UPS冗余系統(tǒng)分析與應(yīng)用方案選擇

董健紳

(國家新聞出版廣電總局七二五臺(tái),山西靈石 031308)

UPS冗余系統(tǒng)分析與應(yīng)用方案選擇

董健紳

(國家新聞出版廣電總局七二五臺(tái),山西靈石 031308)

不間斷電源是信息化機(jī)房軟硬件系統(tǒng)不間斷穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)。本文從所在單位UPS使用情況出發(fā),對(duì)機(jī)房常用的UPS冗余系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及其局限性進(jìn)行了分析,對(duì)信息化機(jī)房UPS系統(tǒng)改造的可行性方案進(jìn)行了探討。

UPS不間斷電源 并聯(lián)式冗余 串聯(lián)式冗余 模塊化冗余 雙機(jī)串聯(lián)互備雙總線

1 引言

近幾年,隨著廣播發(fā)射臺(tái)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn),從節(jié)目傳輸?shù)桨l(fā)射各關(guān)鍵環(huán)節(jié)都進(jìn)行了自動(dòng)化、信息化建設(shè),先后增加了很多信息化設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng),以及提供穩(wěn)定電源的UPS設(shè)備。性能良好的UPS提供非常準(zhǔn)確的電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度,基本解決了市電中存在的電壓起伏、突降、浪涌、頻率變化、電磁干擾等問題。但是信息化是一個(gè)長期的系統(tǒng)工程,在建設(shè)初期,難以預(yù)估信息化的快速發(fā)展對(duì)穩(wěn)定電源的需求情況,以及單機(jī)UPS的較多使用,容易導(dǎo)致容量不足、冗余不夠、單機(jī)數(shù)量多、品牌雜、放置分散等不足,給運(yùn)維管理工作增加了難度,且單機(jī)UPS自身缺陷不利于信息化系統(tǒng)的不間斷穩(wěn)定運(yùn)行。因此本文分析常用UPS冗余結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì),針對(duì)中小規(guī)模機(jī)房供電穩(wěn)定性要求,探析對(duì)UPS單機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案。

2 UPS單機(jī)系統(tǒng)分析

圖1 后備式UPS系統(tǒng)

圖2 交互式UPS系統(tǒng)

根據(jù)IEC62040-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,UPS內(nèi)部系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)形式:后備式、交互式、雙變換在線式,其特點(diǎn)如下:①冷備用UPS系統(tǒng):如圖1,逆變器與市電并聯(lián)作為市電的備份;整流器給蓄電池充電,不用來給逆變器供電。該類型UPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、噪聲低,大部分時(shí)間內(nèi)負(fù)載得到的是稍加穩(wěn)壓處理過的“低質(zhì)量”正弦波電源。負(fù)載與交流輸入干擾沒有真正隔離,市電干擾會(huì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子設(shè)備等關(guān)鍵負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)載供電從交流輸入和逆變器供電轉(zhuǎn)換時(shí)間較長,不能滿足靈敏負(fù)載的需要。②交互式UPS系統(tǒng):如圖2,市電正常時(shí),一路穩(wěn)壓精度很差的市電電源供給負(fù)載;市電中斷時(shí),逆變器/充電器模塊將從原來的充電工作方式轉(zhuǎn)入逆變工作方式,由蓄電池提供直流能量,經(jīng)逆變、正弦波脈寬調(diào)制給負(fù)載提供穩(wěn)定的正弦波交變電源。負(fù)載與交流輸入干擾沒有真正隔離,市電干擾會(huì)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子設(shè)備等關(guān)鍵負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)于電壓尖峰或過壓的保護(hù)性能較差,輸出電壓頻率調(diào)節(jié)不高,系統(tǒng)工作在非線性負(fù)載時(shí),效率較低。③雙變換在線式UPS系統(tǒng):如圖3,無論交流輸入正常與否,負(fù)載始終由逆變器供電,克服了市電質(zhì)量差對(duì)其性能的影響,且市電中斷時(shí),負(fù)載不會(huì)發(fā)生電源瞬時(shí)中斷,但兩次電力變換,損耗較大,系統(tǒng)總效率較低。系統(tǒng)的內(nèi)部模塊、配電在可維護(hù)性和故障容限方面也存在一定的局限性。

3 常見UPS冗余結(jié)構(gòu)

3.1 串聯(lián)式UPS冗余

即UPS熱備份冗余系統(tǒng)。兩臺(tái)具有靜態(tài)旁路、容量相同的UPS,通過主從機(jī)串接成熱備份冗余系統(tǒng)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),主機(jī)給負(fù)載供電,從機(jī)處于熱備份;當(dāng)主機(jī)故障時(shí),從機(jī)投入運(yùn)行,主從機(jī)故障時(shí),市電通過旁路給負(fù)載供電。缺點(diǎn):主機(jī)靜態(tài)旁路開關(guān)故障時(shí)可能出現(xiàn)瓶頸故障,致系統(tǒng)癱瘓;主機(jī)故障不便于維修;備機(jī)電池長期處于浮充狀態(tài)影響壽命;不能實(shí)現(xiàn)互為熱備份。

3.2 并聯(lián)式UPS冗余

圖3 雙變換在線式UPS系統(tǒng)

圖4 “n＋x”型UPS冗余結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式冗余克服了串聯(lián)式存在的弱點(diǎn),多臺(tái)(一般兩臺(tái))UPS共用一組靜態(tài)旁路開關(guān),通過并機(jī)柜、并機(jī)板等設(shè)備平衡負(fù)載電流,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余供電。該方式要求雙機(jī)并列,均壓均流,性能一致,逆變器輸出同頻同相。根據(jù)UPS的設(shè)計(jì)有并機(jī)板并聯(lián)、導(dǎo)航型并聯(lián)、并機(jī)柜并聯(lián)等方式實(shí)現(xiàn)并聯(lián)冗余,提升供電系統(tǒng)可靠性,但存在相位差較大、環(huán)流偏大等問題,并機(jī)柜、靜態(tài)開關(guān)是瓶頸故障點(diǎn),且并機(jī)柜價(jià)格昂貴,實(shí)施成本較高。

圖5 雙機(jī)雙總線

圖6 雙機(jī)串聯(lián)互備雙總線

3.3 模塊化UPS冗余系統(tǒng)

模塊化UPS實(shí)質(zhì)上是集成的N+1冗余并機(jī)系統(tǒng)與模塊化體系結(jié)構(gòu)的融合[1]。將每個(gè)單臺(tái)UPS做為單個(gè)獨(dú)立的模塊,工作時(shí)可以自動(dòng)均流;出現(xiàn)故障時(shí),不停機(jī)即可“熱插拔”故障模塊;輸出功率在一定范圍內(nèi)可以任意擴(kuò)容。

如圖4將多臺(tái)UPS并聯(lián)組成“n＋x”系統(tǒng),其可靠性更高,冗余度為n＋x,n為并聯(lián)系統(tǒng)中UPS單機(jī)總臺(tái)數(shù),x為系統(tǒng)中允許出故障的UPS單機(jī)臺(tái)數(shù)。正常時(shí)這n＋x臺(tái)UPS并聯(lián)工作,其中任一部分故障時(shí)都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行,也不會(huì)留下隱患[2]。這種設(shè)計(jì)有效地解決了增容和冗余的問題,提高UPS可靠性、靈活性、智能化、免維護(hù)等方面的性能,是目前并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 UPS系統(tǒng)改造方案特點(diǎn)及選擇

《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174-2008)要求,特別重要的機(jī)房必須配置UPS系統(tǒng),且有一定的冗余。這就要求UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),須配備至少2臺(tái)以上的UPS,充分考慮串、并聯(lián)冗余連接,串并連組合連接及模塊化冗余系統(tǒng)等各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì),設(shè)計(jì)信息化機(jī)房UPS系統(tǒng)改造方案,滿足信息化軟硬件系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和升級(jí)對(duì)供電系統(tǒng)可靠性、擴(kuò)展性的要求。根據(jù)我臺(tái)信息化機(jī)房UPS使用現(xiàn)狀、硬件條件以及今后設(shè)備增加的電力需求,考慮如下幾個(gè)方案。

方案一:雙機(jī)雙總線供電,采用兩臺(tái)UPS構(gòu)成雙機(jī)雙總線系統(tǒng)。兩臺(tái)UPS組成兩套獨(dú)立UPS供配電系統(tǒng)對(duì)雙電源設(shè)備獨(dú)立供電,對(duì)單電源設(shè)備采用小型STS開關(guān)實(shí)現(xiàn)單電源設(shè)備的雙電源冗余供電,如圖5所示。特點(diǎn):該方案針對(duì)目前我臺(tái)信息化機(jī)房IT設(shè)備中雙電源設(shè)備居多的情況,通過兩套供配電系統(tǒng)獨(dú)立供電;通過負(fù)載的合理分配實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分,避免UPS老化不均的問題。當(dāng)一路供電系統(tǒng)故障時(shí),如UPS本身故障、電池故障、輸出配電問題等,全部負(fù)載將由另一路供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān),負(fù)載不會(huì)存在斷電情況,有兩套獨(dú)立互相冗余的供電系統(tǒng),因此不存在單點(diǎn)故障點(diǎn)。而且不要求雙機(jī)具有同步能力,可有效利用原有的UPS設(shè)備,降低改造成本。只有末端STS是唯一的單點(diǎn)故障點(diǎn),但處于系統(tǒng)末端,不影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

方案二:雙機(jī)串聯(lián)互備雙總線供電,對(duì)方案一加以改造,由兩臺(tái)UPS提供兩路獨(dú)立供配電系統(tǒng),對(duì)雙電源設(shè)備供電,同時(shí)其中一路給另一路UPS提供旁路備份,對(duì)少數(shù)關(guān)鍵性單電源負(fù)載通過小型STS得到雙路冗余電源,如圖6所示。特點(diǎn):UPS系統(tǒng)維修時(shí),通過第二路選擇開關(guān)將靜態(tài)旁通開關(guān)接到市電,可恢復(fù)為方案一雙機(jī)雙總線型。工作原理如圖所示。兩套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)為雙電源負(fù)載提供兩路電源;當(dāng)任何一臺(tái)UPS故障,另一臺(tái)轉(zhuǎn)由旁路充當(dāng)備機(jī)進(jìn)行供電,雙總線輸出正常。當(dāng)總線發(fā)生故障時(shí),由于另一套UPS輸出總線正常,對(duì)雙電源負(fù)載無影響;對(duì)關(guān)鍵類單電源,小型STS在總線電壓異常時(shí)進(jìn)行靜態(tài)切換,一般單電源負(fù)載可接任意一路總線。在UPS系統(tǒng)維修時(shí),可通過選擇開關(guān)將系統(tǒng)恢復(fù)為普通雙機(jī)雙總線供電,啟用手動(dòng)維修旁路,用干凈電源為系統(tǒng)供電。該方案沒有單點(diǎn)故障點(diǎn),可靠性優(yōu)于方案一。

方案三:模塊化U P S冗余系統(tǒng)。模塊化U P S屬高頻機(jī),采用IGBT高頻整流及逆變技術(shù)、主動(dòng)功率因素校正技術(shù),使整機(jī)效率達(dá)到96%左右,輸入功率因素接近1,輸入諧波小于3%,具有高效率、高功率密度、易于維護(hù)及擴(kuò)容、支持熱插拔的優(yōu)點(diǎn),在可用性、可維護(hù)性、擴(kuò)容性方面具有傳統(tǒng)1+1并機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然該系統(tǒng)前期投資較高,但其優(yōu)勢(shì)有利于后期的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大大降低。

綜合考慮以上三個(gè)方案的特點(diǎn)和信息化機(jī)房雙電源設(shè)備多,面積較小、空間有限,一般無法安裝大容量的可并機(jī)的UPS和電池,原有的UPS雖不能并機(jī)但還能利用等情況,可選擇雙總線改造方案,該方案中利用2臺(tái)UPS構(gòu)成兩套獨(dú)立互相冗余的供配電系統(tǒng),互不干擾,不存在單一故障點(diǎn),可靠性較單機(jī)、串聯(lián)熱備份和并機(jī)單總線方案高,且改造方便,能充分保護(hù)原有投資。方案二實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)互為備份,通過將靜態(tài)旁通開關(guān)接到市電,即可恢復(fù)方案一的雙機(jī)雙總線結(jié)構(gòu)。而方案三模塊化系統(tǒng)是UPS并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),有諸多優(yōu)點(diǎn),可綜合權(quán)衡可用性、可維護(hù)性、擴(kuò)充性以及建設(shè)資金情況、今后負(fù)載增量等因素選擇該升級(jí)方案。

5 分析總結(jié)

通過以上探析可以看出,在信息化機(jī)房UPS供配電系統(tǒng)建設(shè)和改造升級(jí)過程中,必須整體考慮,除了對(duì)以上UPS冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇外,還要結(jié)合其他因素,如UPS主機(jī)及供配電系統(tǒng)中其他設(shè)備的可靠性、可用空間及施工的難度、整體性價(jià)比、管理維護(hù)的方便性,以及良好的可擴(kuò)容性、滿足今后信息化的快速發(fā)展需求等。因此UPS冗余系統(tǒng)的選擇,應(yīng)從本單位實(shí)際情況出發(fā),綜合考慮各種因素,找到最適合的方案。

[1]李南.高智能容錯(cuò)UPS的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)論證[J].中達(dá)電通,2012-04:23.

[2]王寧,等.冗余式UPS技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).中國電源博覽[J].2008-05:88.

董健紳,男,國家新聞出版廣電總局七二五臺(tái),工程師,節(jié)傳機(jī)房副主任,本科,信息工程專業(yè)。