數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)可靠性研究應(yīng)用

張眾音

（航天工程大學(xué)，北京 懷柔 101400）

0 引言

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)PS的應(yīng)用數(shù)量不斷增加。然而，由于單機(jī)容量的提升，一旦UPS 出現(xiàn)故障，可能帶來(lái)嚴(yán)重后果。在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中常見(jiàn)的UPS 系統(tǒng)包括SMS 系統(tǒng)、業(yè)務(wù)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)電網(wǎng)、電網(wǎng)管理系統(tǒng)和智能電網(wǎng)系統(tǒng)等。當(dāng)數(shù)據(jù)中心機(jī)房出現(xiàn)故障時(shí)，將嚴(yán)重影響相關(guān)服務(wù)的可用性，且系統(tǒng)恢復(fù)所需時(shí)間較長(zhǎng)。傳統(tǒng)的UPS 配置即使在一般負(fù)載保持的并行模式下，也難以滿足設(shè)備對(duì)電力可用性和數(shù)據(jù)服務(wù)的高要求。近年來(lái)，雙總線配置逐漸受到關(guān)注，它不僅能滿足UPS 數(shù)據(jù)處理設(shè)備的需求，還能消除業(yè)界廣泛認(rèn)可的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)雙總線配置，數(shù)據(jù)中心機(jī)房可以實(shí)現(xiàn)UPS 系統(tǒng)的高可靠性和高可用性，確保持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。這種配置模式能夠降低UPS 故障對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)的影響，提高業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)安全性。本研究旨在探討數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)可靠性的研究應(yīng)用。采用理論分析與實(shí)證研究相結(jié)合的方法，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心機(jī)房的UPS 供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，并探索適用于雙總線配置模式的最佳實(shí)踐。因此，本研究對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)的可靠性研究和應(yīng)用具有重要價(jià)值，可為相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士和研究人員提供實(shí)用的指導(dǎo)和決策支持。

1 從數(shù)據(jù)設(shè)備“用電”角度提高UPS 系統(tǒng)可靠性的探討

改善數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電可靠性是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從數(shù)據(jù)處理設(shè)備的“可靠性”角度，討論了實(shí)際設(shè)計(jì)和配置中的一些常見(jiàn)問(wèn)題。

1.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房概述

現(xiàn)代數(shù)據(jù)機(jī)房主要由服務(wù)器、小型機(jī)、路由器、存儲(chǔ)設(shè)備、電網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。而電源類型包括單電源設(shè)備和備用電源設(shè)備。從其實(shí)際應(yīng)用功能上來(lái)看，電源在數(shù)據(jù)機(jī)房中屬于一種功能模塊。數(shù)據(jù)機(jī)房在運(yùn)行過(guò)程中，一旦電源發(fā)生故障，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)停機(jī)，這就是單個(gè)電源的弊端。當(dāng)設(shè)置備用電源后，電源由多個(gè)模塊組成，設(shè)置為冗余系統(tǒng)。如此設(shè)置就構(gòu)成了備用電源，雙電源系統(tǒng)共同承擔(dān)工作壓力。在雙電源系統(tǒng)設(shè)置中，當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一路電源就會(huì)投入系統(tǒng)工作，維持?jǐn)?shù)據(jù)中心的正常工作。通過(guò)雙電源模式的設(shè)置，使數(shù)據(jù)中心具有更高的可靠性。

1.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)建設(shè)的必要性和緊迫性

1.2.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)建設(shè)的必要性

數(shù)據(jù)中心機(jī)房作為存儲(chǔ)和處理大量敏感數(shù)據(jù)的關(guān)鍵場(chǎng)所，對(duì)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性要求極高。UPS 供電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房的后備電源系統(tǒng)，能夠在電力中斷或電壓異常的情況下提供可靠的電力支持，保證數(shù)據(jù)中心的連續(xù)運(yùn)行。UPS 系統(tǒng)能夠提供干凈的電力，避免因電壓波動(dòng)或電力噪音引起的設(shè)備損壞，同時(shí)還能提供短時(shí)的備用電力，給管理員足夠的時(shí)間來(lái)采取措施，避免數(shù)據(jù)丟失和服務(wù)中斷。因此，數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)的建設(shè)是確保數(shù)據(jù)中心連續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

1.2.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)建設(shè)的緊迫性

隨著數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和重要性的不斷提升，對(duì)UPS 供電系統(tǒng)的可靠性和可用性的要求也越來(lái)越高。數(shù)據(jù)中心承載著大量的業(yè)務(wù)和用戶數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生停電或電壓異常，將導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和用戶不滿。例如，在電力故障的情況下，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將無(wú)法正常工作，導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷和數(shù)據(jù)丟失。因此，及時(shí)建設(shè)和完善UPS 供電系統(tǒng)勢(shì)在必行，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的電力故障和保障數(shù)據(jù)中心的可靠運(yùn)行。

1.3 負(fù)荷分擔(dān)或主備用關(guān)系的數(shù)據(jù)設(shè)備

對(duì)于設(shè)置為主、備用電源的數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備，設(shè)計(jì)為共享服務(wù)負(fù)載。在數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須充分利用主、備用電源之間的關(guān)系，從而保證服務(wù)系統(tǒng)的可靠性。數(shù)據(jù)中心服務(wù)設(shè)備不應(yīng)重復(fù)使用相同的UPS，以實(shí)現(xiàn)電源故障時(shí)的備份操作，以及負(fù)載共享。如果條件允許，主要數(shù)據(jù)處理設(shè)備和輔助設(shè)備也必須位于獨(dú)立的數(shù)據(jù)室[1]。

1.4 不同業(yè)務(wù)分區(qū)的數(shù)據(jù)設(shè)備

電源模式下的集中數(shù)據(jù)維護(hù)提供了高效率，但也存在一些操作管理風(fēng)險(xiǎn)。一旦數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰，將會(huì)對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)產(chǎn)生較大影響。在對(duì)集中數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行分類的過(guò)程中，通過(guò)區(qū)分業(yè)務(wù)功能，針對(duì)不同區(qū)域的企業(yè)系統(tǒng)采用不同的UPS 供電方式。那么與企業(yè)運(yùn)營(yíng)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)可以顯著降低。這需要基于數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和類型的總體規(guī)劃，這在實(shí)踐中經(jīng)常被忽略。

1.5 關(guān)于STS 的使用

充電前兩個(gè)電源的移動(dòng)自動(dòng)開(kāi)關(guān)（STS）。在配置模式下，兩個(gè)輸入通常通過(guò)兩條電源總線連接。在正常操作中，主電源應(yīng)當(dāng)由兩路電源進(jìn)行供電。在主電源出現(xiàn)故障時(shí)，STS 將由主電源向備用電源自由切換，從而保證電源負(fù)載的連續(xù)性。由于大型數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備主要是雙線設(shè)備，因此可以使用額外的STS 來(lái)解決雙線配置中單個(gè)設(shè)備的性能問(wèn)題[2]。

2 大型數(shù)據(jù)機(jī)房UPS 電源系統(tǒng)的配置模式

2.1 主從串聯(lián)備份模式

在正常操作中，負(fù)載由節(jié)點(diǎn)控制，待機(jī)狀態(tài)為空閑。當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載通過(guò)主電源及備用電源負(fù)責(zé)向負(fù)載供電。這種配置模式的最大缺點(diǎn)是隱藏與主電源靜態(tài)拆分相關(guān)的單個(gè)故障點(diǎn)。故障發(fā)生后，系統(tǒng)電源中斷。當(dāng)時(shí)備用電源處于睡眠狀態(tài)時(shí)，主電源仍在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，備用電源的節(jié)點(diǎn)和組件的老化速度不同[3]。目前很少使用這種配置，但在之前建造的舊機(jī)房中，該種配置方式較為常見(jiàn)。

圖1 主從串聯(lián)備份模式

2.2 負(fù)荷分擔(dān)冗余并機(jī)模式

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)UPS 輸出端子并聯(lián)連接時(shí)，可通過(guò)并機(jī)模塊、并機(jī)電路板采用冗余模式進(jìn)行并聯(lián)連接。其中最為常見(jiàn)的是冗余“1+1”并聯(lián)系統(tǒng)，如圖2 所示。此外，“2+1”并行系統(tǒng)也是一種常見(jiàn)的配置模式。當(dāng)UPS 系統(tǒng)在第二配置模式下運(yùn)行時(shí)，UPS 電源同時(shí)均勻地傳輸負(fù)載。如果過(guò)熱，充電電流將由其他電源提供。與主串行備份相比，冗余并行負(fù)載共享模式具有以下兩個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 負(fù)荷分擔(dān)冗余并機(jī)模式

2.2.1 實(shí)現(xiàn)了熱備份

過(guò)多的同時(shí)負(fù)載共享模式將長(zhǎng)期改變主電源的運(yùn)行狀態(tài)，而在待機(jī)模式下，主電源將長(zhǎng)期處于串行從屬模式。

2.2.2 減小了切換電流沖擊

主從串聯(lián)備份模式的備機(jī)切換電流從0%增加到100%，這大大簡(jiǎn)化了并聯(lián)冗余分配模式。當(dāng)兩個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)閉時(shí)，剩余50%的充電電流增加到100%，而其他并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的增長(zhǎng)電流較低。盡管此配置模式的可用性顯著高于串行主備份模式，但始終存在單個(gè)系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。例如并聯(lián)控制面板、空氣開(kāi)關(guān)、電流路徑等。此外，在實(shí)踐中，有時(shí)電源故障是由單個(gè)故障點(diǎn)引起的[4]。

2.3 雙總線配置模式

為了提高UPS 電源系統(tǒng)的可靠性，有必要實(shí)施UPS 冗余項(xiàng)目及其配電系統(tǒng)。以徹底消除單個(gè)UPS電源系統(tǒng)故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并為數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備提供獨(dú)立、穩(wěn)定和可靠的雙向電源。根據(jù)負(fù)載容量，每個(gè)總線可以配置為雙總線配置，例如負(fù)載分配和并行備份[5]。如圖3 所示。

圖3 雙總線配置模式

3 提高供電可靠性與可用性的途徑

3.1 UPS 輸入輸出形式對(duì)供電可靠性的影響

三相充電UPS 不平衡，則三相電壓不平衡。因此，建議使用單相三相UPS 輸出，如圖4 所示，以確保其安全性。

圖4 三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS

輸入和分配之間的平衡，這是由輸入和輸出造成的。通常，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)，電壓不平衡超過(guò)2%。但是，如果UPS 連接器過(guò)載、短路或被逆變器損壞，僅能確保充電期間電源不間斷，故障開(kāi)關(guān)將自動(dòng)閉合。最初提供30 kVA 每周期的電路提供90 kVA，總配電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)并過(guò)載。沒(méi)有達(dá)到持續(xù)供電的目標(biāo)，充電已完全關(guān)閉。為了避免這種情況，我們需要將輸入電路的帶寬增加三倍，另一個(gè)問(wèn)題是移動(dòng)終端的電阻增加了三倍[6]。但是，結(jié)構(gòu)化UPS 的容量越大，問(wèn)題越嚴(yán)重。

3.2 冗余供電方案的可靠性

3.2.1 雙電網(wǎng)供電連接方式的可靠性

如果連接方法不合適，電源可靠性也會(huì)降低。圖5 顯示了UPS 和電源之間的四個(gè)現(xiàn)有連接選項(xiàng)。

圖5 兩路市電向UPS 的不同接法

圖5（a）顯示了將兩個(gè)電源連接到同一UPS 的過(guò)程。

這種連接方法在過(guò)去幾年中有一些應(yīng)用，但也存在一些問(wèn)題。原因是它與UPS 最初的設(shè)計(jì)理念不同。UPS 的原始功能是以分電壓對(duì)電池放電（這也意味著整流器輸入端的電源電壓不穩(wěn)定），從而允許連續(xù)發(fā)電。這種連接的另一個(gè)潛在危險(xiǎn)是，如果整流器輸入端的電源電壓發(fā)生故障，電池將放電。然而，當(dāng)主電源加倍時(shí)，電池故障時(shí)間通常約為30 min，非常短。需要注意的是，通常情況下，在雙電源的情況下不容易斷開(kāi)，并且在發(fā)生故障后不可能立即恢復(fù)。例如，如果存在路徑錯(cuò)誤，則錯(cuò)誤可能來(lái)自相對(duì)容易使用的外部電網(wǎng)[7]?？偟膩?lái)說(shuō)，這不會(huì)花費(fèi)太多時(shí)間。如果發(fā)生局部損壞，隨著線路老化，主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

在這種情況下，維護(hù)時(shí)間超過(guò)30 min，有時(shí)甚至更長(zhǎng)。在30 min 內(nèi)，電氣設(shè)備必須完全依賴自然電源。此時(shí)，充電設(shè)備根本不受UPS 保護(hù)，可能會(huì)受到電源電壓引起的各種干擾和過(guò)度振蕩的影響。因此，不建議使用這種電源連接模式[8]。

圖5（b）顯示了將兩個(gè)電網(wǎng)連接到同一UPS 的改進(jìn)型UPS。

該電路考慮了圖5（a）所出現(xiàn)的問(wèn)題。重新設(shè)計(jì)電路并增加新功能，即如果斷路器發(fā)生故障，電網(wǎng)可以通過(guò)獨(dú)立的S 開(kāi)關(guān)繼續(xù)向充電設(shè)備供電，從而增加供電保障。

圖5（c）顯示了根據(jù)位置連接到主端子的兩組并聯(lián)UPS 輸入端子。

這種連接方式似乎沒(méi)有問(wèn)題，盡管兩條電源線的相位和電壓不同，因?yàn)椴⒙?lián)UPS 與UPS 具有相同的特性，即主電源正常工作，因此不會(huì)影響正確的操作。然而，并聯(lián)UPS 電源也可能會(huì)加劇潛在的危險(xiǎn)。并聯(lián)UPS 可以同時(shí)切換到配電盤。如圖所示，一旦兩個(gè)開(kāi)關(guān)繞過(guò)電源，除了負(fù)載電源，兩個(gè)電網(wǎng)電源并聯(lián)連接。此時(shí)，兩個(gè)主電源的相位和電壓差在兩個(gè)電源之間產(chǎn)生密集循環(huán)。直到電路中的串聯(lián)燒毀，循環(huán)才會(huì)停止。最安全的方法是連接兩條電源線，如圖5（d）所示，并通過(guò)相互配電板將它們轉(zhuǎn)換為一條線路，然后將它們發(fā)送到UPS。這種方法的價(jià)值在于，它不僅反映了UPS 的原始理念，而且將設(shè)備置于UPS 的保護(hù)之下。

3.2.2 UPS 冗余供電的可靠性

（1）UPS 熱備份連接時(shí)供電的可靠性

熱備份連接可用于提高可靠性。換句話說(shuō)，如果UPS 滿足用戶的可靠性要求，它可以連接到相同規(guī)格的UPS，甚至可以連接到其他品牌的UPS，以提高可靠性。圖6 顯示了合并兩個(gè)獨(dú)立UPS 的方法。

這種連接非常簡(jiǎn)單。當(dāng)UPS1 使用主電源且UPS2 用作備用電源器時(shí)，UPS2 只需將備用電源連接到UPSI 輸入分配器。然而，在這一點(diǎn)上，UPS1 的接入口與UPS2 的接入口是分開(kāi)的，這提高了UPS 系統(tǒng)的性能。為了量化這個(gè)概念，圖7 顯示了UPS 的相關(guān)性。為了提高電源的可靠性，UPS 設(shè)計(jì)者將城市電力引入電路作為備用電源。

圖7 兩臺(tái)UPS 并聯(lián)連接的原理方框圖

3.2.3 UPS 的冗余并聯(lián)連接及其可靠性

UPS 的并聯(lián)冗余連接克服了上述方法的缺點(diǎn)。圖7 顯示了并聯(lián)的兩個(gè)UPS 電路。

這種連接更容易，只需將兩個(gè)輸出連接在一起即可。輸出端子也可以以這種方式彼此連接，以執(zhí)行并聯(lián)功能。并聯(lián)電路后的可靠性模型如圖8 所示。

圖8 兩臺(tái)并聯(lián)UPS 的可靠性模型

UPS 并聯(lián)系統(tǒng)不僅更可靠，而且更靈活。由于UPS 是并聯(lián)雙負(fù)載，因此與通過(guò)冗余熱備份連接的UPS 相比，UPS 具有更大的過(guò)載和沖擊電阻。如圖9所示，兩個(gè)冗余并發(fā)UPS 的可靠性與非交換機(jī)的可靠性相當(dāng)[11]。

圖9 兩臺(tái)UPS 加STS 切換結(jié)構(gòu)

作為規(guī)劃理念的一部分，一些人也接受了該設(shè)計(jì)，并以高昂的價(jià)格實(shí)施了該設(shè)計(jì)。

3.3 雙總線供電系統(tǒng)的可靠性

3.3.1 并聯(lián)備用系統(tǒng)和雙總線電源的設(shè)計(jì)

確保電源在任何情況下都可以使用，保障電氣設(shè)備連續(xù)工作，因此可以使用任何方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這一功能有多種方式，如串行熱備份、并行備份和雙總線。事實(shí)上，這些系統(tǒng)也有優(yōu)缺點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)又可靠。如果你不能選擇性地使用它們，如果不能有選擇地去用就會(huì)事倍功半。

3.3.2 對(duì)雙總線供電系統(tǒng)的誤解

當(dāng)應(yīng)用于雙電源系統(tǒng)時(shí)，這意味著并行冗余方案不能滿足電源服務(wù)器的性能要求。通常，雙線制系統(tǒng)主要由兩個(gè)電網(wǎng)供電。這里的雙總線電源有兩個(gè)含義：一是每個(gè)電路可以提供總負(fù)載能量的兩部分；二是兩個(gè)電源可以同時(shí)提供雙負(fù)載。然而，在正常情況下，兩個(gè)電源都有自己的負(fù)載。只有當(dāng)電源（對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)2 的移動(dòng)）發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源（對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)1）才能通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)STS2 向符合電網(wǎng)2 供電。在此期間，雙電源負(fù)載（如R）不會(huì)關(guān)閉。即使STS2 沒(méi)有生成相應(yīng)的UPS1 電網(wǎng)，雙負(fù)載也不會(huì)停止，因?yàn)殡娫慈匀淮嬖凇?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代電網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，通過(guò)改變數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電模式，來(lái)滿足數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的更高要求。因此，優(yōu)化UPS 供電模式，實(shí)現(xiàn)雙電源供電，從而滿足科學(xué)合理的設(shè)計(jì)要求，提高數(shù)據(jù)中心用電可靠性，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。