关于UPS电源双母线方案的探讨

1、关于UPS电源双母线方案的探讨关键词：双母线，UPS，ATS1 引言在互联网高速发达的今天,人们的工作、办公对互联网的不间断性工作依赖性越来越大,而且对基于它的硬件数据交换、存储的服务器的动力供电系统也提出了更高的挑战。电信运营商的数据、语音通信计费系统,金融、证券、银行的计费系统对交流动力不间断供电都要求非常高的可用性。2 UPS电源双母线方案概述本方案采用基于台达最先进的HIFT UPS构建的双母线方案,核心设备为2套HIFT UPS主机,中达机架式ATS(自动切换开关)。2台UPS分别输出至各自母线,分别给双电源负载提供电源,通过ATS静态切换装置切换给单电源负载供电,ATS静态切换装置

2、切换时间4ms。方案结构框图见图1。本方案的最大特点是:去掉了传统双母线方案中的LBS,并且ATS采用分散式的配置方案。 在市电电源正常时,A路总线输出和 B路总线输出,合并组成双总线系统,向关键的设备(双电源)供电。其它单电源设备负载由ATS供电。 若A总线出现故障,而B总线正常工作时,则: A总线主机中的其中一个单元出现故障时,由其余的1个单元承担负载, A总线的故障单元待修。B总线不受影响,继续供电; A总线并联的主机出现两个功率模块故障、或主控故障、或A总线超载,既A总线的主机无法正常工作时,该主机同时锁相不间断地跳入旁路,该总线待修。B总线并不受影响,继续供电。 若总线B出现故障,而

3、A总线正常工作时,则: B总线的任意一路市电故障,则另一路市电承担负载,B总线的故障待恢复。A总线不受影响,继续供电; B总线的2路市电都出现故障,则该总线待修。A总线不受影响,继续供电给所有负载。3 UPS电源双母线方案组成3.1 UPS系统台达海福(HIFT)UPS,采用N+X架构设计,提高系统容错度,可按需配制可靠度等级,满足不断变化的负载需求,可随需扩容,是具备最短系统修复时间能力的高可靠、高可用的智能UPS系统。此UPS基于模块化技术设计,可实现热插拔维护和扩容,具有如下几个显著优势。 MTTR近于0,模块化热插拔在线维修,大大缩短维修时间虽然随着科技的进步,系统可靠性越来越高,然而

4、任何系统仍然都不是绝对可靠的,因此,客户的关注度逐渐从系统的高可靠性转向高可用性,这时,MTTR就变得至为关键了。无论UPS的可靠性有多高,业界公认,在整个供电系统中,最薄弱的环节仍然是UPS。客户的传统使用经验是哪怕遇到UPS的一个小零部件故障,系统也会转到旁路无法再逆变工作,从而让关键负载置于非常危险的无保护电源供电之下。而更糟糕的是,当客户遇到问题时,并不能确定系统何时可以被修复。通常系统的修复时间,包括向厂商报修、厂商电话判断故障原因、工程师携备件赶赴现场、在现场修复UPS。这里的每一环节,都有太多的不确定因素。比如,客户遇到问题时正逢晚上或节假日,报修困难;即使与厂商及时联络,如果工

5、程师经验不足或是电话问询不易,则故障原因很可能判断不全甚至有误;再者,客户所在地偏远和交通不便,赶赴现场完全不能控制在可满足时效内;最后即使到达现场,现场查找原因与系统修复也需要相当时间,更不用提没有拿对、拿齐备品备件而导致系统无法被一次修复好了。而如果采用HIFT UPS则不同,以上种种问题迎刃而解。因为具有模块化结构,如果出现故障,只要移出问题模块就好,UPS系统仍然能够在线运行。新模块送到,现场热接入系统,所费时间几近于0。(见图2)同时,因为系统修复采用的是简单易行的模块更换,现场维修的非标准化操作所可能导致的再次发生故障几率,被极其显着的降低了。 N+X冗余,提供系统最高的可靠性N+

6、X冗余通常指系统中N+X台UPS单机(或模块)并联运行,当最大X台UPS单机(或模块)发生故障时,系统仍然能够逆变输出正常运行。为了提高可靠性,传统UPS通常采用主从结构的1+1并联备份方案,虽然在一定程度上提高了可靠性,但是它不便于离线维护、扩容,同时对设备的利用不充分、缺乏灵活性。更重要的是,此时系统的冗余度仅为1。而HIFT UPS的结构极具弹性,可实现N+1、N+2、N+3、N+4、N+5、或当并机时具有更高的N+X 冗余。同时,客户还可通过定购额外的模块,来增加HIFT的备用冗余能力。即同样的功率配置,HIFT UPS拥有更高的冗余度;而同样的冗余度,HIFT UPS拥有更经济的配置

7、方案。(见图3)通常UPS带载不会超过70%,因此在实际应用中,N+X冗余具有最高的系统可靠性,见下表。冗余度越高,可靠性与可用性越高,参见下表。 随需扩容,提供最灵活、最经济的投资、配置策略快速变化的业务要求企业机房和数据中心具备灵活性(Agility)。当更多的IT应用强调动态结构时,支撑这些应用的UPS供电系统是必须提前一步到位,还是可以根据需要灵活配置？传统UPS的客户,在规划时必须满足未来可预见的最大负荷功率要求。比如,现在负载总容量虽然只有20kVA,但因将来可能会增长到60kVA,客户在初始配置时通常都会直接采购功率为达到100kVA的UPS,以避免未来因升级困难而导致的可能容量

8、不足。HIFT UPS因采用模块化结构,可以在20kVA到480kVA的宽广范围内,以20kVA为单位来随时随需在线扩容,客户不再需要仅是为未来的可能性而提前投入大笔费用。(见下图)HIFT UPS的这种灵活性,即允许配置容量最贴近实际需求容量的能力,不仅降低了UPS的初始购置成本,更减少了配套设备(如空调)的配置与能耗支出,有效防止了基础设施超前超大规模设计导致的不必要开支。 高效节能,提供最低的运行成本绿色节能不仅是企业对社会的责任,更与企业运营成本息息相关。通常带载越少,UPS效率越差。而HIFT UPS,即使带载只有额定容量的15%,整机效率亦超过90%;当带载达到27%时,效率就已高

9、达94%。效率在百分比上的每一小步提升,能耗支出的节省都是一大步。3.2 智能ATS系统通过机架式ATS给配套单电源负载设备供电,灵活方便。4 UPS电源双母线方案的优点系统图。与传统双母线方案相比,此方案去掉了LBS,同时STS尽量往最末端负载配置的原则来设计STS配置方案。STS配置在负载最末端,即负载机架上,直接为单电源负载提供2路电力保障,单电源供电的可靠性可达到99.999%。与集中STS供电方案相比较,即使STS故障,故障范围也可缩小到最小范围,不会导致大面积单电源负载中断。传统双总线配置方法具有单路径故障点,如图8所示。从上图可以看到,同步控制器R3是双路供电系统的单路径故障点,

10、整个系统的供电可靠性决定与同步控制器R3的可靠性,实际配置中R3是没有冗余配置的。另外,由于2台UPS之间需用同步控制器来联系,则2台UPS系统间具有了不可避免的相依性问题,就像2台UPS并联时,当一台UPS故障时,也会影响到另外一台UPS。由此可见,传统双总线方案并不是最好的供电系统,还是存在问题的。因此,我们为客户提供没有同步控制器的双母线供电系统,如图9所示。此方案消除了同步控制器单点故障的问题,同时2台UPS相互独立,也消除了UPS见相依性的问题。4.2 采用无需同步控制,也能实现不间断切换的机架ATS装置中达ATS高度为1U,可直接安装在19英寸或21英寸机架上。并且可根据需要随时扩

11、充。ATS采用先断后通的切换方式,可保证在无需同步的情况下,实现不间断的切换。ATS自带输出配电分路插座,可将服务器电源插头直接接入。4.3 UPS单机可用性高由于本系统为单机双母线,因此,每个母线是否具有容错功能显得十分必要。因为当一个母线出现问题时,若剩余的另一母线还具有容错能力,无疑会为整个供电系统带来更高的可用性。实际上,台达HIFT UPS正是采用具有容错功能的4.1 双母线供电系统去掉了外置同步控制器(LBS)使得2台UPS真正相互独立,无任何关联,消除了传统双总线方案中LBS造成点的故障问题,供电系统可用性大大提高。系统为传统双总线供电方案UPS系统。其基于模块化N+X冗余热插拔

12、设计,能为客户带来能够的可靠性和最短维修时间。4.4 整体系统的可用性非常优异此方案的可靠性是传统方案的33倍。 单母线内,UPS系统自身具有容错功能,坏掉一个或多个模块,UPS任可正常工作。 就整个双母线系统来看,方案还具有系统架构上的冗余。因此整体方案具有非常优异的高可靠性。4.5 整个双母线系统运作效率最高,为客户带来最低的运营成本。在双母线系统中,每台UPS带载量最大不超过总负载的量的50%,在加上UPS一般是按70%左右的带载量来配置,此时,每台的UPS的带载量不超过总负载的35%,因此,在如此低的负载情况下,一般UPS的效率是很低的,能达到86%都算是非常不错了。但台达HIFT U

13、PS在30%负载时,效率即可达到94%,这样一年下来能为客户节省下来大量的电费。假设功率120kVA,带载30%,UPS单台1年耗电量见下表。我们可以看到,86%效率时,UPS的耗电量是94%效率时的2.55倍,耗电量41070度电,也就是说HIFT UPS一年能为客户节省约25000度电,而这还只是一年的电能,5年下来节省的电费便是10万度,按一度电1元计算,便是10元人民币。4.6 UPS谐波消除装置采用最先进、高效的IGBT整流技术采用的专利的IGBT整流技术,使HIFT具有了优异的输入特性,可为绿色产品的典范,输入功率因数0.99,输入电流谐波失真3%。是业界最高指标.该指标可为用户带

14、来什么呢？可以使用户的输入电缆、空开、无功补偿柜、发电机的容量降低。降低了用户了整个系统的安装材料成本。一般6脉冲的UPS需要配发电机的容量配比,按照经验值发电机容量需要比UPS大2.53倍之间才能正常工作。HIFT 只需要1.11.3倍即可。5 结束语传统UPS双母线供电系统中有的LBS或多或少都会对双母线系统带来故障隐患,甚至会成为供电系统的单点故障,本文所述的方案,有效去除了传统方案中的LBS,同时采用分散式ATS配置方案,将故障范围缩小到最小,大大降低了集中式STS故障面积大的风险。另外,本文UPS采用了台达HIFT UPS,使得系统可用性更好,更加绿色节能。此方案主要有如下优势。 母线具有冗余功能。采用高智能容错HIFT UPS 实现双母线,各母线上还有冗