煉化企業中心機房UPS系統冗余性研究

申志紅 梁偉

[摘 要] 隨著各行各業數據中心建設的迅猛發展，數據中心的規模也越來越大，巨大的用電容量給數據中心建設和運營都帶來了巨大的壓力，數據中心電源解決方案及選型也顯得愈加重要，如何合理配置資源、提高數據中心供電的安全性、降低運營成本，成為機房建設中重點考慮的因素。對于數據中心UPS冗余性的提升也是提升數據中心供電可靠性的重要手段，UPS系統并機方案的最優選擇，是提升數據中心UPS冗余性的重要保障。隨著信息化建設的不斷發展，計算機網絡和應用服務器等基礎設施的數量迅猛增長，對供電設備的可靠運行提出了更高的要求。為了提供良好的設備運行環境，通過對數據中心UPS電源選型和并機方案的研究，力求找到適用于煉化企業中心機房UPS并機的最佳方案，提高機房用電可靠性。

[關鍵詞] 數據中心；中心機房；電源解決方案；冗余性；UPS系統；并機

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 11. 051

[中圖分類號] TP311 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）11- 0116- 03

1 數據中心電源解決方案及選型

近年來，隨著互聯網和計算機技術的發展，基于互聯網提供的各種服務也變得越來越多。作為這些互聯網應用服務載體的數據中心，其建設需求也在不斷增加。特別是近幾年來，我國通訊、金融、能源、信息等行業都投入了大量的資金用于數據中心的建設。

1.1 數據中心對供電系統的要求

數據中心對供電系統的要求主要包括幾方面：安全可靠、節能環保 、可維護性、建設成本。

1.1.1 集中式供電方案

由一臺UPS組成單機供電系統、多臺UPS組成并聯供電或雙總線供電系統，再通過配電集中給負載供電，這種供電方案一般情況下UPS系統與機房用電設備是分開的。該供電方案一般UPS的單機容量在200～400 kVA較多。

1.1.2 分布式供電方案

在機房各列服務器加入單獨的電源供電，形成整體機房的分布式供電解決方案，電源產品一般以高頻機為主，功率容量一般在10～100 kVA合適.

1.2 電源產品解決方案

1.2.1 傳統UPS供電解決方案

（1）工頻機UPS供電解決方案

采用傳統相控整流UPS組成“1+1”雙總線供電方案，解決單點故障瓶頸，具有很好的容錯能力，提高供電系統的可靠性。一般運用UPS的單機功率容量在200～400 kVA較多。

（2）高頻機UPS供電解決方案

采用IGBT整流型UPS組成“1+1”雙總線供電方案，解決單點故障瓶頸，具有很好的容錯能力，提高了供電系統的可靠性。

1.2.2 模塊化UPS供電系統解決方案

該方案采用模塊化UPS組成“1+1”雙總線供電系統，解決單點故障瓶頸，一般單機容量在200～480 kVA比較合適。

2 UPS系統冗余性及UPS系統安全運行

服務器、存儲設備、交換機等設備作為數據中心的關鍵構成部分，都采用UPS供電，因而UPS的安全可靠性就直接影響數據中心各關鍵設備的安全穩定運行。用戶為了提高UPS的供電可靠性采取了各種措施，很多數據中心廣泛采用并機方案來提高UPS的供電可靠性，但投入后與預期還是有較大的差距，出現了各類故障，從而對關鍵設備的供電安全造成嚴重威脅。因此對UPS系統并機方案的選擇以及對影響UPS系統可靠運行的關鍵技術參數研究顯得越來越重要。

2.1 常見的三種UPS并機方案

2.1.1 串聯熱備份方案

本方案是并機早期的鏈接方式，因受當時并機技術的制約，設備的使用率較低，安全可靠性有限，不能滿足用戶的更高安全要求，目前用戶已很少采用此種并機方案。由于兩臺UPS無須在同一控制程序下協調工作，無須通訊鏈接，所以只要UPS功率滿足負載要求的情況下，可以是不同品牌的UPS。

2.1.2 “1+1”并機方案

在用戶既要求提高安全可靠性又要求提高設備使用率的情況下，隨著并機技術的不斷發展，可以實現兩臺UPS在同一控制程序下穩定地協調工作，根據兩臺UPS的工作方式稱之為“1+1”并機。正常工作時兩臺UPS各承擔50%負載；若其中一臺UPS出現故障，另一臺UPS自動承擔100%負載，故障UPS自動退出并機模式；當故障UPS維修好以后可直接投入并機，兩臺UPS自動均分負載；若故障UPS退出并機還沒有維修好，而帶載UPS也出現故障，此時將自動切換至帶載UPS的旁路；當兩臺UPS全部維修好以后，按并機開啟步驟可將兩臺UPS投入到“1+1”并機工作狀態。

單機UPS若逆變器故障時就自動切換至旁路，“1+1”并機相對單機UPS，多了一臺UPS自動承擔100%負載安全保護措施，可以有效避免逆變器切換至旁路時造成的切換風險，“1+1”并機相對性能穩定的單機安全可靠性又得到了較大的提高，可在同一控制程序下協調工作，兩機之間需要通訊連接，所以兩臺UPS要求是同品牌、同系列、同規格的UPS。

2.1.3 “N+1”并機方案

“N+1”并機方案主要是解決當負載功率大于UPS單機功率時的帶載問題，目前工業用戶的負載一般都不會超出現有UPS的單機功率，大型行業用戶處于安全性考慮，全廠所有的負載供電不會設計成由一套UPS供電系統來承擔，通常以每個車間的負載來單獨配置UPS，所以工業用戶基本上用不到并機方案。

當負載功率大于UPS單機功率時，如負載功率為5 000 kVA，而現有的UPS單機最大功率為1 000 kVA，可以用5臺1 000 kVA的UPS并機分擔負載，考慮到安全性，再加一臺UPS作為備用，當其中一臺UPS故障時，備用UPS投入運行承擔負載，此方案則為“5+1”并機方案。

2.2 影響UPS安全運行的基本因素

2.2.1 解決UPS單機基本技術問題是UPS安全運行的保證

現在有很多出于成本和安全性考慮的新并機方案，其實若考慮成本只需采用一臺性能穩定的UPS就可，若經濟條件允許要達到更高的安全性， “1十1”并機就足夠了?，F在很多大型工業用戶在采用并機方案時增大了一個誤區，單機運行不穩定就采用并機方案，錯誤地理解單機存在的技術問題可以由并機來解決，雖然并機相對單機在安全性上有較大提高，但最主要影響UPS安全運行的因素是，所選用的UPS生產廠家能否很好地解決單機與并機技術，并機是建立在非常穩定的單機基礎上，若單機技術沒有得到很好的解決，并機出現的問題將更多。

2.2.2 UPS應同時具備兩項非常重要的功能

（1）在設備使用期內給負載提供純凈、標準的正弦波交流電源

其實UPS不是孤立連接在獨立的電網中，電網給UPS供電不是絕對的所需標準值，存在標準值與非標準值兩種情況，同一電網用電設備越少越接近標準值（如普通商業使用環境）。UPS故障大多表現為元器件故障，即硬性故障。用電設備越多越偏離標準值（如大型工業系統使用環境），在元器件質量滿足要求的情況下UPS的故障，多表現為電網因素造成的監測、處理、控制系統故障等，即軟性故障。外部因素是一個變量，很難去具體地監測和抑制它，即具有較大的隨機性和隱蔽性，這就是同一UPS在工業環境比商業環境使用更難以實現穩定運行的原因。由于用戶對UPS基本技術了解的局限性，很難區分上述因素并進行全面的技術分析及安全評估，而很多UPS廠家因受技術制約又不想區分太清楚，這是多年來一直困擾大型工業用戶投入的UPS與運行要求有較大差距的主要原因。

（2）為負載提供非常穩定的不間斷電源保護

隨著UPS技術的不斷發展，若只是實現UPS給負載提供純凈、標準的正弦波交流電，已不是UPS技術的主要難題，現UPS技術真正面臨的難題是怎樣實現對負載更穩定的不間斷保護，而外部因素又難以去具體地監測和抑制，具有較大的隨機性和隱蔽性。簡單地說，UPS技術所面臨的難題就是怎樣提高UPS抗擊外部因素的能力，便UPS運行盡可能少地受制于外部因素，這是UPS要實現穩定運行必須解決的問題，尤其是要滿足大型工業系統運行要求的UPS。

工業系統負載電壓多為220 V，輸出電壓220 V的UPS設計與生產難度要遠高于輸出為380 V的UPS，因I=P/U，當P一定時，I與U成反比關系，220 V時UPS元件所承受的電流強度將近380 V時UPS的兩倍，P越大要求元件所承受的電流強度越大，這對元器件將是一個巨大的考驗，所以380 V的UPS功率可以做到1 000 kVA，而220 V的UPS最大功率都在200 kVA以下。220 V的UPS元器件所承受電流強度的能力是一個非常重要的指標，這就是很多UPS使用不久就出現硬件故障的一個重要原因。

UPS并不是連接在一個理想的電網中，同一電網下設備的運行都會對電網造成沖擊和干擾，這沖擊和干擾在電網中的出現具有較大的隨機性和隱蔽性，因此很難去具體地監測和抑制它，也不可能為UPS裝備一套獨立的、比較理想的電源。在這種情況下只有提高UPS自身抗外部干擾的能力，使UPS運行盡可能少受制于外部因素。UPS的設計方案只有有效地避開外部因素的干擾，在硬件技術得到充分解決的情況下，UPS在設備的使用期內才能實現穩定運行。

UPS要實現穩定運行需要快速地處理供電系統，當UPS遇到較大外部因素干擾時，能快速地進行處理與控制，不會出現UPS無法控制的局面而出現各類故障，為了對負載供電執行緊急保護，嚴重時負載供電會出現中斷，每個廠家設計與控制方案不一樣。因受技術的制約，每個廠家的設備運行穩定性也不一樣，包括進口設備。所以工業用戶在選購UPS時務必全面地對設計方案進行技術分析和安全評估，靠簡單的驗收時的實驗，單一地以UPS是否切換及輸出正常、業績數量、是否是進口產品作為選擇標準，選擇UPS的運行穩定性肯定與運行要求有很大差距。

工業用UPS因受外部因素影響較大，由于技術的制約，每個品牌UPS并不是都能很好地解決技術難題，因而不同品牌UPS的使用穩定性就有較大差異。用戶在選購UPS時必須全面進行對比分析，不論是單機還是并機，運行穩定與否完全取決于所選用的UPS廠家能否有能力很好地解決單機和并機的技術，沒有堅實的技術保障，不論單機還是并機都不可能實現設備在使用期內穩定運行。因此，UPS并機相對于性能非常穩定UPS單機的安全性有較大提高，但不是解決單機存在基本技術問題的最終措施。

3 結 語

煉化企業中心機房作為企業的信息中心樞紐，在生產經營中具有非常重要的地位，對供電系統的可靠性要求非常嚴格。本文通過對數據中心電源解決方案和UPS系統并機方案的研究，制定了適合煉化企業中心機房的UPS并機方案。方案實施完成后，消除了原來的UPS單點故障風險，兩臺UPS各分擔50%負載，顯著提升了中心機房供電質量和供電能力，保障了中心機房長期安全穩定運行。