超大型IDC机房用智能化UPS供电系统

李成章　艾默生网络能源公司

　　摘 要 本文通过UPS电源的具体应用实例，介绍了IDC机房使用UPS供电系统的特点及其优点。

　　关键词 IDC UPS 供电系统

　　李成章 艾默生网络能源公司，高级产品经理，高级技术顾问。从事UPS电源的分析，研究和设计工作。基于对多种UPS电源的详细分析及参与多项大型信息网络用一体化UPS冗余并机供电系统机房的设计工作的实践。自1990年起，先后出版《现代UPS电源及电路图集》等4本UPS电源专著及《信息网络时代UPS》网络教育光盘。曾在国外大学从事科研工作近4年，在IEEE等杂志上发表论文20多篇。

　　具备冗余式供电能力为3800kVA，其最大供电能力高达6000kVA的超大型IDC机房用智能化UPS供电系统采用的是双总线输入、双总线输出+负载同步控制器+负载自动切换开关设计方案所构成的、具有世界一流技术水平的超大型UPS供电系统。这种端到端的一体化UPS供电系统不仅可以消除各种可能出现的单点瓶颈故障隐患。而且，还可向位于IDC机房内的各种IT设备连续提供365×24h高品质的UPS逆变器电源。

1 IDC机房用UPS供电系统应有的基本特性

　　随着信息化时代的到来、大批IDC机房如雨后春笋般地出现在电信企业、金融企业、政府网站和制造业中。互联网数据处理中心（IDC）承担着为入驻的各类网站、企业和用户提供能处理突发性的大数据吞吐量的，高效数据传输率的，能连续地执行高速宽带互联网增值服务任务，从而使得各类用户在信息网络上能顺利地完成各种信息资源（数据，语音和图形等信息）的交换/分享操作任务、而执行着各种网管操作功能的网络枢纽调控中心。鉴于当今被安装于信息网络机房内的绝大多数IT设备（服务器、交换机、光端机、网关、磁盘阵列机和通信设备）所允许的瞬间供电中断时间仅为0.01～0.02s左右。这就意味着：对于关键性的IDC机房所用的UPS供电系统而言，在运行中如果出现0.02s以上瞬间供电中断的故障时，就会造成网络瘫痪事故发生。众所周知：一旦网络瘫痪后，要想让整个网络重新恢复正常工作往往需耗时几十分钟至几小时。显而易见，由此会给用户带来巨大的经济损失。基于上述原因：对于负责向IDC机房供电的UPS供电系统而言，必须满足如下基本要求：

　　（1）采用带输出隔离压器的双变换、在线式UPS来提供纯洁的逆变器电源。

　　大量的运行实践表明： 只有带输出隔离压器的双变换、在线式UPS电源才有可能向IDC机房提供同时具有稳压的、连续供电的、无频率突变的、无干扰的、无波形失真的、零线对地线电位低的纯洁正弦波电源（凡是熟悉IDC机房运行的人士均知道：为确保服务器、小型机等能高效运行的前提之一是: 供电系统的零线对地线电位<1V）。其中稳压和连续供电的两种特性是确保IT硬件安全运行的前提条件，而后四种特性则是确保IT设备在数据处理、存储和传送操作的全过程中实现高速宽带、可靠操作的必要条件（它可降低误码率/逻辑操作错）。有鉴于此，在IDC机房中不宜选用价格便宜的非双变换、在线式UPS或不带输出隔离压器的双变换、在线式UPS（它的零线对地线电位过高）。

　　（2）对于IDC机房用的供电系统来说，它是不允许UPS进入由市电经交流旁路供电的工作状态的。

　　这是因为：一旦UPS处于交流旁路供电的工作状态时（包括交流静态旁路和维修旁路），此时用户的所有关键性负载都是由毫无安全保障的低质量电源来供电的，它会对信息网络的安全运行带来下述的严重故障隐患。

　　* 输入电源出现瞬间供电中断（大于0.02s的瞬间停电）故障→信息网络设备关机/莫明其妙地开机自检误动作，从而导致网络瘫痪发生。这种危险性存在于:一旦在公用电网上因故发生停电/短路故障时，重者就会因长时间的停电而造成信息网络设备关机，轻者就会因信息网络设备莫明其妙地开机自检误动作而造成网络瘫痪（例如:对于未采用双总线输出设计方案的UPS供电系统来说，一旦在输入电网/UPS输出端因故出现严重过载/短路故障时，就会因断路器开关的跳闸时间/熔断器的熔断时间高达几十到几百毫秒左右、从而导致大于0.02s的瞬间供电中断故障发生）。

　　* 串入各种电源干扰→误码率增大、逻辑操作错，从而导致信息网络的有效运行速率急剧下降/信息网络设备莫明其妙地死机（网络瘫痪）;

　　（2）对于IDC机房用的供电系统来说，当它工作在恶劣运行条件时（例如：在它的电源输入端出现高能浪涌/频率突变时; 在其UPS电源输出端有启动浪涌电流很大的非线性负载投入时），能否确保UPS供电系统继续稳定可靠地运行是能否消除网络瘫痪故障隐患的重要条件之一。

　　近年来，通过对在国内的若干信息网络机房用的UPS冗余并机供电系统中所发生的偶发性的瞬间供电中断（瞬间停电时间从几十毫秒到几秒数量级）或长时间停电故障，并进而造成网络瘫痪的事故的分析发现：它易于发生在具有下述的弱点/缺点的UPS产品中：

* 某些输入端无有效输入过压保护的UPS;

* 某些采用无输出隔离变压器设计的UPS;

* 某些采用并联/串并联拓扑结构设计的UPS;

* 某些在交流旁路上未配置输入电流检测功能的UPS;

* 某些片面追求动态响应高指标的UPS。

　　上述事实说明正确地选择UPS单机产品是配置高品质IDC机房用UPS供电系统的技术前提之一。

　　为确保华为公司的IDC机房能长期安全、可靠地运行，艾默生公司在充分地总结国内外IDC机房运行的成功经验/事故教训的基础上、为它配置一套性能优越、设计功能完善的端到端的一体化UPS供电系统（它包括从冗余式双总线输入电源起到最终IT设备端所需的双总线输出配电柜之间全套供电设备）。 这样的一体化UPS供电系统可向华为IDC机房长期提供电源可利用率。高达99.99999995%的高品质的UPS逆变器电源（年平均的停电时间小于0.15s左右）。

2 IDC机房用的智能化UPS供电系统

　　为华为IDC机房供电的UPS供电系统采用的是具有双总线输入、双总线输出调控特性的N+1UPS冗余并机供电设计方案，其技术优势为: 它具有提供365天×24h的纯净UPS逆变器电源的连续供电能力。这是由于我们采用如下设计周全的系统配置方案：

（a）选用经多年运行实践证明：技术先进、稳定可靠的Hipulse 系列UPS（带输出隔离压器的双变换、在线式UPS）;


（b）选用N+1型冗余并机系统及闭环式冗余并机通信技术，它可大大提高UPS供电系统的容错功能和供电质量。在运行中，即使遇到某台UPS因故出故障时，IT设备仍然由UPS的逆变器电源供电;

（c）采用具有双总线输入、双总线输出的配送电设计方案，在整个供电系统中、不存在单点瓶颈故障隐患;

（d）允许操作人员在UPS逆变器电源连续供电的条件下，执行安全的不带电的维护和检修操作;

（e）由于在UPS供电系统中、采用负载同步控制器（LBS）+ 负载切换开关（LTM）设计方案，即使在用户负载端出现短路故障时、它能在把短路故障的影响限制在最小的范围之内的同时，将未发生短路故障的其它负载迅捷地切换到另一套正常工作的UPS逆变器电源上，从而确保IT设备能获得极高的电源可利用率;
（f）零线对地线的电位很低（小于1V）。
　　华为IDC机房用的UPS供电系统是由以两套N+1型UPS冗余并机系统为核心所组成的超大型UPS供电系统。正常工作时，它的冗余式供电能力为3800kVA，其最大供电能力高达6000kVA。该系统主要由如下两部份所组成:（1）2+1 型UPS（800kVA）冗余并机系统;（2）1+1 型UPS（600kVA）冗余并机系统。

　　2.1 由两套2+1型UPS（800kVA）冗余并机系统为核心所构成的双总线输入、双总线输出UPS供电系统负载自动切换开关+ 负载同步 控制器所组成的双总线输入，双总线输出型UPS冗余供电系统

2.1.1 双总线输入式冗余供电系统

　　来自两台10kV/380V、输出功率为3150kVA的输入变压器A和B的两路输入电源1和2经由3个6300A的K1a、K1b和K1c开关所组成的冗余式自动切换开关组被分别送到两套处于互补工作状态的2+1型UPS（800kVA）冗余并机系统A和B的输入开关柜A和B上。正常供电时，输入电源1和2分别承担着向互补式的2+1型UPS冗余并机系统A和B的优先供电电源的任务。与此同时，输入电源1和2还分别承担着向2+1型UPS冗余并机系统B和A的备用供电电源的任务。在运行中，如果因故致使优先供电电源停电或自动切换开关K1a/K1b因故脱扣跳闸时，在上述自动切换开关组的调控下，自动切换开关K1c就会按先断、后通的工作方式将备用电源送到其优先供电电源己消失的那套2+1型UPS冗余并机系统的输入开关柜上。显而易见，通过这样的双总线输入式调控方式，就能确保后接的2+1型UPS冗余并机系统、不会因输入电源出现长时间的停电而导致UPS电源进入因电池电压过低而自动关机状态的不幸事故发生。

　　为消除从电源输入端串入的高能瞬态浪涌对UPS安全运行所可能造成的危害，在UPS的输入开关柜A和B上各配置1个抗浪涌抑制能力为400kA的防雷击、抗浪涌抑制器。

2.1.2 两套处于互补工作状态的2+1型UPS冗余并机系统

　　在华为IDC机房中、配置有两套由800kVA UPS单机所组成的2+1型UPS冗余并机系统A和B（每台UPS单机都配置有后备供电时间为10min的电池组）。在专用并机控制板的调控下，从每台UPS所输出的逆变器电源总是处于电压输出幅值相同，输出波形为同频率和同相位的相互同步跟踪状态之中。此时，来自每套2+1型UPS冗余并机系统中的3台800kVA的UPS的输出电源分别经位于第1级输出配电柜中的各自的1200A的开关而并联输出。在实际运行中，只要用户的后接总负载量应小于1600kVA。当正常工作时，它不但可确保由3台UPS单机来平均分担负载电流。而且，该UPS冗余并机系统的环流几乎为零。当某台UPS因故出故障时，UPS的冗余并机控制系统会自动地执行选择性脱机操作。将有故障的那台UPS电源从并机输出的总线中自动脱离 出来，由剩下的2台UPS继续向信息网络设备提供高质量的逆变器电源，从而为UPS供电系统获得必要的容错功能奠定下坚实的技术基础。由于在Hipulse 系列UPS的并机系统中采用独特的瞬时值均流并机技术（它是利用 同步频率母线和均流母线调控技术来同时细调冗余并机系统的环流和均流的，利用逆向功率检测电路来准确地执行选择性脱机操作的），从而使得艾默生公司的UPS冗余并机系统具有如下优异特性：

　　* UPS并机系统的负载均流的不平衡度很小（小于2%UPS的额定输出电流，其它公司的同类产品为 5%）;

　　* 存在于各台UPS之间的环流趋于零；

　　* 当UPS并机系统在执行选择性脱机操作时，可能出现的瞬间供电中断时间很短（3～4ms，其它公司的同类产品为10～20ms）。

　　此外，由于在这样的UPS冗余并机系统中、采用闭环式双并机通信电缆的冗余设计方案，它的平均无故障工作时间（MTBF）高达200多万小时。

　　为消除可能出现在UPS输出端的高能瞬态浪涌对IT设备的安全运行所可能造成的危害，在UPS冗余并机系统的第一级输出配电柜A和B上各配置1个抗浪涌抑制能力为100kA的抗浪涌抑制器。

　　为进一步提高整套UPS冗余并机系统的可维护性，尽管在每套2+1型UPS冗余并机系统中、已内置有维修旁路装置，我们还在每套2+1型UPS冗余并机系统上各配置1个外置维修旁路开关（K2a、K2b）。由于在每个外置维修旁路开关（K2a/K2b）与位于每套2+1型UPS冗余并机系统中的3台UPS逆变器之间配置有1套可对3台UPS逆变器和外置维修旁路开关同时执行机、电互锁型切换操作的三匙二锁式的Castell Key切换装置，就可彻底消除值班人员犯这样的操作错误的可能性（在未对3台UPS逆变器执行转静态交流旁路供电切换操作的条件下、将外置维修旁路开关置于闭合状态的错误），从而大大提高UPS供电系统的运行可靠性和操作人员执行不带电维修操作的安全性。

2.1.3 冗余式双总线输出型供电系统

　　采用冗余式双总线输出供电系统的目的是: 消除可能出现在从UPS冗余并机供电系统的输出端到最终的信息网络设备输入端之间的各种配送电线路中、所可能存在如下的单点瓶颈故障隐患，从而为关键性的负载能获得100%的高可利用率的电源供应奠定坚实的运行基础：

　　* 因输出严重过载/短路而引起的位于UPS的输出配电线路中的保险烧毁，断路器开关跳闸故障；在UPS运行后期的维修/施工中，因人为误操作所造成的开路故障等。相关统计资料表明：它约占总故障率的80%左右。

　　* 因UPS供电系统或电池组出故障而产生的UPS的输出停电故障，约占总故障率的10%左右。

　　为增强UPS输出配送电系统的容错功能，在华为IDC机房中、配置有由18套负载自动切换开关（LTM）+负载同步控制器（LBS）为核心所组成的冗余式双总线输出型供电系统。

　　（1）负载自动切换开关（LTM）

　　为消除可能出现在UPS输出供电系统中的单点瓶颈故障隐患，确保对关键IT设备的供电连续性。针对不同的负载，分别采用如下不同的配置设计方案：

　　（A）对于带双输入电缆的关键性负载（例如服务器、磁盘阵列机、通信设备等）而言，从两套2+1型UPS冗余并机系统A和B的输出配电柜所输出的两路UPS电源被分别送到这些IT设备的两个输入端上，从而形成它们的双电源输入冗余供电系统。

　　（B）对于带单输入电缆的关键性负载而言（见图1），从两套2+1型UPS冗余并机系统的输出配电柜A和B送出的两路逆变器电源、首先被分别送到18套负载自动切换开关（LTM1...LTM18）的各自的两个输入端上。当正常工作时，优先供电电源经LTM开关向负载供电。当优先供电电源因故出故障时，LTM开关将会在超快速地切断优先供电电源的供电通道的同时，将备用UPS电源送到用户的负载的输入端上，从而确保网络设备能源源不断地获得高质量的逆变器电源的供应。 在这里需特别说明的是: 艾默生公司的负载自动切换开关（LTM）由于具有如下优异的特性而倍受用户的青睐：

　　* 配置有独特的选择性自动切换调控功能: 当后接负载因故发生严重过载或短路故障时，LTM开关不仅能将未发生短路故障的负载迅捷地切换到备用逆变器电源上。而且，还能有效地消除己发生短路故障的负载对其它正常工作的负载所可能产生的不利影响，从而将短路故障所可能造成的损失限制在最小的范围之内;

　　* 采用超快速的先断后通方式来执行切换操作，切换时间短（4～5ms）。在此需说明的是：用户是不能选用切换时间为零的LTM开关的。否则，它会留下短路故障扩大/因切换突变浪涌电流过大，而导致断路器开关误动作的故障隐患;

　　* 具有高达20kA/65kA的抗短路分断能力，它可确保LTM开关本身运行的高可靠性。

　　* 内置抗瞬态浪涌抑制器：它能有效抑制LTM开关在作切换操作时、所可能产生的尖峰干扰对IT设备的危害。

　　* 内置维修旁路: 既可大大提高LTM的可维护性、又能确保用户的负载始终获得高质量的UPS逆变器电源的供应。

　　（2）负载同步控制器（LBS）

　　由于在华为IDC机房中所配置的两套互为冗余输出供电关系的2+1型冗余并机系统A和B的输入电源是分别来源于两个相互独立的输入变压器，为确保分别位于这两套UPS冗余并机供电系统的输出端之间的各个负载自动切换开关（LTM）都能安全和可靠地执行切换操作，要求从这两套UPS冗余并机系统所输出的两路UPS电源必须时刻处于同频率和同相位的同步跟踪状态之中。在此条件下，只需将分别来自UPS电源A和UPS电源B的两路输出电源送到LTM开关的两路输入端上，再将用户的各种的关键负载的配电柜（箱）连接到相应的LTM开关的输出端上，就可确保用户的关键负载获得100%的高可利用率的电源供应。在这里需说明的是：由于在艾默生公司的同步控制器（LBS）中、采用独特的冗余式多同步输入源的调控设计方案，在LBS的动态调控下、就能确保在下述各种运行条件下、从两套2+1型冗余并机系统所输出的两路电源始终处于高精度的锁相同步跟踪的工作状态之中。

* 当两套2+1型冗余并机系统的两路输入电源都正常工作时;

* 当两套2+1型冗余并机系统中的某路输入电源出故障/停电时;

* 当两套2+1型冗余并机系统中的两路输入电源都同时发生出故障/停电时;

* 当两套2+1型冗余并机系统中的某套2+1型冗余并机系统因故进入交流旁路供电状态时;

　　此外，艾默生公司所设计的负载同步控制器（LBS）不仅可应用于本公司所生产的UPS产品之间的锁相同步跟踪调控场合。而且，还可应用于本公司的UPS产品与其它公司的UPS产品之间的锁相同步跟踪调控场合。

　　2.1.4 集中监控系统

　　在IDC机房中是利用Modbus RS485网络通信方式来实现对两套2+1型冗余UPS并机系统（800kVA UPS单机）和1套1+1型冗余UPS并机系统（600kVA UPS单机）的集中监控的。利用这种Modbus/Jbus系统就能将对整个UPS供电系统的远程监控操作统一纳入IDC机房的智能化楼宇集中监控系统中去。按公司的Modbus软件设计方案，它可同时监控32台UPS电源。在此配置下，我们就可对UPS供电系统执行如下远程监控操作：

1）观察UPS的各种实时运行参数;

2）调阅UPS的历史事件记录数据及各种曾发生过的故障/报警信息;

3）调阅电池测试记录/电池的实时后备供电时间 数据;

4）根据用户的不同需求和配置，可通过远程声、光报警、BP机、手机、E-mail、网络广播等方式来完成远程通报报警信息等操作，以便及时通报相关的值班人员。

2.2 由1+1型UPS（600kVA）冗余并机系统为核心

　　所构成的双总线输入UPS供电系统

　　由1+1型UPS（600kVA）冗余并机系统为核心所构成的双总线输入UPS供电系统是由下述部分所组成的：

（a）双总线输入式冗余供电系统

　　来自两台10kV/380V、输出功率为2500kVA的输入变压器1和2的两路输入电源1和2经由3个5000A的Q1、Q2和Q3开关所组成的冗余式自动切换开关组被分别送到输出功率为600kVA的UPS-1和UPS-2的输入开关柜1和2上。为消除可能从电源输入端串入的高能瞬态浪涌，在UPS的输入开关柜1和2上各配置1个400kA的防雷击、抗浪涌抑制器。

（b）1+1型UPS冗余并机系统

　　由两台600kVA UPS+两块并机控制板+两条冗余式并机通信线所组成的1+1型UPS冗余并机系统被示于图2中。为消除可能出现在UPS输出端的高能瞬态浪涌对IT设备的安全运行所可能造成的危害，在UPS的输出配电柜上配置有1个抗浪涌抑制能力为100kA的抗浪涌抑制器。
为提高UPS冗余并机系统的可维护性，除在每台UPS单机的输出端各配置1个开关（Q6、Q7）之外，还为这套UPS并机系统配置一套可对2台UPS逆变器和维修旁路开关执行机、电互锁切换操作的一匙二锁式的Castell Key切换装置。

3 Hipluse 系列UPS的独特技术优势

　　众所周知：要想让IDC机房用UPS供电系统能长期稳定、可靠地工作的最重要条件之一是选用高品质的UPS单机。Hipluse系列UPS除具有双变换、在线式UPS的所有技术优势之外，还具有如下突出的技术特性：

　　* 由于采用带输入功率因数校正功能的整流滤波技术，不仅可确保整套UPS供电系统的输入电流谐波分量很小（小于4.5%），（它可确保用户的输入电源处于绿色电源运行状态）。而且，它的整流器可提供相当于180%UPS单机的额定输出功率的能源来支持电池充电和逆变器的运行，更加有利于提高UPS的可靠性;

　　* 极强抗输出短路能力： 290％额定电流，5秒钟; 这意味着：即使因不慎而造成输出短路故障时，UPS的输出电流仍被限制在一个合适的范围之内，而不是无限制地增大，从而为UPS能长期可靠的运行奠定好牢固的基础;

　　* 优异的抗电磁干扰性能: 所有的关键控制板（整流器，逆变器，静态开关板）均采用双层金属板来进行电磁屏蔽保护，有利于提高UPS的电磁兼容性。

　　* 可自动执行同步切换/不同步切换操作: 当UPS电源执行市电交流旁路供电逆变器供电切换操作时，可视市电电网频率波动状况，自动执行同步切换/不同步切换操作。不会出现因不能自动执行不同步切换操作而造成UPS输出长时间停电的弊端。

4 结论

　　这种IDC机房用智能化UPS供电系统是由以两套2+1型UPS（800kVA）冗余并机系统和1套1+1型UPS（600kVA）冗余并机系统为核心、采用双总线输入、双总线输出设计方案所构成的、具世界一流技术水平的超大型UPS供电系统。正常工作时，它的冗余式供电能力为3800kVA，其最大供电能力高达6000kVA。这种端到端的一体化UPS供电系统不仅可消除各种可能出现的单点瓶颈故障隐患。而且，还具有向位于IDC机房内的各种IT设备连续提供365×24h高品质的UPS逆变器电源的能力、允许机房维护人员在逆变器电源连续供电的条件下执行不带电的安全维护/维修操作、允许机房值班人员通过智能化楼宇监控系统随时远程监控其运行状态及调阅各种运行参数/相关报警信息。此外，它还能确保用户的输入电源始终处于绿色电源运行状态之中。

----《电信工程技术与标准化》