高可用性的雙總線UPS冗余系統

2019-11-03 09:57:00

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供稿：網友

　　近年來，人們將計算機網絡技術、通信網絡和傳輸技術有機地融合在一起的互聯網數據中心（IDC）和多媒體數據中心（MDC）正以前所未有的速度沖擊著世界貿易，并且成為數字經濟時代發展速度最快的產業。這些IDC或MDC必須具備登錄的各大網站，企業和用戶提供適應“突發性”的大“數據吐量”需求，高“數據傳輸率”的安全和保密的365天×24小時連續“互聯網增值服務”的能力。又如民航空管站，已成為雷達、通訊、導航、自動監控、電腦網絡的綜合系統，其管理功能絕對一刻也不能中斷，該系統必須保證絕對安全可靠。對于上述重要負載系統，就必須由UPS提供安全的、穩定的、可靠的365天×24小時“全天候”的無中斷的、優質的電源服務，并確保UPS系統實現上述功能情況下執行電源系統的維護和檢修工作。為此，提出高可用性的雙總線UPS冗余系統的總體設計。

1、UPS冗余系統設計的總體要求

　　盡管高可靠的UPS主機的平均無故障時間MTBF很高，可達到20萬小時以上，而且當采用冗余并機工作方式時具有容錯冗余和擴容雙重功能。其MTBF比單機的MTBF提高了許多倍（見表1）。

　　從上表可以得出下列結論:

① UPS并機系統能顯著提高單機的平均無故障時間，也就是提高其可靠性。

② 當并機臺數增加時，雖然提高了UPS系統的利用率，但也降低了并機系統的可靠性。

③ 并機臺數應根據對冗余系統的可靠性要求及輸出功率的利用率來考慮。

　　UPS冗余并機系統僅僅解決了提高UPS本身的MTBF，即降低UPS供電系統由于UPS自身原因的故障率，但并沒有解決由于UPS冗余并機系統的輸入、輸出配置發生的問題，如配電柜故障、斷路開關跳閘、保險絲燒毀、蓄電池早期失效和電力傳輸電纜故障等原因，也不能十全十美地解決UPS供電系統的可維護性問題，這就要解決如何提高UPS冗余系統的高可用性問題。UPS冗余供電系統的可用性與故障時間/年有下列關系（見表2)。

　　IDC或MDC以及民航空管部門等重要負載,對UPS冗余系統的要求需要達到“六個9”，即99.9999％，這些重要用戶一年內所能承受的停電時間不能大于31秒，即每天的停電不得多于0.09s，否則將給這些重要負載帶來不可估量的損失。為此，需要采用雙總線冗余供電方式，此方式除了確保高可用性外，還使系統在線擴容成為可能，并可以升級。

雙總線UPS冗余系統設計的總要求是：

　?、?具有高可靠性

　　保證365天×24小時持續提供高質量電源的供電能力，在任何情況下，絕對不允許UPS出現任何瞬間中斷或轉由普通市電經交流旁路供電。

　　② 具有高抗干擾性

　　保證無論來自市電或UPS供電本身的“電源干擾”盡可能地被消除，包括傳導干擾與輻射干擾，特別強調的是應具有計算機級的優質地線。

　?、?具有高容錯功能

　　沒有“瓶頸故障”點，即在整個UPS供電系統中，在任何節點均不存在瓶頸故障隱患。

　?、?具有高可用性

　　重點設計雙總線UPS冗余系統，使其能完善地解決UPS系統的可維護性問題。

　?、?具有抗天災、人禍的能力

　　在設計、施工、安裝、調試、運行、操作、維護等過程中消除天災人禍的隱患。

2、UPS冗余供電系統的總體設計圖如下（見圖1）：

(1) 基本硬件配置：

　?、?“雙總線輸入”冗余式供電系統

　　兩路以上冗余式市電＋冗余式自備發電機組＋自動轉換開關（ATS）＋防雷擊、抗瞬態浪涌抑制器（TVSS）＋超壓、過載、短路保護的輸入配電柜（PPC），確保UPS系統輸入端消除“單點瓶頸”故障。

　?、?UPS主機及其“N＋1”型功率均分、冗余并機系統

　　帶負載同步控制器的功率均分、冗余并機UPS系統＋高質量閥控蓄電池組＋單體電池容量自動監測系統，確保消除UPS主機及電池組的“單點瓶頸”故障。

　?、?“雙總線輸出”冗余式輸出配電系統

　　電力雙總線冗余式長距離傳輸＋帶靜態開關的LTM配電柜＋科學的、合理的配電開關，確保消除UPS逆變器輸出端到最終重要負載之間可能出現的“單點瓶頸”故障隱患。

　　(2) 優質的監測功能：

　　① 單體電池容量在線自動監測。

　?、?UPS參數的集中監控及遠程監控。

3 UPS主機及冗余方式選擇

(1) UPS主機選型

　　UPS主機的可靠性是UPS供電系統的核心，其首選機型應當是雙變換在線式UPS。

　?、?功率器件是UPS雙變換的心臟，應選擇自行生產功率器件的UPS廠家。它不但選用優質的功率器件制造UPS，而且器件會運用在最佳狀態，因而UPS性能好、可靠性高。

　?、?需選擇全數字化的UPS。在變換、控制、反饋、測量、顯示、通信等方面均采用數字化技術。

　　③ 需選擇寬廣的輸入電壓范圍。大功率UPS能達到電網380V＋15％～－30％電壓變化范圍。

　?、?需選擇高輸入功率因數的UPS。高輸入功率因數能減少無功損耗，節約電能，降低電網的諧波污染及空間輻射干擾。

　　采用高頻PWM變換技術，能使輸入功率因數達到0.999（符合國際電工委員會標準IEG1000－3－2，中國標準GB/T14549－93），可以明顯減少輸入端無功損耗，節約運行費用，同時沒有電網污染及空間輻射，能真正作到綠色環保電源。因此高頻PWM整流技術是UPS的發展方向。

　?、?需選用平均無故障時間（MTBF）長的UPS。MTBF反映UPS長期運行的可靠性程度，從報道可知現在進入中國市場的UPS的MTBF一般都在10萬小時以上，有的UPS技術指標標明MTBF是330萬小時，不同品牌UPS的可靠性指標是有明顯差別的。

　　⑥ 需選擇低溫升功率器件的UPS。功率器件損壞約占UPS故障率的80％左右。許多品牌UPS為了參與競爭，常選用低檔的功率器件，因此當負載稍一超載時，功率器件就會因溫升過高而損壞。

　?、?需選擇數字化、集成化控制電路的UPS。進口的大部分UPS只有DC→AC是數字化，而AC→DC仍是模擬狀態下工作，因此這些品牌UPS只能算作部分數字化。

　　如果UPS從AC→DC和DC→AC均為數字化，而且還采用雙數字處理器（DSP）及大規模集成專用電路（ASIC）和直接數字控制（DDC）技術，UPS才真正邁上了全數字化的臺階。數字化代表了UPS高指標、高可靠、高穩定的特性。

(2) 冗余并機方式選擇

　　目前大功率UPS的可靠性很高，但仍不能滿足重要負載設備對UPS可靠性的要求。因此需要將多臺UPS主機組成“N＋1”型功率均分冗余并機方式。但是不同的并機方式，其并機的可靠性是有很大差異的。目前已經歷從并機柜、并機模塊、無線并機到數碼控制自動并機的發展過程。

　　我們知道，功率均分、冗余并機的技術含量很高。如能在并機過程中徹底解決環流問題，才能認為本方案的可靠性是最高的。

　　從有功功率偏差和無功功率偏差中，采用瞬時電流差值（ΔI）控制的環流抑制技術，并運用全數字化，DSP處理是目前并機技術的主流。其并機環流很小，能控制在總輸出電流的1％以內，并且長期穩定性好，不受溫度及老化漂移的影響，其冗余并機的可靠性將大大提高。

4　UPS 遠距離供電傳輸抗干擾及提高可靠性問題

　　許多重要負載與UPS有相當距離，例如機場航管站的導航雷達等電子設備均安裝在塔臺上，塔高100米，大功率UPS及其后備蓄電池由于其體積和重量的原因往往只能安裝在地面上，于是至少有100米垂直敷設的輸送優質正弦波電源的UPS輸出線，這根導線簡直就是一個雷電接收天線。此外，各種電力、電子設備對這條長線均可能產生干擾。這些干擾被送到主設備中去就降低了UPS的供電質量。

　　雷電對UPS電力傳輸線的干擾通過電容感應、互感效應、共阻感應以及輻射電磁場干擾等途徑產生影響。為確保大功率UPS長距離輸送時仍能提供優質電力，首先需要了解雷電對UPS傳輸電力線的干擾機理、途徑、數值，從理論上探討及估算，進行科學的、合理的設計，采用嚴密的安全防范措施，進行嚴格精心的操作，才能達到預期的目的。

5　智能化監控系統

　　為了保障用戶的UPS系統可靠運行，多數產品均提供RS232、RS422、RS485及以太網/SNMP等接口配置，方便用戶與UPS系統進行直觀的人機對話，實現遠程實時監視UPS的運行參數和狀態，并貯存歷史運行參數、報警信息，使用戶能夠及時、準確地“診斷”出故障的性質及故障發生的部位。

　　三菱UPS系統提供符合人體工程學的極為直觀方便的人機對話操作系統。通過大屏幕觸摸液晶顯示的圖文系統，用戶可以按照界面提示信息，使用觸摸指控式操作方法，完成開機、關機、緊急狀態處理、運行方式、數據查詢、故障記錄等多種功能。三菱UPS通過SNMP智能網管接口，方便用戶在Internet或Intranet實現UPS系統監控，掌握UPS系統運行狀態，獲取UPS系統運行報告。

6　結語

　　為了滿足重要負載對UPS供電系統的嚴格要求，設計雙總線冗余供電方式即采用雙總線輸入＋UPS冗余直接并機技術＋雙總線輸出＋負載自動切換開關的供電體制是非常必要的，為了UPS供電系統的高可靠性、高安全性、高穩定性、高可用性，增加必要的投入是非常值得的，重要用戶最終將得到結論：雙總線UPS冗余供電系統將由“物有所值”過渡到“物超所值”。這就要求我們要全面統疇、精密設計、細心選型、精心施工、嚴格調試、詳盡監控……，這樣的UPS供電系統才可能保證重要用戶的苛刻要求。

摘自《電源技術應用》

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