數據中心UPS 系統外置維修旁路安全方案探討

雷超群， 王 兵

(伊頓電源(上海)有限公司，上海 200120)

0 引言

5 G 應用、云計算、物聯網、人工智能、大數據、巨大算力……這些都在促使數據中心的規模越來越大、重要性越來越高。 作為數據中心基礎設施的關鍵核心，UPS 時刻為數據中心關鍵負載提供不間斷供電，還兼具穩壓、穩頻、濾波、抗電磁干擾、防電壓沖擊等多重功能。

UPS 的高穩定性、高可靠性、高可維護性是數據中心對UPS 最基本的要求，直接影響數據中心的運營安全。 完善的UPS 供配電系統非常重要，不合理的系統架構，不完善的設計或配置，都會給數據中心UPS 供配電系統帶來巨大的供電安全隱患。

作為UPS 電源系統最基本的組成部分，外置維修旁路裝置的科學配置與合理設計也是數據中心供電安全的重要環節。 本文將以UPS 外置維修旁路開關的多種應用方案來探討數據中心UPS 系統的供電安全。

1 UPS 外置維修旁路設置的必要性

在數據中心等UPS 主流應用場景中，為了保證系統的可用性及必要的電氣隔離，除了在UPS 主機外部配置輸入、輸出等開關，還應配置外置維修旁路開關。 當UPS 主機因為自身故障等原因需要維修、移機更換時，或者對于數據中心最通常的多臺UPS 并機應用，僅僅依靠UPS 內部自帶的手動維修旁路開關不僅無法實現UPS 系統的安全維護、維修、換機等操作，還可能會帶來誤操作宕機的風險，例如北京某云數據中心就是因為沒有配置外部維修旁路，在年度例行維護時，導致嚴重的宕機事故，所以采用外置維修旁路開關是必然的正確選擇。外置維修旁路開關在維護維修時可實現IT 負載與UPS 主機的完全電氣隔離，在移機更換時可不中斷負載的供電，維護或更換過程中可避免長時間的負載斷電或單N 運行(注:對2 N 供電系統)。 外置維修旁路開關是UPS 供配電系統最后的安全屏障，其配置的完善性和操作的準確性直接關乎負載的供電安全。 不僅僅是數據中心，所有UPS 應用場景均需要配置完善的UPS 外置維修旁路。

2 維修旁路安全切換的重要性

UPS 電源系統配置了外置維修旁路開關后，運維人員仍然不可掉以輕心。 在UPS 正常的雙變換運行過程中，如果外置維修旁路開關誤合閘，則電壓、頻率、相位等存在的差異將導致發生嚴重的供電事故，存在供電中斷或“炸機”等重大風險。 外置維修旁路開關必須配置，但誤操作又會釀成重大事故，科學合理地應用UPS 外置維修旁路是確保UPS系統供電安全的重要措施。

后文將展示一種新的數據中心UPS 系統外置維修旁路安全方案，可以在便利維護的前提下最大限度規避誤操作可能帶來的安全供電風險。

3 數據中心UPS 外置維修旁路安全設計方案

3.1 維修旁路開關掛鎖方案

在UPS 應用中，多數情況下UPS 外部配電柜中的維修旁路開關都會掛鎖，鎖具是為防止人為誤操作而設置。 當UPS 需要維護、維修或更換等重大需求時，授權人員通過既定的操作步驟，將UPS 切換到靜態旁路后方可通過專用鑰匙將外置維修旁路開關合閘，以實現維護過程中的負載持續供電。 當外置維修旁路開關合閘后，為了實現UPS 的電氣隔離維護維修，需要將UPS 停機并斷開前后端的輸入、輸出開關。 UPS 修復后首先需要將UPS 切換到靜態旁路，然后閉合輸出開關，最后斷開維修旁路開關。 操作過程中任何一個環節出錯都可能導致重大的供電中斷事故。 例如在調試過程中的UPS逆變狀態下誤合了輸出開關，因逆變和市電的同時存在將可能出現“炸機”等極端情況；再如恢復過程中UPS 雖轉了靜態旁路但并未閉合輸出開關，此時斷開外置維修旁路開關則負載掉電。

外置維修旁路開關掛鎖方式易于實現且操作可控，但繁雜的操作過程對運維人員自身的要求極高，任何環節出現失誤均可能導致事故發生。

3.2 外置維修旁路開關與UPS 電氣聯鎖方案

在機械掛鎖的基礎上，通過外置維修旁路開關和UPS 間簡單的電氣聯鎖可提高防誤能力，原理示意圖如圖1 所示。

(1)外置維修旁路開關配置鎖具以實現機械鎖定；(2)將UPS 靜態旁路運行信號通過繼電器干接點串入外置維修旁路開關合閘回路，只有當UPS 切換為靜態旁路后外置維修旁路開關才能合閘；(3)將外置維修旁路開關的輔助觸點作為UPS 繼電器輸入，激活UPS“維護旁路管理使能”，即當外置維修旁路開關合閘時UPS 將無條件轉為靜態旁路模式。

上述方案具備一定的防誤操作能力，且易于實現，但最大的問題是:外置維修旁路開關合閘后其輔助觸點閉合，將持續給UPS 提供強制鎖定旁路的信號；此時若需要轉逆變調試，則無法切換狀態，只能人為解除外置維修旁路開關的輔助觸點。 同時，上述方案也無法及時提供因開關誤操作可能導致負載供電中斷的預警提醒，如斷開外置維修旁路開關時，UPS 輸出開關并沒有提前合閘。

3.3 新型雙磁力電磁鎖盤互鎖方案

為進一步提高UPS 維修旁路開關的操作安全性，筆者公司提出了新型雙磁力電磁鎖盤互鎖方案。 雙磁力電磁鎖盤是一套與UPS 聯動的電磁鎖裝置，由相應的磁力鎖、按鈕、指示燈、蜂鳴器等組成，指示燈和蜂鳴器的聲光提示配合按鍵、鑰匙等操作，可實現UPS 與外置維修旁路開關間的機械和電氣聯鎖。 圖2～4 分別列出了UPS 供配電系統原理示意圖、雙磁力電磁鎖盤原理示意圖以及電磁鎖盤外觀示意圖。

圖2 UPS 供配電系統原理示意圖

UPS 輸出開關(BK1)和外置維修旁路開關(BK2)均設置鎖具，且分別對應鎖盤上的一套電磁鎖，每臺開關只有一把對應鑰匙。 當鑰匙在電磁鎖盤上時配套開關因無鑰匙而無法合閘。 當鑰匙未解鎖時無法從鎖盤取下。

圖3 雙磁力電磁鎖盤原理示意圖

圖4 電磁鎖盤外觀示意圖

當UPS 正常運行在雙變換模式時，外置維修旁路開關(BK2)處于分閘狀態，其鑰匙鎖定在鎖盤上；輸出開關處于合閘狀態，其鑰匙在開關本體上。

當UPS 轉靜態旁路后UPS 通過繼電器輸出將“旁路運行”信號傳遞給鎖盤，電磁鎖供電回路導通，“靜態旁路指示燈”亮，此時鎖盤被激活，鑰匙可解鎖，且鎖盤會提供一個干接點信號到UPS 輸入繼電器Building Alarm 1(簡稱BA1)，該繼電器輸入對應UPS“遠程轉旁路使能”，UPS 將被強制在旁路運行狀態。 按動“BK2 鑰匙解鎖按鈕”后可取下SE2鎖盤的外置維修旁路開關鑰匙，鑰匙拔出后因鎖芯狀態改變蜂鳴器回路導通，蜂鳴器鳴叫，“內外旁路同時工作指示燈”亮，提示UPS 靜態旁路和外置維修旁路可以(或已經)同時運行；將鑰匙插入維修旁路開關后方可合閘，在此期間蜂鳴器會持續發聲。分閘UPS 輸出開關并取下鑰匙后，插入鎖盤輸出開關對應電磁鎖(SE1)，鎖芯狀態被改變，蜂鳴器因回路被斷開而停止發聲，接入到BA1 的UPS“遠程轉旁路使能”信號消除(UPS 已可以轉逆變)。 此時負載已由外置維修旁路供電，可對UPS 進行維護操作。 如果UPS 轉為了逆變模式，“UPS 旁路運行”狀態指示燈滅，能讓運維人員及時獲悉UPS 已脫離旁路運行狀態。

維護結束系統需要恢復時，如果“UPS 旁路運行”狀態指示燈并未亮，需要先將UPS 切換到靜態旁路，UPS 旁路運行信號通過繼電器干接點再次串入鎖盤供電回路，“UPS 旁路運行”狀態指示燈亮，鎖盤再次被激活，連接到BA1 的UPS“遠程轉旁路使能”信號再次將UPS 鎖定在旁路模式。 按動“BK1 鑰匙解鎖按鈕”后可取下UPS 輸出開關鑰匙，鎖芯狀態改變，蜂鳴器鳴叫，“內外旁路同時工作指示燈”亮，將輸出開關鑰匙插入輸出開關本體并合閘。 分閘外置維修旁路開關，取下鑰匙，插入外置維修旁路開關對應鎖盤(SE2)，鎖芯狀態再次改變，蜂鳴器消音，連接到BA1 的UPS“遠程轉旁路使能”信號解除。 將UPS 切換到雙變換運行模式，UPS 旁路運行信號消失，鎖盤被鎖定。

為了確保任何時候UPS 輸出開關和維修旁路開關同時合閘時不會導致極端情況發生，將UPS 輸出開關和維修旁路開關的輔助觸點串聯后接入UPS輸入繼電器Building Alarm 2(簡稱BA2)，該輸入繼電器對應UPS“維護旁路管理使能”。 當UPS 輸出開關和維修旁路開關同時合閘時，UPS 將無條件切換到旁路模式，以避免發生事故。

4 結束語

雙磁力電磁鎖盤互鎖方案可以確保逆變模式下UPS 輸出開關和維修旁路開關不能同時合閘；電磁鎖的設置使得操作受控；聲光提示可以讓運維人員時刻知曉UPS 狀態以及所需操作；維護過程中UPS 可自由轉逆變狀態以滿足調試的需要。 新型雙磁力鎖盤互鎖方案從操作邏輯到機械鎖的冗余設計，運維人員按照固定的操作流程執行，可有效避免人為誤操作，提高UPS 系統可靠性和可用性，為數據中心機房建設互鎖問題提供了新的解決方案。