信息網(wǎng)絡(luò)時代的UPS供電系統(tǒng)

2019-11-03 09:57:24

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供稿：網(wǎng)友

李成章　中科院計算所　　摘要：衡量互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配置和設(shè)計水平高低的重要標志之一是：看它的UPS冗余供電系統(tǒng)是否同時具有高“可靠性”，高“可利用率”，高抗人為或自然災害的能力及易“可管理性”。

　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；不間斷電源；可靠性

　　中圖分類號：TN86文獻標識碼：A文章編號：0219－2713(2002)1·2－0057－03

1 互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢

　　市場需求和技術(shù)進步是推動UPS技術(shù)發(fā)展的兩大動力，朱钅容基總理在2000年的國情獻詞中指出“從新世紀開始，我們將進入一個全面建設(shè)小康社會，并加快推進社會主義現(xiàn)代化的新的發(fā)展階段。國民經(jīng)濟將保持快速健康的發(fā)展，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)將進行戰(zhàn)略性的轉(zhuǎn)移，在推進國家工業(yè)化的同時，加快國民經(jīng)濟和社會的信息化，以信息化帶動工業(yè)化，全面優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。”在此基礎(chǔ)上，以電子商務(wù)為發(fā)展動力的“互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟”得以迅猛地發(fā)展。在當今的社會和經(jīng)濟活動中，如果哪家企業(yè)或機構(gòu)長期游離于“互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟”之外，必將遲早被社會所淘汰。近半年來，為互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)(ISP)，互聯(lián)網(wǎng)綜合信息應用服務(wù)(asp)和無線上網(wǎng)(WAP)等提供互聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心(ISX)如雨后春筍般地在世界各地迅速崛起。眾所周知：將計算機網(wǎng)絡(luò)和電信網(wǎng)絡(luò)有機地集合在一起的第3代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，必將歷史性地承擔起向國民經(jīng)濟的各個重要領(lǐng)域提供365d×24h的高可靠的，高安全度的和高效的信息資源(數(shù)據(jù)，語音和圖象)服務(wù)的重任。

　　為了向各網(wǎng)站和廣大終端用戶提供快速和高速的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，在客觀上，要求這些“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心”必須提供盡可能大的“數(shù)據(jù)吞吐量”，以滿足迅速擴大的網(wǎng)民對信息資源共享和共聯(lián)的需求；要求它必須具有足夠?qū)挼摹皫拏鬏斕匦浴保员阆蚪K端用戶提供高速和高效的互聯(lián)網(wǎng)信息增值服務(wù)(注：由于高速光纖傳輸骨干網(wǎng)的建立，當今網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已從幾年前的幾Mbps提高到幾十Gbps，這就意味著：網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率得以幾百倍，甚至成千倍的提高。由此給世界經(jīng)濟發(fā)展所帶來的實惠，真是不言自喻了)。為此,要求“網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換中心”在執(zhí)行數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸過程中，其“誤碼率”應該盡可能地低，以便向用戶提供連續(xù)和準確無誤的信息資源。為達此目的，當今互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新趨勢之一是：將原來分散于各企業(yè)中的小型局域網(wǎng)中的成千臺相關(guān)的服務(wù)器，集中在“互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心”/“互聯(lián)網(wǎng)交換中心”中，以便在各網(wǎng)站之間執(zhí)行“一步到位(one-hop)"式的數(shù)據(jù)交換操作；它通過整機租用服務(wù)器,托管服務(wù),專線輸入和網(wǎng)管服務(wù)等方式向網(wǎng)站和企業(yè)出租帶寬和提供計算資源/信息資源服務(wù)，從而將專業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)管理水平和互聯(lián)網(wǎng)的整體運行效率提高到一個嶄新的發(fā)展水準上。

2 信息網(wǎng)絡(luò)用UPS的三大特點

　　大量的運行實踐表明：UPS供電系統(tǒng)所提供的逆變器電源質(zhì)量的高低，是影響互聯(lián)網(wǎng)能否向它的最終用戶提供高速、可靠和安全的365d×24h的“全天候”的互聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)的關(guān)鍵因素之一。當今判斷一套UPS供電系統(tǒng)的質(zhì)量高低的標準應該是：

　　1)高可靠性要求UPS本身具有100％的可靠性。這是因為：如果向互聯(lián)網(wǎng)供電的UPS的可靠性為99％時，就會造成互聯(lián)網(wǎng)每年停機87.6h；當UPS的可靠性為99.9％時，就會造成互聯(lián)網(wǎng)每年停機8.76h，即使UPS的可靠性高達99.999％,它也可能造成互聯(lián)網(wǎng)每年停機5.26min。由此可見：互聯(lián)網(wǎng)對UPS供電系統(tǒng)可靠性的要求是何等之高。按照當今的UPS制備技術(shù)水平，唯一能完善地解決這個問題的辦法是采用雙總線輸入＋UPS冗余直接并機供電系統(tǒng)＋雙總線輸出＋“負載自動切換”開關(guān)的供電體制才有可能達到此目標。這是因為這是一種具有高度“容錯”功能的冗余供電系統(tǒng)，只要設(shè)計妥當，就可以消除可能出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)中的“單點瓶頸”型故障隱患。

　　2)高可利用率在這里所說的“高可利用率”是指UPS供電系統(tǒng)應該為互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供能充分發(fā)揮其技術(shù)潛力的電源運行環(huán)境，也就是說UPS供電系統(tǒng)不應該是只能保證向互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供100％的不中斷供電的能源提供系統(tǒng)，它更應該是能確保“互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備”不會因為UPS的供電質(zhì)量不高而處于“降額使用”狀態(tài)的、“凈化型”的高質(zhì)量供電系統(tǒng)(例如：100Mbps的服務(wù)器的實際運行速率僅為幾十kbps或幾kbps就屬于互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被“降額”使用的狀態(tài))。大量的運行實踐表明：迫使互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進入“降額使用”狀態(tài)的重要原因是“誤碼率”偏高。“誤碼率”偏高會導致互聯(lián)網(wǎng)的運行速度大大下降,造成互聯(lián)網(wǎng)“誤碼率”高的重要原因之一是：來自互聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)的各種“干擾”。有的用戶曾做過如下實驗：當采用雙隔離變壓器輸出(交流旁路通道＋逆變器輸出通道)的UPS向局域網(wǎng)供電時，其數(shù)據(jù)傳輸率為20個數(shù)據(jù)包/s；當改用零線對地線電位偏高的某型號UPS向同一局域網(wǎng)供電時，其數(shù)據(jù)傳輸率僅為8個數(shù)據(jù)包/s(這就意味著：造成局域網(wǎng)系統(tǒng)的實際“可利用率”幾乎下降60％左右)；造成此類“麻煩”的原因是在后一種UPS的供電系統(tǒng)中出現(xiàn)了“調(diào)制干擾”。由此可見：不同類型的UPS供電系統(tǒng)只能為互聯(lián)網(wǎng)提供不同級別的“抗干擾”保護，它們?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)可能提供的“可利用率”水準也會相差很大。這樣一來，擺在UPS用戶及UPS應用設(shè)計人員面前的重要任務(wù)之一是應該高度重視各種“電源干擾”對互聯(lián)網(wǎng)的高效運行所可能帶來的“潛在威脅”，尋求一種可向互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供純凈,穩(wěn)定電源的UPS供電系統(tǒng)。

　　3)抗干擾能力 UPS供電系統(tǒng)應具有較強的抗“人為或自然災害”的能力，以防在出現(xiàn)“突發(fā)性”事故時，造成互聯(lián)網(wǎng)運行的癱瘓。

　　例如：如果出現(xiàn)像科索沃戰(zhàn)爭期間，西方國家使用“石墨炸彈”來破壞南斯拉夫的供電體系等這類“人為事故”時，UPS供電系統(tǒng)是否具有不會出現(xiàn)“瞬間停止”供電/長時間停電事故的高“保安度”的系統(tǒng)設(shè)計方案和配置則是十分重要的。

　　考慮到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心必須要具備365d×24h的連續(xù)運行能力(要求網(wǎng)絡(luò)的連通率至少要達到99.99％以上)以及配置有功能強大的網(wǎng)管中心的現(xiàn)實。一般說來，它不需要、也不允許將過去UPS廠家為“非連續(xù)工作”的小型局域網(wǎng)所開發(fā)的電源管理軟件被原封不動地裝載在一臺單獨的PC監(jiān)視平臺上，為此，要求UPS廠家應提供必要的SNMP網(wǎng)絡(luò)接口(例如：MIB－RFC1628MIB)或一組繼電器干接頭接口，以便將所有的UPS監(jiān)控信號納入數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)中。利用這樣的網(wǎng)管系統(tǒng)，可完成如下監(jiān)控功能：

　　——實時監(jiān)測服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接狀況及故障報警；

　　——對應用程序的運行情況執(zhí)行監(jiān)測服務(wù)；

　　——提供準確、詳實的“數(shù)據(jù)流量”監(jiān)控和分析報告；

　　——當互聯(lián)網(wǎng)的供電系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的連接系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)出緊急報警，以便盡快排除故障。

　　基于上述情況，原來在小型的、“非關(guān)鍵用戶”的UPS供電系統(tǒng)中所用的“電源管理軟件”的某些電源管理功能將失去其應用價值，例如：

　　——因市電長期停電而致使電池長時間放電時，所用的"可編程定時"自動存盤和自動關(guān)閉操作系統(tǒng)的操作；

　　——UPS的定時開機/定時關(guān)機功能。

3 現(xiàn)代UPS的類型

　　近年來，在UPS的生產(chǎn)過程中，以微處理器為核心的數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)，高速網(wǎng)絡(luò)通信及高可靠性的CAN網(wǎng)控技術(shù)等為代表的軟件可編程技術(shù)已被大量地采用。以高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，內(nèi)置具有“完善的自動保護功能”的大容量IGBT管，UPS的關(guān)鍵功率驅(qū)動模塊的高效冷卻技術(shù)，可大幅度地降低功率驅(qū)動模塊的“開關(guān)瞬態(tài)功耗”的驅(qū)動電路技術(shù)，輸入功率因數(shù)自動校正技術(shù)，智能化“故障自診斷”檢測技術(shù),智能化的電池的“充放電”管理及電池性能預測技術(shù)，遠程網(wǎng)管監(jiān)控技術(shù)，圖形化輸出的“人－機”對話型菜單操作的大屏幕液晶顯示技術(shù)，及各種抗“干擾”抑制等新技術(shù)的不斷開發(fā)和改進，使得當今的UPS，無論是在智能化的管理方面，產(chǎn)品可靠性的提高方面，還是優(yōu)良的可維護性方面都獲得了前所未有的進步。現(xiàn)在的UPS產(chǎn)業(yè)已具備向用戶提供從后備式UPS，在線互動式UPS，Delta變換型UPS等非在線式UPS到各種雙變換式的真在線式UPS〔包括無輸出隔離變壓器的“高頻”在線式UPS，帶逆變器輸出隔離變壓器的在線式UPS，帶雙原邊繞組(交流旁路和逆變器輸出)輸出隔離變壓器的在線式UPS〕的能力。UPS單機的輸出功率從幾百VA的小型單相UPS到三進/三出型的1000kVA數(shù)量級的大型在線式UPS。相關(guān)的統(tǒng)計資料顯示:小型UPS的平均無故障工作時間(MTBF)為幾萬h，大型UPS的MTBF為20～40萬h.對于由大型UPS所組成的“1＋1”型的冗余直接并機UPS供電系統(tǒng)而言，其MTBF值高達200萬h左右。由此可見：不同的用戶可以根據(jù)自己的經(jīng)濟實力和所需要保護的信息產(chǎn)品及工業(yè)自動化控制設(shè)備的重要性來挑選自己所需的UPS產(chǎn)品。有一點需要特別說明的是：從應用技術(shù)的角度看，盡管所有上述的UPS都能完成“不間斷”地向用戶的負載提供電源供應的任務(wù)，然而，只有帶雙輸出隔離變壓器的雙變換型在線式UPS才有可能向用戶的負載提供純潔、穩(wěn)壓、無頻率突變/穩(wěn)頻、無“干擾”存在的和波形失真度極小的“全天候”的高質(zhì)量正弦波電源。

4 結(jié)語

　　從提高互聯(lián)網(wǎng)運行效率的角度來看，還需要特別注意如何正確地設(shè)計UPS供電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)，以便為互聯(lián)網(wǎng)能盡可能地達到100％的“高可利用率”創(chuàng)造優(yōu)良的電源供電環(huán)境。對于一套設(shè)計周到，選型適當?shù)碾p總線輸入和雙總線輸出型的UPS冗余供電系統(tǒng)而言，它可以向用戶的關(guān)鍵設(shè)備提供具有如下優(yōu)異特性的供電系統(tǒng)：

　　1）提供365d×24h的高“可靠性”電源，以確保用戶的關(guān)鍵設(shè)備能不間斷地獲得高質(zhì)量的供電；

　　2）具有高“容錯”功能的冗余供電體系，它能消除任何可能導致出現(xiàn)“單點瓶頸”型的故障隱患；

　　3）在確保用戶的負載由UPS連續(xù)供電的條件下，具有對UPS冗余供電系統(tǒng)中的某臺UPS執(zhí)行“完全停電”的定期維修/故障檢修的能力；

　　4）這種冗余供電系統(tǒng)，即使在遇到下例“突發(fā)性故障”時，負責向用戶的關(guān)鍵負載供電的UPS系統(tǒng)既不會進入由“市電交流旁路”供電的狀態(tài)，也不會進入“瞬間”供電中斷/停電的狀態(tài)：

　　 ——某臺UPS單機出故障時；

　　——于冗余并機系統(tǒng)中的某臺UPS因“出故障”需要進行緊急檢修或需要執(zhí)行定期的預防性維修時；

　　——配電柜中的開關(guān)因故“跳閘”或因接觸不良“打火”時；

　　——當市電輸入端出現(xiàn)短路故障/高能“瞬態(tài)切換"干擾時。

　　5）確保互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸過程中獲得盡可能低的誤碼率和低的數(shù)據(jù)丟包率，從而為互聯(lián)網(wǎng)的安全、可靠和高速的運行創(chuàng)造優(yōu)異的供電條件。

摘自《中國電源網(wǎng)》

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