炼化企业中心机房UPS系统冗余性研究

申志红 梁伟

[摘 要] 随着各行各业数据中心建设的迅猛发展，数据中心的规模也越来越大，巨大的用电容量给数据中心建设和运营都带来了巨大的压力，数据中心电源解决方案及选型也显得愈加重要，如何合理配置资源、提高数据中心供电的安全性、降低运营成本，成为机房建设中重点考虑的因素。对于数据中心UPS冗余性的提升也是提升数据中心供电可靠性的重要手段，UPS系统并机方案的最优选择，是提升数据中心UPS冗余性的重要保障。随着信息化建设的不断发展，计算机网络和应用服务器等基础设施的数量迅猛增长，对供电设备的可靠运行提出了更高的要求。为了提供良好的设备运行环境，通过对数据中心UPS电源选型和并机方案的研究，力求找到适用于炼化企业中心机房UPS并机的最佳方案，提高机房用电可靠性。

[关键词] 数据中心；中心机房；电源解决方案；冗余性；UPS系统；并机

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 11. 051

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）11- 0116- 03

1 数据中心电源解决方案及选型

近年来，随着互联网和计算机技术的发展，基于互联网提供的各种服务也变得越来越多。作为这些互联网应用服务载体的数据中心，其建设需求也在不断增加。特别是近几年来，我国通讯、金融、能源、信息等行业都投入了大量的资金用于数据中心的建设。

1.1 数据中心对供电系统的要求

数据中心对供电系统的要求主要包括几方面：安全可靠、节能环保 、可维护性、建设成本。

1.1.1 集中式供电方案

由一台UPS组成单机供电系统、多台UPS组成并联供电或双总线供电系统，再通过配电集中给负载供电，这种供电方案一般情况下UPS系统与机房用电设备是分开的。该供电方案一般UPS的单机容量在200～400 kVA较多。

1.1.2 分布式供电方案

在机房各列服务器加入单独的电源供电，形成整体机房的分布式供电解决方案，电源产品一般以高频机为主，功率容量一般在10～100 kVA合适.

1.2 电源产品解决方案

1.2.1 传统UPS供电解决方案

（1）工频机UPS供电解决方案

采用传统相控整流UPS组成“1+1”双总线供电方案，解决单点故障瓶颈，具有很好的容错能力，提高供电系统的可靠性。一般运用UPS的单机功率容量在200～400 kVA较多。

（2）高频机UPS供电解决方案

采用IGBT整流型UPS组成“1+1”双总线供电方案，解决单点故障瓶颈，具有很好的容错能力，提高了供电系统的可靠性。

1.2.2 模块化UPS供电系统解决方案

该方案采用模块化UPS组成“1+1”双总线供电系统，解决单点故障瓶颈，一般单机容量在200～480 kVA比较合适。

2 UPS系统冗余性及UPS系统安全运行

服务器、存储设备、交换机等设备作为数据中心的关键构成部分，都采用UPS供电，因而UPS的安全可靠性就直接影响数据中心各关键设备的安全稳定运行。用户为了提高UPS的供电可靠性采取了各种措施，很多数据中心广泛采用并机方案来提高UPS的供电可靠性，但投入后与预期还是有较大的差距，出现了各类故障，从而对关键设备的供电安全造成严重威胁。因此对UPS系统并机方案的选择以及对影响UPS系统可靠运行的关键技术参数研究显得越来越重要。

2.1 常见的三种UPS并机方案

2.1.1 串联热备份方案

本方案是并机早期的链接方式，因受当时并机技术的制约，设备的使用率较低，安全可靠性有限，不能满足用户的更高安全要求，目前用户已很少采用此种并机方案。由于两台UPS无须在同一控制程序下协调工作，无须通讯链接，所以只要UPS功率满足负载要求的情况下，可以是不同品牌的UPS。

2.1.2 “1+1”并机方案

在用户既要求提高安全可靠性又要求提高设备使用率的情况下，随着并机技术的不断发展，可以实现两台UPS在同一控制程序下稳定地协调工作，根据两台UPS的工作方式称之为“1+1”并机。正常工作时两台UPS各承担50%负载；若其中一台UPS出现故障，另一台UPS自动承担100%负载，故障UPS自动退出并机模式；当故障UPS维修好以后可直接投入并机，两台UPS自动均分负载；若故障UPS退出并机还没有维修好，而带载UPS也出现故障，此时将自动切换至带载UPS的旁路；当两台UPS全部维修好以后，按并机开启步骤可将两台UPS投入到“1+1”并机工作状态。

单机UPS若逆变器故障时就自动切换至旁路，“1+1”并机相对单机UPS，多了一台UPS自动承担100%负载安全保护措施，可以有效避免逆变器切换至旁路时造成的切换风险，“1+1”并机相对性能稳定的单机安全可靠性又得到了较大的提高，可在同一控制程序下协调工作，两机之间需要通讯连接，所以两台UPS要求是同品牌、同系列、同规格的UPS。

2.1.3 “N+1”并機方案

“N+1”并机方案主要是解决当负载功率大于UPS单机功率时的带载问题，目前工业用户的负载一般都不会超出现有UPS的单机功率，大型行业用户处于安全性考虑，全厂所有的负载供电不会设计成由一套UPS供电系统来承担，通常以每个车间的负载来单独配置UPS，所以工业用户基本上用不到并机方案。

当负载功率大于UPS单机功率时，如负载功率为5 000 kVA，而现有的UPS单机最大功率为1 000 kVA，可以用5台1 000 kVA的UPS并机分担负载，考虑到安全性，再加一台UPS作为备用，当其中一台UPS故障时，备用UPS投入运行承担负载，此方案则为“5+1”并机方案。

2.2 影响UPS安全运行的基本因素

2.2.1 解决UPS单机基本技术问题是UPS安全运行的保证

现在有很多出于成本和安全性考虑的新并机方案，其实若考虑成本只需采用一台性能稳定的UPS就可，若经济条件允许要达到更高的安全性， “1十1”并机就足够了。现在很多大型工业用户在采用并机方案时增大了一个误区，单机运行不稳定就采用并机方案，错误地理解单机存在的技术问题可以由并机来解决，虽然并机相对单机在安全性上有较大提高，但最主要影响UPS安全运行的因素是，所选用的UPS生产厂家能否很好地解决单机与并机技术，并机是建立在非常稳定的单机基础上，若单机技术没有得到很好的解决，并机出现的问题将更多。

2.2.2 UPS应同时具备两项非常重要的功能

（1）在设备使用期内给负载提供纯净、标准的正弦波交流电源

其实UPS不是孤立连接在独立的电网中，电网给UPS供电不是绝对的所需标准值，存在标准值与非标准值两种情况，同一电网用电设备越少越接近标准值（如普通商业使用环境）。UPS故障大多表现为元器件故障，即硬性故障。用电设备越多越偏离标准值（如大型工业系统使用环境），在元器件质量满足要求的情况下UPS的故障，多表现为电网因素造成的监测、处理、控制系统故障等，即软性故障。外部因素是一个变量，很难去具体地监测和抑制它，即具有较大的随机性和隐蔽性，这就是同一UPS在工业环境比商业环境使用更难以实现稳定运行的原因。由于用户对UPS基本技术了解的局限性，很难区分上述因素并进行全面的技术分析及安全评估，而很多UPS厂家因受技术制约又不想区分太清楚，这是多年来一直困扰大型工业用户投入的UPS与运行要求有较大差距的主要原因。

（2）为负载提供非常稳定的不间断电源保护

随着UPS技术的不断发展，若只是实现UPS给负载提供纯净、标准的正弦波交流电，已不是UPS技术的主要难题，现UPS技术真正面临的难题是怎样实现对负载更稳定的不间断保护，而外部因素又难以去具体地监测和抑制，具有较大的随机性和隐蔽性。简单地说，UPS技术所面临的难题就是怎样提高UPS抗击外部因素的能力，便UPS运行尽可能少地受制于外部因素，这是UPS要实现稳定运行必须解决的问题，尤其是要满足大型工业系统运行要求的UPS。

工业系统负载电压多为220 V，输出电压220 V的UPS设计与生产难度要远高于输出为380 V的UPS，因I=P/U，当P一定时，I与U成反比关系，220 V时UPS元件所承受的电流强度将近380 V时UPS的两倍，P越大要求元件所承受的電流强度越大，这对元器件将是一个巨大的考验，所以380 V的UPS功率可以做到1 000 kVA，而220 V的UPS最大功率都在200 kVA以下。220 V的UPS元器件所承受电流强度的能力是一个非常重要的指标，这就是很多UPS使用不久就出现硬件故障的一个重要原因。

UPS并不是连接在一个理想的电网中，同一电网下设备的运行都会对电网造成冲击和干扰，这冲击和干扰在电网中的出现具有较大的随机性和隐蔽性，因此很难去具体地监测和抑制它，也不可能为UPS装备一套独立的、比较理想的电源。在这种情况下只有提高UPS自身抗外部干扰的能力，使UPS运行尽可能少受制于外部因素。UPS的设计方案只有有效地避开外部因素的干扰，在硬件技术得到充分解决的情况下，UPS在设备的使用期内才能实现稳定运行。

UPS要实现稳定运行需要快速地处理供电系统，当UPS遇到较大外部因素干扰时，能快速地进行处理与控制，不会出现UPS无法控制的局面而出现各类故障，为了对负载供电执行紧急保护，严重时负载供电会出现中断，每个厂家设计与控制方案不一样。因受技术的制约，每个厂家的设备运行稳定性也不一样，包括进口设备。所以工业用户在选购UPS时务必全面地对设计方案进行技术分析和安全评估，靠简单的验收时的实验，单一地以UPS是否切换及输出正常、业绩数量、是否是进口产品作为选择标准，选择UPS的运行稳定性肯定与运行要求有很大差距。

工业用UPS因受外部因素影响较大，由于技术的制约，每个品牌UPS并不是都能很好地解决技术难题，因而不同品牌UPS的使用稳定性就有较大差异。用户在选购UPS时必须全面进行对比分析，不论是单机还是并机，运行稳定与否完全取决于所选用的UPS厂家能否有能力很好地解决单机和并机的技术，没有坚实的技术保障，不论单机还是并机都不可能实现设备在使用期内稳定运行。因此，UPS并机相对于性能非常稳定UPS单机的安全性有较大提高，但不是解决单机存在基本技术问题的最终措施。

3 结 语

炼化企业中心机房作为企业的信息中心枢纽，在生产经营中具有非常重要的地位，对供电系统的可靠性要求非常严格。本文通过对数据中心电源解决方案和UPS系统并机方案的研究，制定了适合炼化企业中心机房的UPS并机方案。方案实施完成后，消除了原来的UPS单点故障风险，两台UPS各分担50%负载，显著提升了中心机房供电质量和供电能力，保障了中心机房长期安全稳定运行。