浅述UPS不间断电源在信息机房的运行与维护

浅述 UPS不间断电源在信息机房的运行与维护

杨惠添

惠州市鸿业电力信息科技有限公司 516001

摘要：在大型IDC数据机房中，UPS不间断电源属于数据机房的重要组成部分，在IDC数据机房的辅助设备中扮演了不可或缺的角色，同时为IDC数据机房内的所有设备提供不间断的电能，保障了设备的运行安全。

本文首先通过阐述我国在大型IDC数据机房中相关的使用要求、《供配电系统设计规范》、《电子信息系统机房设计规范》及《UPS与EPS电源装置的设计与安装》。结合现有信息机房内的一套UPS主机的日常维护、保养，分析现有的不间断电源主机的市电来源及信息机房机柜内PDU电源的分布。

通过讨论结果显示，现有的信息机房从UPS电源主机到进入机柜电源的市电来源，比整改前的电源设计更加合理，符合规范，同时，提高了IDC数据机房内设备的安全运行能力，为信息机房业务提供了保障。

关键词: UPS不间断电源 IDC数据机房 信息机房电源设计

1.UPS电源概述

1.1 UPS的定义

UPS——间断电源装置（Uninterruptible Power Supply）是一种电力供应系统，其含义是在主机检测到市电中断时，主机逆变器启动，用蓄电池进行逆变供电，可供电时间由后备带的蓄电池数量决定。它是一种利用电池化学能作为后备能量，在市电断电或发生电网故障异常时，为用户设备提供交流能源的一种能量转换装置。

1.2 UPS的构成及分类

UPS系统一般分为逆变器、旁路/反静态开关、输入输出开关和接触器以及备用电池系统。UPS主机根据执行方式分为在线(On Line)和离线(Off Line)两种。

按电路结构和不间断供电方式分类：

（1）后备式

在正常情况下，市电交流电经过静态旁路开关给UPS的负载端进行供电，而逆变器则处于热备用状态，主机一旦检测到市电交流电异常，逆变器立即投入运行，同时两组静态开关互锁，保证交流市电和逆变输出电源之间不会造成环流。

（2）在线互动式

在线互动式是一种介于后备式UPS和在线式UPS工作方式之间的UPS设备，在线互动式UPS电源转换的时间在0.4毫秒左右，适合一般要求不高的设备。与后备式UPS相比，在线互动式的UPS逆变器输出的波形为正弦波。

(3)双变换在线式

当市电是异常状态时，蓄电池端会经过DC/AC转换供电，而当逆变器发生了故障，将由市电直接通过旁路给负载供电，负载端的输出功率将由逆变器进行提供。双变换在线模式下，UPS无论有无市电输入，UPS的输出电流都将经过逆变器转换后输出，这样保证了输出电压的波形的稳定。同时，保证了在市电发生断电时，输出端的电压因为不存在转换时间，所以不会造成影响。

2. UPS的供电方式

UPS的供电方式分为：单机供电方案、直接并机供电方案、模块化并联供电方案、双母线（2N）供电方案

2.1单机供电方案

UPS主机单机供电是4种供电方案中结构最为简单的一种模式，利用单台UPS主机直接输出至后端设备，该方案的优点是不需要专门的配电柜及施工工程量较小，施工周期短，该方案缺点也非常明显，可靠性是4种方案中最低的。

2.2直接并机供电方案

这种并机供电方案是将多台同款型号、输出功率相同的UPS设备在其输出开关处进行并联操作，其工作方式是在正常的工作情况下，N台UPS主机将负载和电流共同负担，当其中一台主机出现故障异常后，该主机上的负载切换至其他正常运行的UPS主机上。

该方案需要UPS达到以下几点要求：

(1)UPS系统中的UPS主机逆变器输出的电压频率需保持同一相位、同一频率

(2)UPS系统中的各UPS主机输出端UPS电压保持一致

(3)UPS系统中的各UPS主机通过并机连线后负载必须均分

当某台UPS主机出现故障后能自动脱离UPS系统而不影响整个UPS系统稳定运行

2.3模块化并联供电方案

模块化UPS包含的部分有：UPS机架、可并联功率模块、可并联电池模块、充电模块。该方案的优点表现在

（1）多机冗余，同时提高了供电的可靠性，当时用这种供电方式时，若某一台机器出现了故障，只要断开该机器与系统的关联，剩余的机器仍旧可以正常供电，减少UPS故障维修时间，降低信息机房发生断电的机率

（2）该方案的UPS功率模块配置是冗余N+1模式，可实现在线扩容，提高了系统的可靠性

（3）易于维护。多台UPS主机并联供电时，若并联中的某一台UPS模块失效，可以使用热拔插的形式进行模块更换，同时保证了负载供电端的不中断，适用于对停电要求较高的信息机房。

2.4双母线（2N）供电方案

每一套系统均由一台UPS主机构成，两套UPS主机电路系统为独立运行，同时双电源负载通过两套系统分别接入，电源负载通过STS连接开关单路供电。正常工作时，两套系统均分负载，当出现单机需要维护或宕机的情况下，另一台UPS主机即为完整独立的系统，可支撑整个负载。

方案中的两套UPS系统为独立工作状态，并且通过负载端将母线并联，从而达到冗余的目的。

该方案有以下几个特点：

（1）从成本的方面考虑，正常工作状态下，两套母线系统共同负荷所有的双电源负载；UPS系统通过STS设置，各自担负一半的单电源负载。

（2）将其中一套主机中的单台主机输出线缆与另一套主机的单台输出电缆通过铜排并联，作为双总线的其中一路输出，剩下的一台同理并联，作为双总线的另一路输出。

（3）即使其中一套UPS中的单台出现了故障需进行维修，系统仍能保持双电源工作；单电源的负载会通过STS切换开关切换至正常输出。

（4）静态切换开关（STS）在单路电源切换时动作，将单电源输出接至STS输出端上，STS开关两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2，这样其负载可经转换时间1、4周波的静态转换开关切换至另一个供电系统。

（5）这样的供电方案使UPS系统有双备份，使IDC机房的负载用电的可靠性得到了显著的提升，同时该方案有良好的前瞻性和开放性，为以后系统的扩容升级和维护得到保障。

3.方案选择

3.1UPS主机选择

3.1.1 UPS容量计算

（1）总负载计算

信息机房单个机柜内服务器可放置8台，功率合计4800W,合计最大总功率为182.4*0.7=127.68KVA（功率因数取0.7）；各类交换机机柜额定功率24KW,合计最大总功率为80*0.7=56KW（功率因数取0.7）,总计约为183.68kW。

（2）UPS容量计算

该型号在线式UPS一般功率为0.7,183.68÷0.7≈262.4KVA，考虑UPS的冗余一般为20%-30%，即UPS的最佳工作状态为负载是70%-80%，所以推荐UPS总容量应该为262.4*1.2=314.88KVA，314.88/2=157KVA，即在双并机冗余的情况下，应选择单机容量160KVA主机。

3.2施工改造步骤

敷设艾默生UPS输出配电柜#2空开至A列头柜#1空开三相电源线，断开A列头柜#1空开，更换列头柜#1空开，合上艾默生UPS主机输出配电柜中的#2空开，空开三相验电，核验无误后闭合#1列头柜空气开关。

按上述步骤重复将D列头柜、G列头柜1号空开接入120kva艾默生UPS中。

上述步骤完成后，信息机房1号PDU及2号PDU将分别来自两套UPS系统，进一步的完善了IDC机房的电源配置的合理性，同时将保证了机房设备用电的冗余，其中一套UPS出现故障也不会影响信息机房内设备的安全运行，同时也具备了不停机维护的条件。

4、结论

经过改造后，现在三个列头柜内的两路电源均分别来自两套UPS主机，同时两套UPS主机来源于不同的变压器，真正的实现了2N系统冗余。使用“N+1”系统供电时，为了保障系统的正常运行，在UPS主机未发生故障时，每台独立运行的主机承载压力不得大于N/(N+1),在这个表达式中，当N等于1的时候，承载压力为1/(1+1)=1/2; 当N等于2的时候，承载压力为2/(2+1)=2/3。

在使用2N双总线的UPS系统时，UPS操作系统都正常运作，系统的承载压力将均分至每一台UPS主机当中，同时，可以将UPS输出问题进行了避免，用电路路由来看，UPS的输出端口到信息机房的PDU上永远有两个路由，不存在单点故障问题，达到了信息机房双冗余的目的，这个使信息机房有较好的承载压力，容错能力也能得到保障。

参考文献

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［2］浅谈电子信息机房UPS供电方式.［J］建筑工程技术与设计.2018年5月中5005

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［5］关于数据中心机房UPS供电系统可靠性问题的分析. ［J］通信电源技术.2018年3月25日第35卷第3期382-383