数据中心机房UPS 供电系统可靠性研究应用

张众音

（航天工程大学，北京 怀柔 101400）

0 引言

随着数据业务的快速发展，移动通信领域对UPS的应用数量不断增加。然而，由于单机容量的提升，一旦UPS 出现故障，可能带来严重后果。在数据中心机房中常见的UPS 系统包括SMS 系统、业务分析系统、数据电网、电网管理系统和智能电网系统等。当数据中心机房出现故障时，将严重影响相关服务的可用性，且系统恢复所需时间较长。传统的UPS 配置即使在一般负载保持的并行模式下，也难以满足设备对电力可用性和数据服务的高要求。近年来，双总线配置逐渐受到关注，它不仅能满足UPS 数据处理设备的需求，还能消除业界广泛认可的单点故障风险。通过双总线配置，数据中心机房可以实现UPS 系统的高可靠性和高可用性，确保持续稳定的电力供应。这种配置模式能够降低UPS 故障对数据中心运营的影响，提高业务连续性和数据安全性。本研究旨在探讨数据中心机房UPS 供电系统可靠性的研究应用。采用理论分析与实证研究相结合的方法，通过对现有数据中心机房的UPS 供电系统进行分析，总结经验和教训，并探索适用于双总线配置模式的最佳实践。因此，本研究对于数据中心机房UPS 供电系统的可靠性研究和应用具有重要价值，可为相关领域的专业人士和研究人员提供实用的指导和决策支持。

1 从数据设备“用电”角度提高UPS 系统可靠性的探讨

改善数据中心机房供电可靠性是一项系统工程，从数据处理设备的“可靠性”角度，讨论了实际设计和配置中的一些常见问题。

1.1 数据中心机房概述

现代数据机房主要由服务器、小型机、路由器、存储设备、电网交换机等设备构成。而电源类型包括单电源设备和备用电源设备。从其实际应用功能上来看，电源在数据机房中属于一种功能模块。数据机房在运行过程中，一旦电源发生故障，设备就会出现停机，这就是单个电源的弊端。当设置备用电源后，电源由多个模块组成，设置为冗余系统。如此设置就构成了备用电源，双电源系统共同承担工作压力。在双电源系统设置中，当一路电源出现故障时，另一路电源就会投入系统工作，维持数据中心的正常工作。通过双电源模式的设置，使数据中心具有更高的可靠性。

1.2 数据中心机房UPS 供电系统建设的必要性和紧迫性

1.2.1 数据中心机房UPS 供电系统建设的必要性

数据中心机房作为存储和处理大量敏感数据的关键场所，对电力供应的稳定性和可靠性要求极高。UPS 供电系统作为数据中心机房的后备电源系统，能够在电力中断或电压异常的情况下提供可靠的电力支持，保证数据中心的连续运行。UPS 系统能够提供干净的电力，避免因电压波动或电力噪音引起的设备损坏，同时还能提供短时的备用电力，给管理员足够的时间来采取措施，避免数据丢失和服务中断。因此，数据中心机房UPS 供电系统的建设是确保数据中心连续运行的基础。

1.2.2 数据中心机房UPS 供电系统建设的紧迫性

随着数据中心的规模和重要性的不断提升，对UPS 供电系统的可靠性和可用性的要求也越来越高。数据中心承载着大量的业务和用户数据，一旦发生停电或电压异常，将导致严重的经济损失和用户不满。例如，在电力故障的情况下，数据中心的服务器和网络设备将无法正常工作，导致业务中断和数据丢失。因此，及时建设和完善UPS 供电系统势在必行，以应对突发的电力故障和保障数据中心的可靠运行。

1.3 负荷分担或主备用关系的数据设备

对于设置为主、备用电源的数据服务设备，设计为共享服务负载。在数据中心电源系统设计中，必须充分利用主、备用电源之间的关系，从而保证服务系统的可靠性。数据中心服务设备不应重复使用相同的UPS，以实现电源故障时的备份操作，以及负载共享。如果条件允许，主要数据处理设备和辅助设备也必须位于独立的数据室[1]。

1.4 不同业务分区的数据设备

电源模式下的集中数据维护提供了高效率，但也存在一些操作管理风险。一旦数据服务系统出现崩溃，将会对相关业务产生较大影响。在对集中数据服务系统进行分类的过程中，通过区分业务功能，针对不同区域的企业系统采用不同的UPS 供电方式。那么与企业运营相关的风险可以显著降低。这需要基于数据服务系统结构和类型的总体规划，这在实践中经常被忽略。

1.5 关于STS 的使用

充电前两个电源的移动自动开关（STS）。在配置模式下，两个输入通常通过两条电源总线连接。在正常操作中，主电源应当由两路电源进行供电。在主电源出现故障时，STS 将由主电源向备用电源自由切换，从而保证电源负载的连续性。由于大型数据中心的数据服务设备主要是双线设备，因此可以使用额外的STS 来解决双线配置中单个设备的性能问题[2]。

2 大型数据机房UPS 电源系统的配置模式

2.1 主从串联备份模式

在正常操作中，负载由节点控制，待机状态为空闲。当主电源发生故障时，负载通过主电源及备用电源负责向负载供电。这种配置模式的最大缺点是隐藏与主电源静态拆分相关的单个故障点。故障发生后，系统电源中断。当时备用电源处于睡眠状态时，主电源仍在长时间运行，备用电源的节点和组件的老化速度不同[3]。目前很少使用这种配置，但在之前建造的旧机房中，该种配置方式较为常见。

图1 主从串联备份模式

2.2 负荷分担冗余并机模式

当两个或多个UPS 输出端子并联连接时，可通过并机模块、并机电路板采用冗余模式进行并联连接。其中最为常见的是冗余“1+1”并联系统，如图2 所示。此外，“2+1”并行系统也是一种常见的配置模式。当UPS 系统在第二配置模式下运行时，UPS 电源同时均匀地传输负载。如果过热，充电电流将由其他电源提供。与主串行备份相比，冗余并行负载共享模式具有以下两个独特的优点。

图2 负荷分担冗余并机模式

2.2.1 实现了热备份

过多的同时负载共享模式将长期改变主电源的运行状态，而在待机模式下，主电源将长期处于串行从属模式。

2.2.2 减小了切换电流冲击

主从串联备份模式的备机切换电流从0%增加到100%，这大大简化了并联冗余分配模式。当两个并联系统中的一个关闭时，剩余50%的充电电流增加到100%，而其他并联系统产生的增长电流较低。尽管此配置模式的可用性显著高于串行主备份模式，但始终存在单个系统故障的风险。例如并联控制面板、空气开关、电流路径等。此外，在实践中，有时电源故障是由单个故障点引起的[4]。

2.3 双总线配置模式

为了提高UPS 电源系统的可靠性，有必要实施UPS 冗余项目及其配电系统。以彻底消除单个UPS电源系统故障的潜在风险，并为数据服务设备提供独立、稳定和可靠的双向电源。根据负载容量，每个总线可以配置为双总线配置，例如负载分配和并行备份[5]。如图3 所示。

图3 双总线配置模式

3 提高供电可靠性与可用性的途径

3.1 UPS 输入输出形式对供电可靠性的影响

三相充电UPS 不平衡，则三相电压不平衡。因此，建议使用单相三相UPS 输出，如图4 所示，以确保其安全性。

图4 三进单出结构的UPS

输入和分配之间的平衡，这是由输入和输出造成的。通常，当三相负载不平衡时，电压不平衡超过2%。但是，如果UPS 连接器过载、短路或被逆变器损坏，仅能确保充电期间电源不间断，故障开关将自动闭合。最初提供30 kVA 每周期的电路提供90 kVA，总配电开关断开并过载。没有达到持续供电的目标，充电已完全关闭。为了避免这种情况，我们需要将输入电路的带宽增加三倍，另一个问题是移动终端的电阻增加了三倍[6]。但是，结构化UPS 的容量越大，问题越严重。

3.2 冗余供电方案的可靠性

3.2.1 双电网供电连接方式的可靠性

如果连接方法不合适，电源可靠性也会降低。图5 显示了UPS 和电源之间的四个现有连接选项。

图5 两路市电向UPS 的不同接法

图5（a）显示了将两个电源连接到同一UPS 的过程。

这种连接方法在过去几年中有一些应用，但也存在一些问题。原因是它与UPS 最初的设计理念不同。UPS 的原始功能是以分电压对电池放电（这也意味着整流器输入端的电源电压不稳定），从而允许连续发电。这种连接的另一个潜在危险是，如果整流器输入端的电源电压发生故障，电池将放电。然而，当主电源加倍时，电池故障时间通常约为30 min，非常短。需要注意的是，通常情况下，在双电源的情况下不容易断开，并且在发生故障后不可能立即恢复。例如，如果存在路径错误，则错误可能来自相对容易使用的外部电网[7]。总的来说，这不会花费太多时间。如果发生局部损坏，随着线路老化，主开关断开。

在这种情况下，维护时间超过30 min，有时甚至更长。在30 min 内，电气设备必须完全依赖自然电源。此时，充电设备根本不受UPS 保护，可能会受到电源电压引起的各种干扰和过度振荡的影响。因此，不建议使用这种电源连接模式[8]。

图5（b）显示了将两个电网连接到同一UPS 的改进型UPS。

该电路考虑了图5（a）所出现的问题。重新设计电路并增加新功能，即如果断路器发生故障，电网可以通过独立的S 开关继续向充电设备供电，从而增加供电保障。

图5（c）显示了根据位置连接到主端子的两组并联UPS 输入端子。

这种连接方式似乎没有问题，尽管两条电源线的相位和电压不同，因为并联UPS 与UPS 具有相同的特性，即主电源正常工作，因此不会影响正确的操作。然而，并联UPS 电源也可能会加剧潜在的危险。并联UPS 可以同时切换到配电盘。如图所示，一旦两个开关绕过电源，除了负载电源，两个电网电源并联连接。此时，两个主电源的相位和电压差在两个电源之间产生密集循环。直到电路中的串联烧毁，循环才会停止。最安全的方法是连接两条电源线，如图5（d）所示，并通过相互配电板将它们转换为一条线路，然后将它们发送到UPS。这种方法的价值在于，它不仅反映了UPS 的原始理念，而且将设备置于UPS 的保护之下。

3.2.2 UPS 冗余供电的可靠性

（1）UPS 热备份连接时供电的可靠性

热备份连接可用于提高可靠性。换句话说，如果UPS 满足用户的可靠性要求，它可以连接到相同规格的UPS，甚至可以连接到其他品牌的UPS，以提高可靠性。图6 显示了合并两个独立UPS 的方法。

这种连接非常简单。当UPS1 使用主电源且UPS2 用作备用电源器时，UPS2 只需将备用电源连接到UPSI 输入分配器。然而，在这一点上，UPS1 的接入口与UPS2 的接入口是分开的，这提高了UPS 系统的性能。为了量化这个概念，图7 显示了UPS 的相关性。为了提高电源的可靠性，UPS 设计者将城市电力引入电路作为备用电源。

图7 两台UPS 并联连接的原理方框图

3.2.3 UPS 的冗余并联连接及其可靠性

UPS 的并联冗余连接克服了上述方法的缺点。图7 显示了并联的两个UPS 电路。

这种连接更容易，只需将两个输出连接在一起即可。输出端子也可以以这种方式彼此连接，以执行并联功能。并联电路后的可靠性模型如图8 所示。

图8 两台并联UPS 的可靠性模型

UPS 并联系统不仅更可靠，而且更灵活。由于UPS 是并联双负载，因此与通过冗余热备份连接的UPS 相比，UPS 具有更大的过载和冲击电阻。如图9所示，两个冗余并发UPS 的可靠性与非交换机的可靠性相当[11]。

图9 两台UPS 加STS 切换结构

作为规划理念的一部分，一些人也接受了该设计，并以高昂的价格实施了该设计。

3.3 双总线供电系统的可靠性

3.3.1 并联备用系统和双总线电源的设计

确保电源在任何情况下都可以使用，保障电气设备连续工作，因此可以使用任何方式来实现这一目标。实现这一功能有多种方式，如串行热备份、并行备份和双总线。事实上，这些系统也有优缺点，既经济又可靠。如果你不能选择性地使用它们，如果不能有选择地去用就会事倍功半。

3.3.2 对双总线供电系统的误解

当应用于双电源系统时，这意味着并行冗余方案不能满足电源服务器的性能要求。通常，双线制系统主要由两个电网供电。这里的双总线电源有两个含义：一是每个电路可以提供总负载能量的两部分；二是两个电源可以同时提供双负载。然而，在正常情况下，两个电源都有自己的负载。只有当电源（对应于电网2 的移动）发生故障时，另一个电源（对应的电网1）才能通过静态开关STS2 向符合电网2 供电。在此期间，双电源负载（如R）不会关闭。即使STS2 没有生成相应的UPS1 电网，双负载也不会停止，因为电源仍然存在。

4 结语

在现代电网快速发展的背景下，通过改变数据中心机房的供电模式，来满足数据传输业务的更高要求。因此，优化UPS 供电模式，实现双电源供电，从而满足科学合理的设计要求，提高数据中心用电可靠性，满足相关技术标准要求。