原 媛，趙 楠

（1.上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海200092；2.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津300192）

0 引 言

電子信息機(jī)房作為銀行和政企用戶數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，直接關(guān)系國(guó)家和人民生活的各個(gè)方面，其安全可靠性是非常重要的。而目前電網(wǎng)的安全可靠性尚無法達(dá)到電子信息機(jī)房的要求，因此UPS系統(tǒng)在電子信息機(jī)房中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，由于電子信息機(jī)房功率密度的不斷增加和對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，使得UPS電源系統(tǒng)投資在電子信息機(jī)房投資中所占的比重也越來越大。因此，如何經(jīng)濟(jì)合理地針對(duì)不同等級(jí)的電子信息機(jī)房選擇不同的UPS供電方式成為電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。

在大型電子信息機(jī)房的設(shè)計(jì)中，為避免由于UPS單機(jī)系統(tǒng)故障或檢修形成的單點(diǎn)故障影響通信設(shè)備的供電可靠性，要求UPS系統(tǒng)具有冗余能力。根據(jù)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174－2008）“附錄 A各級(jí)電子信息系統(tǒng)機(jī)房技術(shù)要求”，A級(jí)機(jī)房應(yīng)配置2 N 或M（N＋1）冗余（M＝2、3、4……）的不間斷電源系統(tǒng)，B級(jí)機(jī)房應(yīng)配置“N＋X”冗余（X＝1～N）。因此，本文對(duì)滿足上述規(guī)范中A級(jí)、B級(jí)機(jī)房要求的常用UPS供電方式進(jìn)行比較分析。

1 UPS系統(tǒng)供電方式

電子信息機(jī)房中常用的冗余UPS供電方式包括“N＋1”系統(tǒng)2 N系統(tǒng)、以及模塊化UPS系統(tǒng)。

1.1 “N＋1”系統(tǒng)供電

“N＋1”系統(tǒng)是采用“N＋1”臺(tái)UPS主機(jī)并聯(lián)后共同為后級(jí)負(fù)載供電的方式，各臺(tái)UPS均分負(fù)載，沒有主備機(jī)之分，系統(tǒng)額定輸出功率為N臺(tái)UPS主機(jī)輸出功率之和。當(dāng)一臺(tái)UPS的逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，立即自動(dòng)脫機(jī)，負(fù)載由余下的UPS均分，不存在切換問題，見圖1。

“N＋1”系統(tǒng)可避免單臺(tái)UPS主機(jī)供電形成的單點(diǎn)故障，但在UPS主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)容易出現(xiàn)環(huán)流，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，N一般小于3。

1.2 2N雙總線系統(tǒng)供電

2 N雙總線系統(tǒng)是將UPS主機(jī)組成2套UPS系統(tǒng)，其中每套UPS系統(tǒng)由N臺(tái)UPS主機(jī)并聯(lián)；2套UPS系統(tǒng)分別向2個(gè)獨(dú)立輸出系統(tǒng)供電，UPS輸出總線總是保持同步，見圖2。

2 N雙總線系統(tǒng)能夠避免UPS系統(tǒng)輸出的單點(diǎn)故障，即從UPS輸出端到通信設(shè)備之間均為雙路由，不存在單點(diǎn)故障。常用的2 N雙總線系統(tǒng)有單機(jī)雙總線（N＝1）和雙機(jī)雙總線（N＝2）兩種方式。對(duì)于雙機(jī)雙總線系統(tǒng)，每套系統(tǒng)中的2臺(tái)UPS主機(jī)均分該系統(tǒng)的負(fù)載。如圖2所示，對(duì)于2 N雙總線系統(tǒng)，后級(jí)雙電源設(shè)備可從兩套UPS系統(tǒng)分別引接2路獨(dú)立的電源；單電源設(shè)備則通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS接到兩套UPS系統(tǒng)，并優(yōu)選其中一套UPS系統(tǒng)為供電主回路，另一套為供電備用回路。

1.3 模塊化UPS系統(tǒng)供電

圖3 模塊化UPS系統(tǒng)供電方式拓?fù)鋱D

模塊式UPS是一種新興技術(shù)，近年來開始應(yīng)用于一些電子信息機(jī)房中。它由UPS機(jī)架和機(jī)架內(nèi)可熱插拔的多個(gè)UPS模塊構(gòu)成，各UPS模塊采用并聯(lián)的方式運(yùn)行。最初的UPS模塊為功率模塊，僅包括整流、濾波、充電、逆變器等部分，機(jī)架內(nèi)所有UPS模塊共用一個(gè)靜態(tài)旁路。機(jī)柜內(nèi)包括一個(gè)監(jiān)控模塊，作為用戶開關(guān)UPS主機(jī)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的平臺(tái)。隨著模塊化UPS技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種完全模塊化UPS，即每個(gè)單體模塊內(nèi)都裝有整個(gè)UPS電源與控制電路，包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路開關(guān)及附屬的控制電路、CPU主控板，每個(gè)UPS模塊均有獨(dú)立的管理顯示屏，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)模塊的管理。模塊化UPS電源具有“N＋X”的架構(gòu)特性，可通過配置模塊的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冗余性。模塊化UPS系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

2 UPS系統(tǒng)供電方式比較

2.1 系統(tǒng)效率比較

UPS系統(tǒng)冗余度的提高可以增加系統(tǒng)的可靠性，但同時(shí)也使系統(tǒng)效率有所降低。

對(duì)于“N＋1”系統(tǒng)來說，為保證1臺(tái)UPS故障時(shí)，剩余N臺(tái)UPS也能正常供電，當(dāng)“N＋1”臺(tái)UPS正常工作時(shí)，每臺(tái)主機(jī)平均負(fù)荷不能超過最大總負(fù)荷的N／（N＋1）（當(dāng) N＝1時(shí)，為50%；當(dāng) N＝2時(shí)，為66.7%；當(dāng)N＝3時(shí)，為75%）。UPS主機(jī)負(fù)載率的降低會(huì)導(dǎo)致整個(gè)UPS系統(tǒng)效率降低。這不僅造成了設(shè)備浪費(fèi)，還會(huì)因?yàn)殡娫丛O(shè)備發(fā)熱量的增加而導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷的增加，使機(jī)房的PUE值（即通信設(shè)備耗電與機(jī)房總用電的比值）降低，不利于節(jié)能。2 N雙總線系統(tǒng)是將后級(jí)負(fù)荷分配到2套UPS系統(tǒng)上，因此2套UPS系統(tǒng)正常工作時(shí)，每套UPS系統(tǒng)平均負(fù)荷約為滿負(fù)荷的50%，同樣存在系統(tǒng)效率偏低的問題。

模塊化UPS系統(tǒng)采用了模塊備用的方式，備用模塊的功率相對(duì)于UPS系統(tǒng)的總功率來說比例較小，另外模塊的數(shù)量也可以根據(jù)后級(jí)負(fù)荷的大小確定，這樣就提高了單個(gè)UPS模塊的負(fù)載率，從而使系統(tǒng)效率得到提高，達(dá)到了節(jié)能的效果。

2.2 設(shè)備投資比較

表1以400kVA UPS系統(tǒng)為例，對(duì)不同供電方式下UPS設(shè)備投資作了比較。表中的投資比為設(shè)備總價(jià)與1臺(tái)200kVA塔式UPS主機(jī)的價(jià)格比。

表1 不同供電方式下UPS設(shè)備投資比較

由表1可知，“2＋1”UPS系統(tǒng)的投資最低；“1＋1”UPS系統(tǒng)與單機(jī)雙總線UPS系統(tǒng)的投資相同，但由于單機(jī)雙總線UPS系統(tǒng)具有兩套獨(dú)立的UPS輸入輸出配電系統(tǒng)、后級(jí)的單電源設(shè)備需要增加STS，因此整個(gè)供電系統(tǒng)的投資大于“1＋1”UPS系統(tǒng)；模塊化UPS系統(tǒng)投資較大，雙機(jī)雙總線系統(tǒng)投資最大。

2.3 容錯(cuò)性能比較

UPS系統(tǒng)的容錯(cuò)性能是由該系統(tǒng)能夠承受單點(diǎn)故障的次數(shù)來體現(xiàn)的。仍以400kVA UPS系統(tǒng)為例，對(duì)容錯(cuò)性能比較如表2所示。

表2 UPS系統(tǒng)容錯(cuò)性能比較

由表2可知，雙機(jī)雙總線系統(tǒng)和模塊化UPS系統(tǒng)容錯(cuò)性能最好；對(duì)于模塊化UPS來說，備份模塊比例越高，其容錯(cuò)的能力也就越高。而在系統(tǒng)總?cè)萘肯嗤那闆r下，采用“2＋1”系統(tǒng)要比“1＋1”系統(tǒng)和單機(jī)雙總線系統(tǒng)有更高的容錯(cuò)性能。在一些應(yīng)用情況下，采用單機(jī)雙總線與“1＋1”并聯(lián)相比，容錯(cuò)性能反而會(huì)下降，比如后級(jí)單電源設(shè)備需增加STS，這樣就在電路中多了一個(gè)單點(diǎn)故障；當(dāng)機(jī)房雙電源設(shè)備和UPS系統(tǒng)不同的回路同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)造成設(shè)備全部斷電。

2.4 可用性比較

可用性是指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)設(shè)備正常工作時(shí)間所占的百分比。其表達(dá)式如下：

式中，A為可用性，MTBF是設(shè)備的平均無故障時(shí)間，MTTR是設(shè)備的平均修復(fù)時(shí)間。由上式可以看出，提高UPS系統(tǒng)可用性的途徑有兩個(gè)：提高M(jìn)TBF和減小MTTR。

隨著UPS設(shè)備技術(shù)的成熟，通過提高設(shè)備質(zhì)量以增加MTBF值的辦法已收效甚微，因此減小MTTR是提高系統(tǒng)可用度的有效途徑。在減小MTTR這點(diǎn)上，模塊化UPS非常有優(yōu)勢(shì)，它可以在線更換，因?yàn)槟K的規(guī)格統(tǒng)一，具體的實(shí)施很簡(jiǎn)單，更換時(shí)間極短，幾分鐘內(nèi)可以完成。相比之下，傳統(tǒng)機(jī)型是修機(jī)器、換板子，從判斷故障現(xiàn)象到更換完成、排除故障、設(shè)備正常運(yùn)行，需依技術(shù)人員的水平而定，幾小時(shí)至幾天不等，使得系統(tǒng)可用性有所降低。

2.5 裝機(jī)占地面積及承重

表3為各種配置模式下裝機(jī)占地面積和樓板承重的分析。

由表3可知，傳統(tǒng)塔式UPS單機(jī)容量越大、主機(jī)臺(tái)數(shù)越多，其占地面積越大；單機(jī)容量越大，樓板承重越大。而模塊化UPS在物理尺寸整機(jī)重量對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)型有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

表3 UPS系統(tǒng)占地面積及承重

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)電子信息機(jī)房UPS系統(tǒng)供電方式的比較分析，得出在不同類型的電子信息機(jī)房選擇UPS系統(tǒng)的建議如下：

（1）雙機(jī)雙總線系統(tǒng)適用于負(fù)荷較大、供電可靠性要求高、后級(jí)以雙電源設(shè)備為主的機(jī)房，該系統(tǒng)容錯(cuò)性能好、可用度高，能夠?yàn)楹蠹?jí)負(fù)荷提供穩(wěn)定的電源，但雙機(jī)雙總線系統(tǒng)投資較大，系統(tǒng)效率較低。

（2）對(duì)于負(fù)荷較大、供電可靠性要求不是特別高的機(jī)房，采用單機(jī)雙總線系統(tǒng)或“N＋1”系統(tǒng)可減少投資。

（3）對(duì)于負(fù)荷不斷增長(zhǎng)的機(jī)房，可以考慮采用模塊化UPS系統(tǒng)，根據(jù)遠(yuǎn)期需求配置機(jī)柜、近期需求配置模塊，待需要擴(kuò)容時(shí)只需增加模塊即可。這樣既可減少初期的投資，又使遠(yuǎn)期的擴(kuò)容具有靈活性。

（4）對(duì)于電力室面積緊張和樓板承重較低的機(jī)房，也建議優(yōu)先考慮模塊化UPS系統(tǒng)。

［1］YD／T 5040－2005，通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］，2005.

［2］楊德剛.UPS系統(tǒng)可用性的分析［J］.UPS應(yīng)用，2005，47（5）：22－23.

［3］崔寶勝.UPS的冗余運(yùn)行與發(fā)展［C］.2008通信電源學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（上卷），2008：104－106.