UPS供電方案系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（二）

UPS供電方案系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（二）電源基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備是否能正常運(yùn)行至關(guān)重要，可供選擇的UPS配置有根多種，每一種都有優(yōu)勢(shì)，也有不足之處。只有充分了解了企業(yè)的可用性要求，風(fēng)險(xiǎn)承受能力和預(yù)算范圍之后，才能選擇合適的設(shè)計(jì)方案。如文中所分析，為雙電源負(fù)載直接供電的2(N+1)結(jié)構(gòu)可提供全面的冗余，排排除了單故障點(diǎn)，因此是可用性最高的一種配置。分布式冗余分布式冗余配置在當(dāng)今市場(chǎng)中很常見。該設(shè)計(jì)以三個(gè)或更多個(gè)UPS模塊及獨(dú)立的輸入和輸出電路為基礎(chǔ)，獨(dú)立的輸出總線通過多個(gè)PDU和STS與關(guān)鍵負(fù)載相連。從市電服務(wù)入口到UPS，分布式冗余設(shè)計(jì)和雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾乎是一樣的。這兩種方案均提供了同步維護(hù)功能，并將單故障點(diǎn)減至最少。二者最主要的區(qū)別在于，為關(guān)鍵負(fù)載提供冗余電源線路所需的UPS模塊的數(shù)量不同，以及從UPS到關(guān)鍵負(fù)載的配電結(jié)構(gòu)不同。隨著負(fù)載要求容量的增加，備用UPS模塊的數(shù)量也在增加。圖3-4和圖3-5分別顯示了同樣為300kW負(fù)載供電的兩種不同的分布式冗余設(shè)計(jì)方案。圖3-4采用3個(gè)UPS模塊，在該配置中，模塊3與每個(gè)STS的輔助輸入電路相連，根據(jù)另外兩個(gè)主UPS模塊的故障情況投入系統(tǒng)并向負(fù)載供電。在該系統(tǒng)中，模塊3通常不承載任何負(fù)載。圖3-4分布式冗余UPS配置一圖3-5的分布式冗余設(shè)計(jì)采用3個(gè)STS，正常運(yùn)行狀態(tài)下，負(fù)載平均分配在3個(gè)UPS模塊上。如果其中任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則將強(qiáng)制STS將負(fù)載轉(zhuǎn)換到為該STS供電的另一個(gè)UPS模塊上。很顯然，雙電源負(fù)載與單電源負(fù)載的供電電路是不同的。雙電源負(fù)載可以采用兩個(gè)STS設(shè)備供電，而單電源負(fù)載只能由單個(gè)STS供電。因此，STS便成為單電源負(fù)載的單路徑故障點(diǎn)。在當(dāng)今的數(shù)據(jù)機(jī)房中，單電源負(fù)載的使用數(shù)量日趨減少。因此，可以在單電源負(fù)載的附近安裝多個(gè)小型轉(zhuǎn)換開關(guān)，該方法既方便又經(jīng)濟(jì)。如果全部為雙電源負(fù)載，那么該配置可以不采用STS設(shè)備。對(duì)于那些需要進(jìn)行同步維護(hù)，且大多數(shù)負(fù)載均為單電源負(fù)載的、復(fù)雜的大型計(jì)算機(jī)房而言，分布式冗余系統(tǒng)是比較理想的選擇。還有其它一些行業(yè)因素也推動(dòng)著分布式冗余配置方案的發(fā)展?！裢骄S護(hù)：無需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到市電，即可完全斷開任何特定供電設(shè)備或組件的一部分以進(jìn)行例行維護(hù)或測(cè)試。●單路徑故障點(diǎn)：指在配電系統(tǒng)中，如果沒有設(shè)置旁路則會(huì)引起停機(jī)的某些點(diǎn)。單系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是由一系列單路徑故障點(diǎn)所組成，在設(shè)計(jì)過程中盡量排除單路徑故障點(diǎn)是冗余的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。圖3-5分布式冗余UPS配置二●靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)：STS具有兩路輸入和一路輸出。通常，STS從兩個(gè)不同的UPS系統(tǒng)接受供電，并根據(jù)某些條件將其中一路電源提供給負(fù)載。如果STS的主UPS供電電路出現(xiàn)故障，則STS將在4ms內(nèi)將負(fù)載轉(zhuǎn)換到輔助UPS供電電路上。STS通過這種方式使負(fù)載隨時(shí)處于受保護(hù)狀態(tài)下，此項(xiàng)技術(shù)自20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)以來，已廣泛應(yīng)用于分布式冗余配置中。該設(shè)計(jì)的最大弱點(diǎn)便是采用了靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，這種設(shè)備不僅十分復(fù)雜，而且存在一些無法預(yù)計(jì)的故障模式。其中最糟糕的莫過于它可能會(huì)引起兩條輸入線路短路。此時(shí)，由于STS造成兩個(gè)UPS同時(shí)與負(fù)載接通，STS便成為了單路徑故障點(diǎn)。STS的故障會(huì)波及到上游，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。正因?yàn)榇?，下文將介紹的雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可用性要好得多，尤其是當(dāng)負(fù)載設(shè)備具備雙路冗余供電電路時(shí)。在市場(chǎng)上，有多種不同配置和不同可靠性等級(jí)的STS可供選擇。在該配置中，STS處于PDU的前端(400V一側(cè))。這種應(yīng)用方式十分常見，不過許多工程師認(rèn)為，將STS置于兩個(gè)PDU的220V一側(cè)會(huì)更可靠一些。事實(shí)上也確實(shí)如此，但這種方式要比400VSTS造價(jià)高得多?！駟坞娫簇?fù)載：如果數(shù)據(jù)機(jī)房全部由單電源負(fù)載設(shè)備組成，那么每個(gè)叮設(shè)備只能由單個(gè)STS或安裝在機(jī)柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)來供電。冗余結(jié)構(gòu)要獲得高可用性，必須將開關(guān)安置在靠近負(fù)載的位置。將數(shù)百個(gè)單電源設(shè)備與單個(gè)大型STS相連，是一個(gè)極其冒險(xiǎn)的舉動(dòng)。如果采用多個(gè)小型開關(guān)分別為部分負(fù)載供電，則可以降低這種危險(xiǎn)性。此外，基于機(jī)柜的分布式轉(zhuǎn)換開關(guān)也不會(huì)像大型STS那樣，出現(xiàn)那種會(huì)往上波及到多個(gè)UPS系統(tǒng)的故障模式。因此，基于機(jī)柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)得到了越來越廣泛的采用，尤其是當(dāng)單電源負(fù)載只占據(jù)全部負(fù)載的一小部分時(shí)?！耠p電源負(fù)載：隨著時(shí)代的發(fā)展，雙電源負(fù)載日漸成為主流。因此，STS巴不是必不可少的設(shè)備。負(fù)載可以直接與兩個(gè)單獨(dú)的PDU相連，而PDU則分別由單獨(dú)的UPS系統(tǒng)供電。●多個(gè)電源同步：如果數(shù)據(jù)機(jī)房采用STS設(shè)備，那么應(yīng)當(dāng)使兩個(gè)UPS供電電路保持同步。如果沒有同步控制，UPS模塊之間很可能出現(xiàn)相位差，尤其是當(dāng)UPS采用電池模式時(shí)。要防止出現(xiàn)異相轉(zhuǎn)換，一種解決辦法是在兩個(gè)UPS系統(tǒng)之間安裝一個(gè)同步設(shè)備，使這兩個(gè)UPS系統(tǒng)的AC輸出同步。當(dāng)UPS模塊的輸入電源斷電，使用電池工作時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。同步設(shè)備可確保所有UPS系統(tǒng)在任何時(shí)候都保持同步。因此，在STS轉(zhuǎn)換過程中，電源將保持完全同相，從而杜絕了異相轉(zhuǎn)換以及可能對(duì)下游設(shè)備造成的損害。當(dāng)然，在各個(gè)UPS系統(tǒng)之間添加同步設(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)生常見故障模式，或發(fā)生會(huì)同時(shí)影響所有UPS系統(tǒng)的故障的可能性。(1)優(yōu)點(diǎn)如下?！癖阌谒薪M件的同步維護(hù)(如果所有負(fù)載均為雙電源負(fù)載)。●與雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，UPS模塊較少，因而成本較低?！駥?duì)于任何特定雙電源負(fù)載而言，兩條獨(dú)立的供電線路自服務(wù)入口處便提供了冗余?！駸o需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式(負(fù)載將處于無保護(hù)電源下)，即可對(duì)UPS模塊、開關(guān)裝置和其它配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)?！翊蟛糠址植际饺哂嘣O(shè)計(jì)都不需要維護(hù)旁路電路。(2)缺點(diǎn)如下。●與之前幾種配置相比，由于大量采用開關(guān)裝置，因此成本相對(duì)比較高。●設(shè)計(jì)是否成功依賴于STS設(shè)備的運(yùn)行是否正常，因?yàn)椴捎肧TS設(shè)備即意味著存在單點(diǎn)故障以及復(fù)雜的故障模式?！衽渲梅桨笍?fù)雜。在包含眾多UPS模塊、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和PDU的大型數(shù)據(jù)機(jī)房中，要保證各個(gè)UPS系統(tǒng)均分負(fù)載并了解哪些系統(tǒng)為哪些負(fù)載供電，是一項(xiàng)艱巨的管理任務(wù)?！駸o法預(yù)計(jì)的運(yùn)行模式。UPS系統(tǒng)具備多種運(yùn)行模式，且各UPS系統(tǒng)之間存在多種可能的轉(zhuǎn)換模式。要在預(yù)先定好的條件和故障條件下對(duì)所有這些模式進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)控制策略和故障清除設(shè)備是否正常運(yùn)行是不切實(shí)際的。由于未達(dá)到滿負(fù)荷工作狀態(tài)，UPS效率低。雙系統(tǒng)冗余多路并聯(lián)總線、雙輸入、2(N+l)、2N+2、[(N+l)+(N+1)]以及2N等全都指的是該配置的變體。借助這種設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在完全可以建立起根本無需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到市電的UPS系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，可以盡量排除每一個(gè)可能的單路徑故障點(diǎn)。不過，排除的單路徑故障點(diǎn)越多，設(shè)計(jì)方案實(shí)施起來代價(jià)也越昂貴。大多數(shù)大型雙系統(tǒng)配置部位于專門設(shè)計(jì)的、獨(dú)立的建筑物中，基礎(chǔ)設(shè)施(包括UPS、電池、制冷系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、市電和配電室)占據(jù)與數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備同樣大小的空間，是很平常的事情。該配置是行業(yè)中最可靠也最昂貴的一種設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)工程師的理念以及客戶要求的不同，它可以非常簡(jiǎn)單，也可以異常復(fù)雜。雖然采用的是同一個(gè)名稱，但具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)千差萬別，這也是由負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)任務(wù)的設(shè)計(jì)工程師的理念與知識(shí)水平所決定的。圖3-6顯示了該配置的一種變體2(N+l)，它由兩個(gè)并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)構(gòu)成。理想情況下，可以采用單獨(dú)的配電盤，甚至單獨(dú)的市電和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為這些UPS系統(tǒng)供電。雖然該設(shè)計(jì)方案的建造成本頗為不菲，但考慮到數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備的重要程度以及停機(jī)成本，還是物有所值的。全球許多家大公司都紛紛選擇這種配置來保護(hù)其關(guān)鍵負(fù)載。該配置的成本高低取決于設(shè)計(jì)工程師認(rèn)為要滿足客戶的需求應(yīng)當(dāng)采用何種深度和廣度的系統(tǒng)冗余。其基本設(shè)計(jì)概念是允許每一個(gè)電氣設(shè)備都可以在無需將關(guān)鍵負(fù)載轉(zhuǎn)換到市電的條件下出現(xiàn)故障或手動(dòng)關(guān)閉。2(N+l)設(shè)計(jì)的一個(gè)共同之處是采用旁路電路，以使部分系統(tǒng)可以被關(guān)閉或旁路至備用電源，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的冗余。圖3-6即顯示了這樣一個(gè)示例:UPS輸入面板之間用電路連接，從而可以關(guān)閉其中一個(gè)市電服務(wù)入□,而不會(huì)使得任何一個(gè)UPS系統(tǒng)斷電。在2(N+l)設(shè)計(jì)中，倘若單個(gè)UPS模塊發(fā)生故障，只會(huì)便該UPS模塊從電路中斷開，與之并聯(lián)的另一個(gè)模塊將承擔(dān)起這部分負(fù)載。在圖3-6的示例中，關(guān)鍵負(fù)載為300kW。因此，共需要4個(gè)300kw的UPS模塊。兩兩組成兩條獨(dú)立的并聯(lián)總線，每條總線分別為兩條直接與雙電源負(fù)載連接的電路供電。圖3-6中的單電源負(fù)載顯示了轉(zhuǎn)換開關(guān)是如何為該負(fù)載提供冗余的。不過，等級(jí)4電源結(jié)構(gòu)要求所有負(fù)載均為雙電源負(fù)載。一般而言，選擇雙系統(tǒng)配置的公司更關(guān)心配置是否具備高可用性，而不是其實(shí)現(xiàn)成本。這些公司的負(fù)載也大都是雙電源負(fù)載。除了在分布式冗余配置部分中所討論的因素之外，該配置方案還有以下幾個(gè)因素。●加固:設(shè)計(jì)出能抵擋自然破壞，并能免受電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的一連串故障影響的系統(tǒng)以及建筑物，即能夠隔離并控制住故障。例如，兩個(gè)UPS系統(tǒng)不應(yīng)放置在同一個(gè)房間丸電池與UPS模塊也不應(yīng)位于同一房間中，電路斷路器配合是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分。恰到好處的斷路器配合可以防止局部短路影響到其余的設(shè)備。加固建筑物還可以使建筑物更好地抵抗腿風(fēng)、地震和洪水的破壞。根據(jù)建筑物所處的地理位置，這些都可能是必要的。例如，應(yīng)當(dāng)讓建筑物遠(yuǎn)離洪水泛濫的平原、建筑物上空應(yīng)避開航線、采用厚實(shí)的墻壁以及無窗戶設(shè)計(jì)，這些措施都有助于抗干擾。圖3-62（N+1）UPS配置●靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS):隨著雙電源IT設(shè)備的問世，在設(shè)計(jì)中無需再面對(duì)STS設(shè)備及其煩人的故障模式，從而使系統(tǒng)可用性得到了顯著提高?！駟坞娫簇?fù)載:要充分利用雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的冗余優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)將單電源負(fù)載與轉(zhuǎn)換開關(guān)在機(jī)柜內(nèi)相連。(1)優(yōu)點(diǎn)如下。●兩條獨(dú)立的供電線路，無單故障點(diǎn)，容錯(cuò)性極強(qiáng)?！裨撆渲脼閺碾娏θ肟诘疥P(guān)鍵負(fù)載的所有線路提供了全方位的冗余。●在2(N+l)設(shè)計(jì)中，即便在同步維護(hù)過程中，他倆存在UPS冗余。●無需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式(負(fù)載將處于無保護(hù)電源下)，即可對(duì)UPS模塊、開關(guān)裝置和其它配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)?！窀菀资垢鱑PS系統(tǒng)均分負(fù)載，并了解哪些系統(tǒng)為哪些負(fù)載供電。(2)缺點(diǎn)如下?！袢哂嘟M件數(shù)量多，成本高。●由于未達(dá)到滿負(fù)荷工作狀態(tài)，UPS效率低?！褚话愕慕ㄖ锊惶m合采用可用性極高的雙系統(tǒng)，因?yàn)檫@種系統(tǒng)需要對(duì)冗余組件進(jìn)行分開放置。如何選擇合適的配置企業(yè)應(yīng)當(dāng)如何來選擇最適合自己的配置方案呢?讓我們重溫一下在選取合適的配置時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的注意事項(xiàng)。(1)停機(jī)成本或影響。公司每分鐘的流動(dòng)現(xiàn)金有多少?如果發(fā)生故障，系統(tǒng)需要多長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)?可以將以上問題的答案作為預(yù)算方案討論的開篇，答案是10，000元/分鐘還是10，000元/小時(shí)，討論方向自然不同。(2)風(fēng)險(xiǎn)承受能力。遭遇過重大故障的公司的風(fēng)險(xiǎn)承受能力往往比那些未曾有過此種體驗(yàn)的公司要強(qiáng)，聰明的公司將會(huì)從同行業(yè)其它公司身上獲取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。公司的風(fēng)險(xiǎn)承受能力越弱，就越傾向于采用可靠性更高、故障恢復(fù)能力更強(qiáng)的方案。(3)可用性要求。公司在一年之內(nèi)能忍受多長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)?如果回答是決不能停機(jī)，那么應(yīng)在預(yù)算中選用高可用性的設(shè)計(jì)。如果公司可以在每天晚上10點(diǎn)之后以及大多數(shù)周末停機(jī)，那么其UPS配置選擇并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)就差不多了。每個(gè)UPS在某些方面都需要進(jìn)行維護(hù)，而且UPS系統(tǒng)確實(shí)全間歇性地發(fā)生一些出人意料的故障。每年計(jì)劃在維護(hù)方面所花的時(shí)間越少，系統(tǒng)需要的冗余設(shè)計(jì)組件就越多。(4)負(fù)載類型(單電源負(fù)載與雙電源負(fù)載)。雖然雙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念在雙電源設(shè)備出現(xiàn)之前便已產(chǎn)生，但雙電源負(fù)載的確為這種利用冗余容量的設(shè)計(jì)方案提供了切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)機(jī)會(huì)。計(jì)算機(jī)制造商們?cè)陂_始生產(chǎn)雙電源負(fù)載之前，無疑會(huì)聽取其客戶的意見。數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)負(fù)載的特性會(huì)為設(shè)計(jì)者提供一些思路，不過其作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上文所述的各種因素。(5)預(yù)算。從任何方面而言，實(shí)現(xiàn)2(N+l)設(shè)計(jì)的成本都要比單系統(tǒng)設(shè)計(jì)、并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)甚至是分布式冗余設(shè)計(jì)的成