数据中心UPS 系统外置维修旁路安全方案探讨

雷超群， 王 兵

(伊顿电源(上海)有限公司，上海 200120)

0 引言

5 G 应用、云计算、物联网、人工智能、大数据、巨大算力……这些都在促使数据中心的规模越来越大、重要性越来越高。 作为数据中心基础设施的关键核心，UPS 时刻为数据中心关键负载提供不间断供电，还兼具稳压、稳频、滤波、抗电磁干扰、防电压冲击等多重功能。

UPS 的高稳定性、高可靠性、高可维护性是数据中心对UPS 最基本的要求，直接影响数据中心的运营安全。 完善的UPS 供配电系统非常重要，不合理的系统架构，不完善的设计或配置，都会给数据中心UPS 供配电系统带来巨大的供电安全隐患。

作为UPS 电源系统最基本的组成部分，外置维修旁路装置的科学配置与合理设计也是数据中心供电安全的重要环节。 本文将以UPS 外置维修旁路开关的多种应用方案来探讨数据中心UPS 系统的供电安全。

1 UPS 外置维修旁路设置的必要性

在数据中心等UPS 主流应用场景中，为了保证系统的可用性及必要的电气隔离，除了在UPS 主机外部配置输入、输出等开关，还应配置外置维修旁路开关。 当UPS 主机因为自身故障等原因需要维修、移机更换时，或者对于数据中心最通常的多台UPS 并机应用，仅仅依靠UPS 内部自带的手动维修旁路开关不仅无法实现UPS 系统的安全维护、维修、换机等操作，还可能会带来误操作宕机的风险，例如北京某云数据中心就是因为没有配置外部维修旁路，在年度例行维护时，导致严重的宕机事故，所以采用外置维修旁路开关是必然的正确选择。外置维修旁路开关在维护维修时可实现IT 负载与UPS 主机的完全电气隔离，在移机更换时可不中断负载的供电，维护或更换过程中可避免长时间的负载断电或单N 运行(注:对2 N 供电系统)。 外置维修旁路开关是UPS 供配电系统最后的安全屏障，其配置的完善性和操作的准确性直接关乎负载的供电安全。 不仅仅是数据中心，所有UPS 应用场景均需要配置完善的UPS 外置维修旁路。

2 维修旁路安全切换的重要性

UPS 电源系统配置了外置维修旁路开关后，运维人员仍然不可掉以轻心。 在UPS 正常的双变换运行过程中，如果外置维修旁路开关误合闸，则电压、频率、相位等存在的差异将导致发生严重的供电事故，存在供电中断或“炸机”等重大风险。 外置维修旁路开关必须配置，但误操作又会酿成重大事故，科学合理地应用UPS 外置维修旁路是确保UPS系统供电安全的重要措施。

后文将展示一种新的数据中心UPS 系统外置维修旁路安全方案，可以在便利维护的前提下最大限度规避误操作可能带来的安全供电风险。

3 数据中心UPS 外置维修旁路安全设计方案

3.1 维修旁路开关挂锁方案

在UPS 应用中，多数情况下UPS 外部配电柜中的维修旁路开关都会挂锁，锁具是为防止人为误操作而设置。 当UPS 需要维护、维修或更换等重大需求时，授权人员通过既定的操作步骤，将UPS 切换到静态旁路后方可通过专用钥匙将外置维修旁路开关合闸，以实现维护过程中的负载持续供电。 当外置维修旁路开关合闸后，为了实现UPS 的电气隔离维护维修，需要将UPS 停机并断开前后端的输入、输出开关。 UPS 修复后首先需要将UPS 切换到静态旁路，然后闭合输出开关，最后断开维修旁路开关。 操作过程中任何一个环节出错都可能导致重大的供电中断事故。 例如在调试过程中的UPS逆变状态下误合了输出开关，因逆变和市电的同时存在将可能出现“炸机”等极端情况；再如恢复过程中UPS 虽转了静态旁路但并未闭合输出开关，此时断开外置维修旁路开关则负载掉电。

外置维修旁路开关挂锁方式易于实现且操作可控，但繁杂的操作过程对运维人员自身的要求极高，任何环节出现失误均可能导致事故发生。

3.2 外置维修旁路开关与UPS 电气联锁方案

在机械挂锁的基础上，通过外置维修旁路开关和UPS 间简单的电气联锁可提高防误能力，原理示意图如图1 所示。

(1)外置维修旁路开关配置锁具以实现机械锁定；(2)将UPS 静态旁路运行信号通过继电器干接点串入外置维修旁路开关合闸回路，只有当UPS 切换为静态旁路后外置维修旁路开关才能合闸；(3)将外置维修旁路开关的辅助触点作为UPS 继电器输入，激活UPS“维护旁路管理使能”，即当外置维修旁路开关合闸时UPS 将无条件转为静态旁路模式。

上述方案具备一定的防误操作能力，且易于实现，但最大的问题是:外置维修旁路开关合闸后其辅助触点闭合，将持续给UPS 提供强制锁定旁路的信号；此时若需要转逆变调试，则无法切换状态，只能人为解除外置维修旁路开关的辅助触点。 同时，上述方案也无法及时提供因开关误操作可能导致负载供电中断的预警提醒，如断开外置维修旁路开关时，UPS 输出开关并没有提前合闸。

3.3 新型双磁力电磁锁盘互锁方案

为进一步提高UPS 维修旁路开关的操作安全性，笔者公司提出了新型双磁力电磁锁盘互锁方案。 双磁力电磁锁盘是一套与UPS 联动的电磁锁装置，由相应的磁力锁、按钮、指示灯、蜂鸣器等组成，指示灯和蜂鸣器的声光提示配合按键、钥匙等操作，可实现UPS 与外置维修旁路开关间的机械和电气联锁。 图2～4 分别列出了UPS 供配电系统原理示意图、双磁力电磁锁盘原理示意图以及电磁锁盘外观示意图。

图2 UPS 供配电系统原理示意图

UPS 输出开关(BK1)和外置维修旁路开关(BK2)均设置锁具，且分别对应锁盘上的一套电磁锁，每台开关只有一把对应钥匙。 当钥匙在电磁锁盘上时配套开关因无钥匙而无法合闸。 当钥匙未解锁时无法从锁盘取下。

图3 双磁力电磁锁盘原理示意图

图4 电磁锁盘外观示意图

当UPS 正常运行在双变换模式时，外置维修旁路开关(BK2)处于分闸状态，其钥匙锁定在锁盘上；输出开关处于合闸状态，其钥匙在开关本体上。

当UPS 转静态旁路后UPS 通过继电器输出将“旁路运行”信号传递给锁盘，电磁锁供电回路导通，“静态旁路指示灯”亮，此时锁盘被激活，钥匙可解锁，且锁盘会提供一个干接点信号到UPS 输入继电器Building Alarm 1(简称BA1)，该继电器输入对应UPS“远程转旁路使能”，UPS 将被强制在旁路运行状态。 按动“BK2 钥匙解锁按钮”后可取下SE2锁盘的外置维修旁路开关钥匙，钥匙拔出后因锁芯状态改变蜂鸣器回路导通，蜂鸣器鸣叫，“内外旁路同时工作指示灯”亮，提示UPS 静态旁路和外置维修旁路可以(或已经)同时运行；将钥匙插入维修旁路开关后方可合闸，在此期间蜂鸣器会持续发声。分闸UPS 输出开关并取下钥匙后，插入锁盘输出开关对应电磁锁(SE1)，锁芯状态被改变，蜂鸣器因回路被断开而停止发声，接入到BA1 的UPS“远程转旁路使能”信号消除(UPS 已可以转逆变)。 此时负载已由外置维修旁路供电，可对UPS 进行维护操作。 如果UPS 转为了逆变模式，“UPS 旁路运行”状态指示灯灭，能让运维人员及时获悉UPS 已脱离旁路运行状态。

维护结束系统需要恢复时，如果“UPS 旁路运行”状态指示灯并未亮，需要先将UPS 切换到静态旁路，UPS 旁路运行信号通过继电器干接点再次串入锁盘供电回路，“UPS 旁路运行”状态指示灯亮，锁盘再次被激活，连接到BA1 的UPS“远程转旁路使能”信号再次将UPS 锁定在旁路模式。 按动“BK1 钥匙解锁按钮”后可取下UPS 输出开关钥匙，锁芯状态改变，蜂鸣器鸣叫，“内外旁路同时工作指示灯”亮，将输出开关钥匙插入输出开关本体并合闸。 分闸外置维修旁路开关，取下钥匙，插入外置维修旁路开关对应锁盘(SE2)，锁芯状态再次改变，蜂鸣器消音，连接到BA1 的UPS“远程转旁路使能”信号解除。 将UPS 切换到双变换运行模式，UPS 旁路运行信号消失，锁盘被锁定。

为了确保任何时候UPS 输出开关和维修旁路开关同时合闸时不会导致极端情况发生，将UPS 输出开关和维修旁路开关的辅助触点串联后接入UPS输入继电器Building Alarm 2(简称BA2)，该输入继电器对应UPS“维护旁路管理使能”。 当UPS 输出开关和维修旁路开关同时合闸时，UPS 将无条件切换到旁路模式，以避免发生事故。

4 结束语

双磁力电磁锁盘互锁方案可以确保逆变模式下UPS 输出开关和维修旁路开关不能同时合闸；电磁锁的设置使得操作受控；声光提示可以让运维人员时刻知晓UPS 状态以及所需操作；维护过程中UPS 可自由转逆变状态以满足调试的需要。 新型双磁力锁盘互锁方案从操作逻辑到机械锁的冗余设计，运维人员按照固定的操作流程执行，可有效避免人为误操作，提高UPS 系统可靠性和可用性，为数据中心机房建设互锁问题提供了新的解决方案。