广电数据中心UPS系统设计

2022-02-06陈旭

通信电源技术 2022年21期

陈旭

（江苏省广电有线信息网络股份有限公司镇江分公司，江苏镇江 212000）

0 引言

随着广电行业的蓬勃发展，对广电数据中心的供配电系统提出了更高的要求，其中不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统至关重要，是保证供配电系统稳定运行的关键，是实现广播电视安全播出不间断和各项业务稳定运行的重要保障。根据《广播电视安全播出管理规定》中供配电系统的相关规定，地市级的广电数据中心应达到3级保障要求，但是结合安全播出的重要性，一般按照2级保障来设计，即接入2路外电，主要播出负荷采用UPS供电，UPS电池组后备时间应满足设计负荷工作30 min以上。

1 UPS系统组成

UPS中包含蓄电池组来存储电能，为一些关键的负载设备提供不间断的稳定电源。当市电因故障停电时，UPS立即切换至蓄电池组直流供电，可以提供一定时间的电源，通过逆变转换输出交流电向负载维持供电；当市电正常输入时，部分UPS还可以对市电质量进行优化，同时给蓄电池组进行充电。

UPS系统主要由5部分组成，即输入电路、整流器、逆变器、静态开关以及蓄电池组。UPS的输入电路主要包含市电主路输入、市电旁路输入、电池组直流输入。整流器是交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）转换的装置，将交流转换为直流，并进行稳压。整流器可以在市电输入变化时控制输出幅度，保持输出的整流电压基本不变。逆变器是直流 /交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）转换的装置，将直流电源转换成稳压稳频的交流电为负载供电。逆变器是UPS的核心部件，其性能直接决定了UPS的输出效率和性能指标。静态开关作为主电源逆变输出和旁路电源的电子控制装置，能够实现不间断自动切换。当逆变器故障或过载时，能够零延时自动切换至旁路输出。蓄电池组是UPS用来存储电能的装置，是UPS系统不间断供电的重要组成部分。当市电正常时，蓄电池组处于充电状态；当市电故障时，蓄电池组将电能释放供给逆变器。蓄电池组由若干节电池串联组成，电池的容量与数量决定了其持续放电的时间，目前应用最多的是阀控式密封铅酸蓄电池。

2 UPS选型

按照结构和工作原理，可以将UPS分为后备式UPS、互动式UPS以及双变换式UPS。不同类型的UPS分别应用在不同的使用场景中，需要根据实际情况来合理选用。

2.1 后备式UPS

顾名思义，后备式UPS通常作为后备电源使用。市电正常时，直接向负载供电，逆变器处于等待状态；当市电故障时，UPS会立即切换至逆变状态，此时负载由UPS逆变器供电。后备式UPS是最简单、成本最低的UPS，工作效率高，但是不能对市电进行调节，输出功率较低，切换时间稍长，对于精密度高的设备可能会出现瞬间掉电的情况，适用于一些办公场景，不能用于数据中心的供电系统。

2.2 互动式UPS

互动式UPS指逆变器并联在市电与负载之间，处于热备份状态。当市电正常时，直接向负载供电或通过UPS电源内部稳压线路优化市电输出，逆变器反向工作作为充电器对电池组进行充电；当市电故障时，立即切换至逆变状态，由电池供电。互动式UPS具有结构简单、可靠性高、效率高等特点，比后备式UPS的保护功能更强，但抗干扰性不强，同样存在切换时间的问题，适用于服务器和小型机房，不适用于数据中心的供电系统。

2.3 双变换式UPS

双变换式UPS指逆变器串联在市电与负载之间，处于供电持续状态，电源经过AC/DC、DC/AC这2次变换提供给负载。当市电正常时，市电经过整流器一方面向逆变器供电，另一方面给电池充电，逆变器输出向负载供电；当市电故障时，能够无延时切换，由电池输出经逆变器向负载供电。双变换式UPS是目前UPS的主流形式，具有性能好、抗干扰强、无切换时间以及输出高质量的交流电等优点，但是价格昂贵，正常工作时整流器和逆变器都要消耗电能，效率稍低。广电数据中心对安全播出和业务稳定有严格的要求，因此机房供电系统要选用双变换式UPS[1]。双变换式UPS系统原理如图1所示。

图1 双变换式UPS系统原理

3 UPS供电模式

在广电机房UPS系统供电应用中，需要考虑UPS系统的可维护性和可用度，提高故障容限，可以采用冗余的UPS系统。常见的冗余UPS供电模式有串联热备份供电模式、并联冗余供电模式以及双总线供电模式。

3.1 串联热备份供电模式

串联热备份是将UPS备机的输出端接到UPS主机的旁路输入，当主机在正常工作模式时，由主机逆变器对负载进行供电，备机处于空载状态；当主机出现故障时，自动切换到旁路模式，由备机逆变器对负载进行供电；当主备机同时故障时，主备机均处于旁路模式，此时由市电进行供电。此种UPS供电模式为“1+1”冗余，消除了电源单点故障，实现简单。不同品牌型号的UPS都可以方便组成串联热备份，但是其同一时间只有1台UPS带全部负载，因此存在超载能力差、主备机老化程度不一样等问题，目前已经较少采用。串联热备份系统工作原理如图2所示。

图2 串联热备份系统工作原理

3.2 并联冗余供电模式

并联冗余是2台及以上相同品牌型号的UPS通过并联模块将输出端连接在一起，同时对负载进行供电，一般按照“N+1”冗余（N为正常工作时所需的UPS数量，1为额外增加1台UPS作为备用）。正常工作时，每台UPS均分负载功率，同时由逆变器进行供电；当其中1台UPS故障时，负载功率由剩余UPS均分承担。并联冗余供电方式最大的好处是可以均分负载，并且可以根据负载量通过新增UPS的方式实现系统容量扩充，但是每台UPS输出的波形、幅值以及相位必须严格一致，这样才能保障系统的可靠运行[2]。并联冗余系统工作原理如图3所示。

图3 并联冗余系统工作原理

目前还有一种更简便的并联冗余模式是模块化UPS，由UPS机框、功率模块、控制模块以及静态开关等组成，每个功率模块都包含了整流器、逆变器以及独立控制器，相当于1个小型双变换UPS，这样由若干个功率模块并联叠加就构成了1个整机模块化UPS。整机UPS容量由功率模块的数量决定，通常为所有功率模块容量之和，每个功率模块均分整机UPS地负载功率。模块化UPS运用并联冗余技术，功率模块支持热插拔，可以在线更换扩展维护，通过增加模块能轻松实现“N+X”冗余，每个模块故障或插拔均不会影响其他模块正常工作。其控制模块也具有主备冗余，具有高可靠性、高灵活性、易维护以及易扩展等优点。虽然模块化UPS比普通UPS价格更贵，但相比整机并联所占用的空间和投资成本更小，可以为数据中心的安全运行提供有效保障。

3.3 双总线供电模式

串联热备份和并联冗余供电模式可以消除电源单点故障，但是UPS输出至负载供电线路只有单路，而大部分供电故障来源于此，包括保险烧毁、断路器跳闸、负载短路等，由此引入一种双总线供电方式，由双路UPS组成双母线供电系统，也称为“2N”冗余。此UPS供电方式最大的特点是同时供应2路供电母线，2条线路相互独立、互不干扰。正常工作时，2条线路同时向负载供电，可以供给双电源负载或者通过静态转换开关再供给单电源负载。当其中一条线路任意一点出现故障时，可以由另一条线路承担全部负载，系统的运行不会受到影响，很好地消除了整条线路单点故障，拥有更高的容错能力，也提升了在线维护、在线扩容的便利性。由于此方式容错能力更强，逐渐成为对安全播出要求较高的广电数据中心的最佳供电方式。双总线系统工作原理如图4所示。

图4 双总线系统工作原理

为了进一步提高UPS供电系统可用性，还可以将双总线供电模式和并联冗余模式结合运用，或者采用双路模块化UPS的双总线供电模式[3]。

4 UPS容量

UPS系统设计时，应从供电范围、供电方式、用电规模等方面综合考虑UPS容量。一般地市级广电数据中心按照双总线供电方式配置2台UPS，虽然2台UPS可以分摊负载，但要考虑到如果一路出现故障，另一路必须承担全部负载，因此需要按照单台UPS容量来计算。供电负载主要是机柜设备，还有一些门禁设备、消防设备、智能化设备等小功率设备，在计算UPS容量时应留有余量。

广电数据中心按照150个42U机柜为例，每个机柜平均负载约为1.5 kW，总负载功率约为225 kW。根据UPS基本容量公式计算得出至少要选用300 kVA的UPS，鉴于后期扩容需要，可以选择500 kVA的模块化UPS。由于负载是分摊在2台UPS上，每台UPS实际负载在20%～30%。负载率对UPS运行效率有较大影响，在60%～70%负载时UPS的运行效率能达到最大，但为了安全运行，每台UPS负载率不能超过50%。前期配置2台500 kVA的模块化UPS，每台可先配置6台50 kVA的功率模块，这样既能提高UPS的运行效率，避免资源浪费，降低采购成本，后期还能根据需要增加模块，实现灵活扩容[4]。

5 UPS后备电池配置

在UPS运行过程中若发生市电中断的情况，UPS所带的蓄电池组需要立刻开始向逆变器提供直流电能，以保证负载的不间断运行。UPS后备时间长短由电池数量、电池容量、负载功率、电池工作环境以及电池损耗情况等多种因素决定，要结合具体情况正确配置蓄电池的实际容量，保证蓄电池持续供电时间满足市电恢复或启动后备电源的要求。与此同时，注意必须选择同一品牌、同一种类、同一型号以及同一性能的电池。

5.1 电池电压

单节电池电压主要有2 V和12 V，对于机房UPS系统而言，UPS电源的直流工作电压较高，因此选用12 V电压的电池在成本和空间利用上更具有优势。

5.2 每组电池串联节数

电池串联节数可根据UPS要求来配置，一般不宜配置为最小数量，会影响电池使用寿命。以UPS要求40～44节电池为例，可以配置成44节电池。

5.3 电池截止电压

12 V单节电池截止电压根据UPS要求设置，一般设为10.5 V。12 V单节电池中由6个2 V单体串联组成，2 V单体截止电压为1.75 V。

5.4 后备时间

根据《广播电视安全播出管理规定》中供配电系统的相关规定，后备时间应满足设计负荷工作30 min 以上。

5.5 电池容量

蓄电池容量计算一般有安时法、恒功率法、恒电流法等，考虑到UPS系统的应用工况，通常采用恒功率法。UPS所带负载功率是恒定的，电池需要提供恒定的功率来支持负载运行。在UPS系统放电过程中，电池组输出功率恒定，电压逐步降低，则电池的放电电流持续增大，直到电池电压下降至截止电压。恒功率法在电池容量计算中比较准确，在成本控制、性能上能够实现合理配置[5]。