1、關于UPS電源雙母線方案的探討關鍵詞：雙母線，UPS，ATS1 引言在互聯網高速發達的今天,人們的工作、辦公對互聯網的不間斷性工作依賴性越來越大,而且對基于它的硬件數據交換、存儲的服務器的動力供電系統也提出了更高的挑戰。電信運營商的數據、語音通信計費系統,金融、證券、銀行的計費系統對交流動力不間斷供電都要求非常高的可用性。2 UPS電源雙母線方案概述本方案采用基于臺達最先進的HIFT UPS構建的雙母線方案,核心設備為2套HIFT UPS主機,中達機架式ATS(自動切換開關)。2臺UPS分別輸出至各自母線,分別給雙電源負載提供電源,通過ATS靜態切換裝置切換給單電源負載供電,ATS靜態切換裝置

2、切換時間4ms。方案結構框圖見圖1。本方案的最大特點是:去掉了傳統雙母線方案中的LBS,并且ATS采用分散式的配置方案。 在市電電源正常時,A路總線輸出和 B路總線輸出,合并組成雙總線系統,向關鍵的設備(雙電源)供電。其它單電源設備負載由ATS供電。 若A總線出現故障,而B總線正常工作時,則: A總線主機中的其中一個單元出現故障時,由其余的1個單元承擔負載, A總線的故障單元待修。B總線不受影響,繼續供電; A總線并聯的主機出現兩個功率模塊故障、或主控故障、或A總線超載,既A總線的主機無法正常工作時,該主機同時鎖相不間斷地跳入旁路,該總線待修。B總線并不受影響,繼續供電。 若總線B出現故障,而

3、A總線正常工作時,則: B總線的任意一路市電故障,則另一路市電承擔負載,B總線的故障待恢復。A總線不受影響,繼續供電; B總線的2路市電都出現故障,則該總線待修。A總線不受影響,繼續供電給所有負載。3 UPS電源雙母線方案組成3.1 UPS系統臺達海福(HIFT)UPS,采用N+X架構設計,提高系統容錯度,可按需配制可靠度等級,滿足不斷變化的負載需求,可隨需擴容,是具備最短系統修復時間能力的高可靠、高可用的智能UPS系統。此UPS基于模塊化技術設計,可實現熱插拔維護和擴容,具有如下幾個顯著優勢。 MTTR近于0,模塊化熱插拔在線維修,大大縮短維修時間雖然隨著科技的進步,系統可靠性越來越高,然而

4、任何系統仍然都不是絕對可靠的,因此,客戶的關注度逐漸從系統的高可靠性轉向高可用性,這時,MTTR就變得至為關鍵了。無論UPS的可靠性有多高,業界公認,在整個供電系統中,最薄弱的環節仍然是UPS。客戶的傳統使用經驗是哪怕遇到UPS的一個小零部件故障,系統也會轉到旁路無法再逆變工作,從而讓關鍵負載置于非常危險的無保護電源供電之下。而更糟糕的是,當客戶遇到問題時,并不能確定系統何時可以被修復。通常系統的修復時間,包括向廠商報修、廠商電話判斷故障原因、工程師攜備件趕赴現場、在現場修復UPS。這里的每一環節,都有太多的不確定因素。比如,客戶遇到問題時正逢晚上或節假日,報修困難;即使與廠商及時聯絡,如果工

5、程師經驗不足或是電話問詢不易,則故障原因很可能判斷不全甚至有誤;再者,客戶所在地偏遠和交通不便,趕赴現場完全不能控制在可滿足時效內;最后即使到達現場,現場查找原因與系統修復也需要相當時間,更不用提沒有拿對、拿齊備品備件而導致系統無法被一次修復好了。而如果采用HIFT UPS則不同,以上種種問題迎刃而解。因為具有模塊化結構,如果出現故障,只要移出問題模塊就好,UPS系統仍然能夠在線運行。新模塊送到,現場熱接入系統,所費時間幾近于0。(見圖2)同時,因為系統修復采用的是簡單易行的模塊更換,現場維修的非標準化操作所可能導致的再次發生故障幾率,被極其顯著的降低了。 N+X冗余,提供系統最高的可靠性N+

6、X冗余通常指系統中N+X臺UPS單機(或模塊)并聯運行,當最大X臺UPS單機(或模塊)發生故障時,系統仍然能夠逆變輸出正常運行。為了提高可靠性,傳統UPS通常采用主從結構的1+1并聯備份方案,雖然在一定程度上提高了可靠性,但是它不便于離線維護、擴容,同時對設備的利用不充分、缺乏靈活性。更重要的是,此時系統的冗余度僅為1。而HIFT UPS的結構極具彈性,可實現N+1、N+2、N+3、N+4、N+5、或當并機時具有更高的N+X 冗余。同時,客戶還可通過定購額外的模塊,來增加HIFT的備用冗余能力。即同樣的功率配置,HIFT UPS擁有更高的冗余度;而同樣的冗余度,HIFT UPS擁有更經濟的配置

7、方案。(見圖3)通常UPS帶載不會超過70%,因此在實際應用中,N+X冗余具有最高的系統可靠性,見下表。冗余度越高,可靠性與可用性越高,參見下表。 隨需擴容,提供最靈活、最經濟的投資、配置策略快速變化的業務要求企業機房和數據中心具備靈活性(Agility)。當更多的IT應用強調動態結構時,支撐這些應用的UPS供電系統是必須提前一步到位,還是可以根據需要靈活配置？傳統UPS的客戶,在規劃時必須滿足未來可預見的最大負荷功率要求。比如,現在負載總容量雖然只有20kVA,但因將來可能會增長到60kVA,客戶在初始配置時通常都會直接采購功率為達到100kVA的UPS,以避免未來因升級困難而導致的可能容量

8、不足。HIFT UPS因采用模塊化結構,可以在20kVA到480kVA的寬廣范圍內,以20kVA為單位來隨時隨需在線擴容,客戶不再需要僅是為未來的可能性而提前投入大筆費用。(見下圖)HIFT UPS的這種靈活性,即允許配置容量最貼近實際需求容量的能力,不僅降低了UPS的初始購置成本,更減少了配套設備(如空調)的配置與能耗支出,有效防止了基礎設施超前超大規模設計導致的不必要開支。 高效節能,提供最低的運行成本綠色節能不僅是企業對社會的責任,更與企業運營成本息息相關。通常帶載越少,UPS效率越差。而HIFT UPS,即使帶載只有額定容量的15%,整機效率亦超過90%;當帶載達到27%時,效率就已高

9、達94%。效率在百分比上的每一小步提升,能耗支出的節省都是一大步。3.2 智能ATS系統通過機架式ATS給配套單電源負載設備供電,靈活方便。4 UPS電源雙母線方案的優點系統圖。與傳統雙母線方案相比,此方案去掉了LBS,同時STS盡量往最末端負載配置的原則來設計STS配置方案。STS配置在負載最末端,即負載機架上,直接為單電源負載提供2路電力保障,單電源供電的可靠性可達到99.999%。與集中STS供電方案相比較,即使STS故障,故障范圍也可縮小到最小范圍,不會導致大面積單電源負載中斷。傳統雙總線配置方法具有單路徑故障點,如圖8所示。從上圖可以看到,同步控制器R3是雙路供電系統的單路徑故障點,

10、整個系統的供電可靠性決定與同步控制器R3的可靠性,實際配置中R3是沒有冗余配置的。另外,由于2臺UPS之間需用同步控制器來聯系,則2臺UPS系統間具有了不可避免的相依性問題,就像2臺UPS并聯時,當一臺UPS故障時,也會影響到另外一臺UPS。由此可見,傳統雙總線方案并不是最好的供電系統,還是存在問題的。因此,我們為客戶提供沒有同步控制器的雙母線供電系統,如圖9所示。此方案消除了同步控制器單點故障的問題,同時2臺UPS相互獨立,也消除了UPS見相依性的問題。4.2 采用無需同步控制,也能實現不間斷切換的機架ATS裝置中達ATS高度為1U,可直接安裝在19英寸或21英寸機架上。并且可根據需要隨時擴

11、充。ATS采用先斷后通的切換方式,可保證在無需同步的情況下,實現不間斷的切換。ATS自帶輸出配電分路插座,可將服務器電源插頭直接接入。4.3 UPS單機可用性高由于本系統為單機雙母線,因此,每個母線是否具有容錯功能顯得十分必要。因為當一個母線出現問題時,若剩余的另一母線還具有容錯能力,無疑會為整個供電系統帶來更高的可用性。實際上,臺達HIFT UPS正是采用具有容錯功能的4.1 雙母線供電系統去掉了外置同步控制器(LBS)使得2臺UPS真正相互獨立,無任何關聯,消除了傳統雙總線方案中LBS造成點的故障問題,供電系統可用性大大提高。系統為傳統雙總線供電方案UPS系統。其基于模塊化N+X冗余熱插拔

12、設計,能為客戶帶來能夠的可靠性和最短維修時間。4.4 整體系統的可用性非常優異此方案的可靠性是傳統方案的33倍。 單母線內,UPS系統自身具有容錯功能,壞掉一個或多個模塊,UPS任可正常工作。 就整個雙母線系統來看,方案還具有系統架構上的冗余。因此整體方案具有非常優異的高可靠性。4.5 整個雙母線系統運作效率最高,為客戶帶來最低的運營成本。在雙母線系統中,每臺UPS帶載量最大不超過總負載的量的50%,在加上UPS一般是按70%左右的帶載量來配置,此時,每臺的UPS的帶載量不超過總負載的35%,因此,在如此低的負載情況下,一般UPS的效率是很低的,能達到86%都算是非常不錯了。但臺達HIFT U

13、PS在30%負載時,效率即可達到94%,這樣一年下來能為客戶節省下來大量的電費。假設功率120kVA,帶載30%,UPS單臺1年耗電量見下表。我們可以看到,86%效率時,UPS的耗電量是94%效率時的2.55倍,耗電量41070度電,也就是說HIFT UPS一年能為客戶節省約25000度電,而這還只是一年的電能,5年下來節省的電費便是10萬度,按一度電1元計算,便是10元人民幣。4.6 UPS諧波消除裝置采用最先進、高效的IGBT整流技術采用的專利的IGBT整流技術,使HIFT具有了優異的輸入特性,可為綠色產品的典范,輸入功率因數0.99,輸入電流諧波失真3%。是業界最高指標.該指標可為用戶帶

14、來什么呢？可以使用戶的輸入電纜、空開、無功補償柜、發電機的容量降低。降低了用戶了整個系統的安裝材料成本。一般6脈沖的UPS需要配發電機的容量配比,按照經驗值發電機容量需要比UPS大2.53倍之間才能正常工作。HIFT 只需要1.11.3倍即可。5 結束語傳統UPS雙母線供電系統中有的LBS或多或少都會對雙母線系統帶來故障隱患,甚至會成為供電系統的單點故障,本文所述的方案,有效去除了傳統方案中的LBS,同時采用分散式ATS配置方案,將故障范圍縮小到最小,大大降低了集中式STS故障面積大的風險。另外,本文UPS采用了臺達HIFT UPS,使得系統可用性更好,更加綠色節能。此方案主要有如下優勢。 母線具有冗余功能。采用高智能容錯HIFT UPS 實現雙母線,各母線上還有冗