UPS 改造為基礎設施護航

■ 北京 劉嘉琦 李洋

編者按：隨著公司信息化發展的需要，業務的逐漸增多，支撐業務的基礎設施也越來越多，因此支撐機房硬件設備的后備電源尤為關鍵。本文以實施UPS 改造工程為例，通過新建UPS 機房，增加UPS 設備，完成新老設備的業務不中斷割接，消除了電力重大風險，保障了業務連續性和持久運行，最后給出在相關工作場景中的一些建議。

筆者單位共有內網和外網機房各一個，UPS 機房一個，其中安裝有兩臺Galaxy 5000 40KVAUPS 不間斷電源，每臺由32個150 mA 電池作為后備，兩路市電輸入，UPS 各自單機運行，四路輸出，同時為兩個機房的AB 路分別提供電源保護，組成了2N 電源系統結構。在改造前已經連續運行超過10 年。

由于UPS 設備使用年限較長，設備內主要功率器件性能下降，而且UPS 系統單臺負載率達到了80%，已經超過雙路UPS 電源可承擔最大負載量，存在電源過載風險，因此需要對UPS 系統進行改造，提高整個UPS 系統的安全性，并滿足未來機房負載增長的容量需求。

圖1 改造前UPS 系統架構圖

改造前架構及存在問題

改造前2 臺UPS 單獨運行，同時為兩個機房提供雙路電源保護。這兩臺UPS 互為備份，正常情況下同時運行均分負載，按照系統設計要求，每臺UPS 應該都能承擔全部機房負載，一旦有1 臺UPS斷電，全部負載會無縫切換到另外一臺UPS，以保證機房IT負載能連續運行。但是改造前兩臺 40KVAUPS 負載率非常高，電源容量失去備份能力，如果有1 臺UPS 輸出斷電，全部負載將切換到另外一臺UPS，造成那臺UPS 系統出現過載情況，使UPS 系統無法支持機房負載的供電保護。兩臺的負載量分別 為27.1 KVA/23.9 KW 和29.4 KVA/26.8 KW，總負載量為56.5 KVA/50.7 KW，系統架構圖如圖1 所示。

改造前外網機房由于PDU 插座數量有限，已接近飽和，需要重新部署PDU 和配電柜，以保障設備有足夠的電源插座。

圖2 改造后架構圖

方案設計及改造后架構

1.負載計算

改造后的UPS 采用2（N+1）結構，能最大限度的提供電保護。外網機房機柜數量24個，按照每個機柜負載量2 KW 計算，外網機房的預計負載容量約40 KVA，最大負荷電流約70 A。外網機房的現有負載約23 KW，按照負載容量增加一倍考慮，內網機房的預計負載容量約40 KVA，最大負荷電流約70 A。因此當前總負載57 KVA 預計負載80 KVA，所以單臺UPS 容量80 KVA，可滿足機房負荷增長需求。安裝2 臺模塊化96 KVA（80 KVA+16 KVA）UPS，組成2（N+1）UPS 電源系統。

2.系統架構

圖3 新建UPS 機房結構圖

新UPS 系統中的一臺UPS 為兩個機房的A 路供電，另一臺UPS 為兩個機房的B路供電。外網機房重新部署PDU 插座，內網機房延用原有PDU 并且使每臺80 KVA UPS 達到滿載（負載功率因數0.9，負載72 KW）情況下，電池后備時間1 h，改造前2臺UPS 的電池組利舊，并且在此基礎上，增加UPS 電池組。當2 臺UPS 同時帶載運行情況下，電池后備時間大于2 h。此次改造選用了PX160K 型號模塊化UPS，實際安裝96 KVA 模塊，其余模塊插槽空余方便日后擴容需求，改造后的UPS 系統架構如圖2 所示。

考慮新UPS 系統的承重問題，因此選擇在公司B2 層新建UPS 配電機房，安裝新的2 套UPS 和電池組。這樣，機房的建設、布線以及新UPS的調制在系統割接前均是獨立進行的，對正在運行的系統并無影響，因此保障了系統運行的連續性。圖3 為機房的布局圖。

3.互投設計

公司兩路市電輸入，如遇到一路市電故障時，或者因為電力施工需要單路市電供電時，UPS 正常功能不能受影響。因此在UPS 輸入配電柜上做了互投設計，配置了ATS 開關，這樣即使市電輸入只有一路的化也可將單路供電分別作為兩路UPS 的市電輸入，進而不需要啟動電池供電。這樣可以應對長時間的市電單路供電，保障業務系統正常運行不斷電，系統結構如圖4 所示。

新舊系統割接

1.風險應對

（1）電源割接的風險應對

割接過程中要求業務系統要連續運行。機房電源分配柜總開關切換到新UPS 電源時，需要機房A 路、B 路電源交替停電進行電纜割接，割接過程中機房單電源負載會出現斷電情況，雙電源負載會在切換期間只有一路電源供電。新96 KVA UPS 輸出至機房分配柜的4 根輸出電纜在電纜割接前敷設完成，UPS 輸出端先連接完成，做好加鎖掛牌和絕緣防護，以減少電纜割接的停電時間。

雙電源負載設備要提前檢查電源線連接，保證雙電源連接在兩路不同UPS 電源插座上。為避免機房的單電源負載設備在電纜割接時出現斷電情況，需檢查和調整單電源負載設備連接在保持供電的那一路電源插座上。在保證施工安全的前提下，縮短電纜割接的時間，并安排業務量不重要的時間段進行機房分配柜電纜割接。做好數據備份和技術保障工作。

（2）UPS 過載的風險應對措施

外網機房和內網機房電源分配柜割接分步進行。外網機房電源割接過程中，原2 臺40KVA UPS 電源正常供電，機房IT 設備只是更改電源線時會短時單路供電。外網機房電源配電改造后，外網機房的IT 負載將由2臺新增PX96 KVA UPS 來供電。由于外網機房的IT 負載已經由PX96 K UPS 承擔，2 臺40 KVA 只承擔內網機房的負載約23 KVA，當斷電一臺內網機房的電源分配柜進行總進線電源割接時，內網機房的全部負載切換到一臺40 KVA UPS 帶載時，不會造成40 KVA UPS 過載。

由于2 個機房電源割接分步進行，不會出現40 KVA UPS 過載問題，所以電源割接時不需要將機房IT 設備停機來降低負載量。

（3）兩個機房同時一路停電的風險應對措施

圖4 市電輸入配電柜互投設計

現有2 臺40 KVA UPS 同時為外網機房和內網機房負載提供電源保護，從UPS 內部輸出開關至機房電源分配柜總開關之間，沒有輸出支路開關。在機房電源分配柜電纜割接時，UPS 輸出停電會使兩個機房A 路電源同時斷電，無法做到兩個機房電源割接分開進行。

外網機房和內網機房電源分配柜割接分開進行。通過在外網機房新增2 個PMM精密列頭柜，重新敷設到每個機柜的2 路電源和機柜電源插排，在不影響40 KVA UPS 運行情況下，逐步將外網機房的IT 負載轉由2 臺新增PX96 KVA UPS 來供電。新增PX96 KVA UPS 配電柜有多個輸出分路開關，至內網機房的輸出開關保持斷開狀態，便于內網機房的兩路電源分配柜分別進行進線電纜割接。由于2 臺40 KVA 只承擔內網機房的負載，所以40 KVA UPS 輸出斷電進行電纜割接時，只會使內網機房的一臺電源分配柜斷電，此時外網機房負載由PX96 KVA UPS 供電，不會影響到外網機房負載。

（4）更換外網機房電源插座的風險應對措施

更換機柜電源插座，需要電源插座逐個停電來完成，而且原機柜電源插座是電纜線直接接到配電柜支路開關上，中間沒有插座或連接器。

新機柜電源插座，將由外網機房新增PMM 精密列頭柜來供電，還將重新安裝強電線槽和敷設支路電源電纜、工業連接器，安裝過程中不影響原機柜電源插座的供電。PMM 精密列頭柜和機柜插座安裝完成后，將每個機柜、每個IT 設備逐個將電源改到新的PMM 精密列頭柜供電。

（5）內網機房割接中電池后備計算

電源割接需要按每路割接，并且確保所有雙路電源的設備不斷電，業務連續性不受影響，因此在斷掉其中一路電進行割接時需要考慮后備電源是否能得以應急。在進行內網機房輸出分配柜進線電源從40 KVA UPS 割接到新PX160 KVA 模塊化UPS實施步驟時，需要將一路UPS供電停電進行配電柜電纜割接，屆時內網機房全部負載由一臺40 KVA UPS 承擔。

Galaxy5000 UPS 容量40 KVA，UPS 最大輸出有功功率=40 KVA×0.8=32 KW 電池后備時間計算，按內網機房的實際負載23 KW 計算，電池供電時UPS 逆變器效率η ＝0.95，UPS 額定直流電壓DC ＝12 V×32=384 V，每組電池只數=32 只12 V電池，每組電池2V 單體數CELLS ＝32×6 ＝192 個2 V 單體，選用電池型號為施耐德M2AL12-150，12 V-150 Ah 電池按照UPS 電池放電截止電壓335 V 計算，單體電池最低放電電壓為1.75 V。電池組需要提供的總功率＝32 KW×100% 負載/0.95 ＝24 210 W，UPS 配置1 組×32只電池，則每只12 V 電池需要提供的功率＝24 210 W/32只/1 組＝756.6 W/ 只，每電池2V 單體需要提供的功率＝24210 W/192cell/1 組＝126.1 W/cell。查閱電池參數得知，在單體終止電壓為1.75 V（10.5 V/ 每只電池），放電時間為1 h 情況下，單體放電功率為190 W/CELL(單體)>126.1 W/cell 的電池放電功率需求，所以每臺Galaxy5000 40 KVA UPS，在配置1 組32 只150 mAh 電池。在承擔23 KW 內網機房全部負載情況下，UPS 后備電池時間將超過1 h，實際能達到1.5 h 以上。這段時間足可以完成割接工作，因此可以應對割接中的電力風險。

2.割接過程

在UPS 機房建設完成后，外網機房安裝精密列頭柜和PDU 電源插座，調試完成后正式上電，2 路PMM 列頭柜供電，啟動割接工作。

首先將機柜設備的AB 兩路電源依次通過插拔插座的方式切換到機柜的新PDU 上，這樣完成了外網機房的負載遷移，全部由舊UPS 遷移到了新UPS 上。

然后內網機房A 路電源分配柜進線電源切換到新UPS 上，新UPS 單路完全接管了內網機房負載后將第一臺40 KVA UPS 停機拆電池，再將內網機房B 路電源分配柜進線電源切換，完成后第二臺40 KVA UPS 停機拆除。這樣全部負載均且換到了新UPS 上。

最后將兩臺舊UPS 拆下來的電池加入新UPS 的電池組中利舊，拆除外網機房舊配電柜和PDU，完成了割接工作。

改造過程中所有雙電設備均未斷電，所有IT 業務均未受到影響，改造后兩臺UPS的負載率分別在35%和39%，實現了2N+1 系統，可以支持未來3～5 年內公司的IT業務發展，化解了UPS 負載過高給基礎設施帶來的重大風險。

思考與建議

隨著IT 技術越來越快的發展，對應硬件設備的增量也是越來越快的，負載的增加速度會越來越快。這樣在選擇UPS 時候應該考慮動態增量問題，對于傳統定負載量的UPS 來說，一次升級費時費力。因此在初期建設時選擇模塊化設備，按需預留，可以實現熱插拔，有負載增加即可實現實時擴容。單位此次UPS 改造中所采用的PX160 KVA UPS 總負載可以達到160 KVA，每個模塊16 KVA 用了6 個模塊共96 KVA 來實現2N+1 系統，剩下4 個空余模塊以備日后業務發展，隨時增加。

在硬件IT 設備選購上盡量采用雙電設備，這樣即使遇到故障單路供電也不會影響業務。對于無法實現雙電的設備要合理分配好A 路和B 路，不要只讓負載在單獨一路上，這樣兩臺UPS 所帶負載就會出現不均衡的現象。

在整體基礎設施維護中建立報警和監控機制是尤為重要的，部署相應的環控系統，即時監控溫度、濕度、漏水、電壓電流、每個PDU 的負載量等參數，遇到異常及時發出報警，通過微信短信的方式，及時排除隱患，防控重大風險。

針對UPS 所可能出現的各種故障，需要建立相應的應急響應機制和聯動措施，一旦UPS 有故障，按照相應的處置聯動措施進行處置，快速嚴格執行，避免因電力問題導致IT 業務中斷，此類問題很有可能帶來設備硬件損壞或者數據丟失等重大事故。做好UPS 系統的維護和更新，化解后備電力對基礎設施帶來的重大風險。