机房的单电源负载设备在电缆割接时出现断电情况，需检查和调整单电源负载设备连接在保持供电的那一路电源插座上。在保证施工安全的前提下，缩短电缆割接的时间，并安排业务量不重要的时间段进行机房分配柜电缆割接。做好数据备份和技术保障工作。

（2）UPS 过载的风险应对措施

外网机房和内网机房电源分配柜割接分步进行。外网机房电源割接过程中，原2 台40KVA UPS 电源正常供电，机房IT 设备只是更改电源线时会短时单路供电。外网机房电源配电改造后，外网机房的IT 负载将由2台新增PX96 KVA UPS 来供电。由于外网机房的IT 负载已经由PX96 K UPS 承担，2 台40 KVA 只承担内网机房的负载约23 KVA，当断电一台内网机房的电源分配柜进行总进线电源割接时，内网机房的全部负载切换到一台40 KVA UPS 带载时，不会造成40 KVA UPS 过载。

由于2 个机房电源割接分步进行，不会出现40 KVA UPS 过载问题，所以电源割接时不需要将机房IT 设备停机来降低负载量。

（3）两个机房同时一路停电的风险应对措施

图4 市电输入配电柜互投设计

现有2 台40 KVA UPS 同时为外网机房和内网机房负载提供电源保护，从UPS 内部输出开关至机房电源分配柜总开关之间，没有输出支路开关。在机房电源分配柜电缆割接时，UPS 输出停电会使两个机房A 路电源同时断电，无法做到两个机房电源割接分开进行。

外网机房和内网机房电源分配柜割接分开进行。通过在外网机房新增2 个PMM精密列头柜，重新敷设到每个机柜的2 路电源和机柜电源插排，在不影响40 KVA UPS 运行情况下，逐步将外网机房的IT 负载转由2 台新增PX96 KVA UPS 来供电。新增PX96 KVA UPS 配电柜有多个输出分路开关，至内网机房的输出开关保持断开状态，便于内网机房的两路电源分配柜分别进行进线电缆割接。由于2 台40 KVA 只承担内网机房的负载，所以40 KVA UPS 输出断电进行电缆割接时，只会使内网机房的一台电源分配柜断电，此时外网机房负载由PX96 KVA UPS 供电，不会影响到外网机房负载。

（4）更换外网机房电源插座的风险应对措施

更换机柜电源插座，需要电源插座逐个停电来完成，而且原机柜电源插座是电缆线直接接到配电柜支路开关上，中间没有插座或连接器。

新机柜电源插座，将由外网机房新增PMM 精密列头柜来供电，还将重新安装强电线槽和敷设支路电源电缆、工业连接器，安装过程中不影响原机柜电源插座的供电。PMM 精密列头柜和机柜插座安装完成后，将每个机柜、每个IT 设备逐个将电源改到新的PMM 精密列头柜供电。

（5）内网机房割接中电池后备计算

电源割接需要按每路割接，并且确保所有双路电源的设备不断电，业务连续性不受影响，因此在断掉其中一路电进行割接时需要考虑后备电源是否能得以应急。在进行内网机房输出分配柜进线电源从40 KVA UPS 割接到新PX160 KVA 模块化UPS实施步骤时，需要将一路UPS供电停电进行配电柜电缆割接，届时内网机房全部负载由一台40 KVA UPS 承担。

Galaxy5000 UPS 容量40 KVA，UPS 最大输出有功功率=40 KVA×0.8=32 KW 电池后备时间计算，按内网机房的实际负载23 KW 计算，电池供电时UPS 逆变器效率η ＝0.95，UPS 额定直流电压DC ＝12 V×32=384 V，每组电池只数=32 只12 V电池，每组电池2V 单体数CELLS ＝32×6 ＝192 个2 V 单体，选用电池型号为施耐德M2AL12-150，12 V-150 Ah 电池按照UPS 电池放电截止电压335 V 计算，单体电池最低放电电压为1.75 V。电池组需要提供的总功率＝32 KW×100% 负载/0.95 ＝24 210 W，UPS 配置1 组×32只电池，则每只12 V 电池需要提供的功率＝24 210 W/32只/1 组＝756.6 W/ 只，每电池2V 单体需要提供的功率＝24210 W/192cell/1 组＝126.1 W/cell。查阅电池参数得知，在单体终止电压为1.75 V（10.5 V/ 每只电池），放电时间为1 h 情况下，单体放电功率为190 W/CELL(单体)>126.1 W/cell 的电池放电功率需求，所以每台Galaxy5000 40 KVA UPS，在配置1 组32 只150 mAh 电池。在承担23 KW 内网机房全部负载情况下，UPS 后备电池时间将超过1 h，实际能达到1.5 h 以上。这段时间足可以完成割接工作，因此可以应对割接中的电力风险。

2.割接过程

在UPS 机房建设完成后，外网机房安装精密列头柜和PDU 电源插座，调试完成后正式上电，2 路PMM 列头柜供电，启动割接工作。

首先将机柜设备的AB 两路电源依次通过插拔插座的方式切换到机柜的新PDU 上，这样完成了外网机房的负载迁移，全部由旧UPS 迁移到了新UPS 上。

然后内网机房A 路电源分配柜进线电源切换到新UPS 上，新UPS 单路完全接管了内网机房负载后将第一台40 KVA UPS 停机拆电池，再将内网机房B 路电源分配柜进线电源切换，完成后第二台40 KVA UPS 停机拆除。这样全部负载均且换到了新UPS 上。

最后将两台旧UPS 拆下来的电池加入新UPS 的电池组中利旧，拆除外网机房旧配电柜和PDU，完成了割接工作。

改造过程中所有双电设备均未断电，所有IT 业务均未受到影响，改造后两台UPS的负载率分别在35%和39%，实现了2N+1 系统，可以支持未来3～5 年内公司的IT业务发展，化解了UPS 负载过高给基础设施带来的重大风险。

思考与建议

随着IT 技术越来越快的发展，对应硬件设备的增量也是越来越快的，负载的增加速度会越来越快。这样在选择UPS 时候应该考虑动态增量问题，对于传统定负载量的UPS 来说，一次升级费时费力。因此在初期建设时选择模块化设备，按需预留，可以实现热插拔，有负载增加即可实现实时扩容。单位此次UPS 改造中所采用的PX160 KVA UPS 总负载可以达到160 KVA，每个模块16 KVA 用了6 个模块共96 KVA 来实现2N+1 系统，剩下4 个空余模块以备日后业务发展，随时增加。

在硬件IT 设备选购上尽量采用双电设备，这样即使遇到故障单路供电也不会影响业务。对于无法实现双电的设备要合理分配好A 路和B 路，不要只让负载在单独一路上，这样两台UPS 所带负载就会出现不均衡的现象。

在整体基础设施维护中建立报警和监控机制是尤为重要的，部署相应的环控系统，即时监控温度、湿度、漏水、电压电流、每个PDU 的负载量等参数，遇到异常及时发出报警，通过微信短信的方式，及时排除隐患，防控重大风险。

针对UPS 所可能出现的各种故障，需要建立相应的应急响应机制和联动措施，一旦UPS 有故障，按照相应的处置联动措施进行处置，快速严格执行，避免因电力问题导致IT 业务中断，此类问题很有可能带来设备硬件损坏或者数据丢失等重大事故。做好UPS 系统的维护和更新，化解后备电力对基础设施带来的重大风险。