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在信息网络技术推动下的UPS产业发展动向


李成章

一、信息网络的发展为UPS产业带来巨大商机
近年来,将计算机网络技术、电信网络和传输技术有机地融合在一起的互联网数据中心(IDC)和多媒体数据中心(MDC)机房如雨后春笋般地出现在我国和世界各地。在这里,成千上万台的服务器、路由器和磁盘陈列机等“互联网集群设备”被集中地安装在同一IDC或MDC机房内,其所需的“供电电源功率密度”高达0.8KW / m2,当今在我国总电源功率需求量达1200-3000KVA的大型IDC机房的出现已屡见不鲜。这样的IDC必须具备有向入驻的各类网站、企业和用户提供能适应“突发性”的大“数据呑吐量”需求的、高“数据传输率”的、安全和保密的365天×24小时的连续“互联网增值服务”的能力。显而易见,为达到这个目的,负责向IDC和MDC机房内的关键“互联集群设备”供电的UPS供电系统所应完成的任务重点将逐渐转移到:如何确保被互联网、电信网及工业自动化控制网络所运行的各种信息资源(数据,语音及图像等)能高效、可靠和安全地进行远程的信息处理、存贮和传送,而不是仅局限于确保能不间断地向互联网设备供电上。从某种意义上讲,保护用户的数据的重要性一点不亚于保护用户的互联网设备。对于这样的高质量UPS供电系统来说,它应具有如下优异的运行特性:
1. 高可靠性:
具有能提供365天×24小时连续提供高质量的UPS“逆变器电源”的供电能力。这就意味着,在UPS供电系统的运行中,既不允许出现任何瞬间供电中断 / 停电事故。也不允许在UPS运行中,出现由普通的市电经交流旁路直接向用户的负载供电的局面。为此,要求UPS供电系统应满足如下要求:
 UPS单机本身的“故障率”低,目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF):20-40万小时。
 采用具有高度“容错”功能的“N+1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性。
 在整套UPS供电系统中,不应存在“单点瓶颈”性故障隐患。
 允许在UPS“逆变器电源”连续供电的条件下,执行“不停电”的维护和检修操作。
 万一在用户设备端出现“短路”故障时,应将“故障”的影响范围缩小到尽可能小的范围。
2. 高抗干扰性:
UPS供电系统能为互联网设备获得100%的高“可利用率”(低“误码率”,低数据传输“丢包率”,高网络“接通率”),创造优良的运行环境。
大量的运行实践表明:“电源干扰”问题是造成互联网设备的“可利用率”下降的重要原因之一。能否尽可能地消除“电源干扰”是确保信息网络能否获得100%的高“可利用率”的关键所在。在此需说明的是:“电源干扰”不仅来源于普通的市电电网,它还来源于“设计不完善”的UPS电源本身及用户的互联网设备本身。这是因为,配置在IDC和MDC机房内的服务器、磁盘陈列机、交换机等均内置有“开关电源”,这种“整流滤波型”非线性负载会向UPS供电系统反射3次-23次低次谐波“干扰”,其可能带来的恶果之一是:降低语音通话质量。实践证明,过大和过频地出现“电源干扰”,轻者会导致互联网的传输速率下降,网络服务器的数据“丢包率”增大,modem的上网“掉线率”增大等隐形故障出现,导致互联网设备被迫进入“降额”使用状态,严重时还会导致网络瘫痪。为说明此问题,现举例说明如下:如果将用户向网络运营商租用“带宽”为64Kbit / s专线时所需付的费用作为1计算的话,当用户租用10Mbit / s和150Mbit / s的网线使用权时所需支付的费用将分别增到34和210倍。由此可见:如果因“电源干扰”问题或电磁兼容EMC问题而导致互联网进入“降额使用”状态的话,它会给网络和电信运营商的利润带来多大的损失。由此可见:随着高速信息网络技术的迅猛发展,它在给UPS产业带来巨大商机的同时,也对UPS供电系统所能提供的电源质量提出更为严格的要求。

二、信息网络用UPS电源供电系统的全方位解决方案
为确保各种信息网络能获得100%的高“可利用率”,以便向它的网络用户提供高速、安全和可靠的信息资源增值服务,要求当今的UPS产品供应商不仅能提供高质量的UPS产品,还要具有足够的技术实力,根据不同用户的具体需求,采用“量体裁衣”式的“个性化”服务方式,为用户提供UPS供电系统的全方位解决方案、工程施工建议及完善的售后服务保障。一种具有“双总线输入”和“双总线输出”特性的UPS冗余供电系统结构如下图所示:

1. 冗余式“双总线输入”供电系统:
其基本配置为:首先由2路 / 多路市电源组成冗余式市电供电系统,再由冗余式市电供电系统+备用发电机组+由1台 / 多台自动切换开关+防雷击抗瞬态浪涌抑制器TVSS来共同组成“输入电源控制中心”,该控制中心所应完成的调控功能有:
 时刻监视各种输入电源的实时运行状态,确保总是将其中“最可靠”的一路输入电源送到UPS的输入端。
 能有效地阻止高能雷击“浪涌”及高能“切换瞬变”干扰被串入到UPS的输入端,以防这些高能“脉冲干扰”损坏UPS或造成UPS误动作。
2. “N+1”型UPS冗余并机系统
在当今的技术条件下,采用“N+1”型UPS冗余并机供电方案是消除UPS供电系统出现“单点瓶颈”故障的最佳方案。它是在确保各台UPS单机的输出处于电压幅度相同、输出频率和相位相同的条件下,将“N+1”台具有相同输出功率的UPS单机的输出端并联起来,共同向具有N台UPS单机输出功率的用户负载供电。正常工作时,由“N+1”台UPS来平均分担负载电流。万一某台UPS出故障时,在并机控制信号的调控下,在将有故障的UPS“自动脱机”的同时,由剩下的N台UPS继续供电。
3. “双总线输出”冗余式UPS“输出配送电”系统
当今的“1+1”型UPS冗余供电系统的可靠性已达很高的水平,然而,对美国大型IDC机房的统计表明,从UPS输出端到最终用户的设备输入端仍存在如下故障隐患或“单点瓶颈”故障隐患。
 79%的故障来源于UPS输出端与负载之间的供电线路(例如:保险丝烧毁,断路器跳闸或不慎“短路”等);
 11%的故障来源于UPS机组及电池组;
 其它故障占10%左右。
由此可见,我们应采取必要的技术措施来消除可能出现在UPS输出端的种种故障隐患。实践证明,行之有效的办法是配置UPS“双总线输出”配送电系统。其基本配置为:由“N+1”型UPS并机系统输出的两路UPS输出电源+UPS输出配电柜+负载自动切换开关(LTS)组成UPS的“双总线输出”供电系统。对于某些要求极高的场所(例:中国民航三大空管中心和大型IDC机房等),还应配置由两套“N+1”型UPS冗余供电系统+负载同步控制器(LBS)+负载自动切换开关(LTS)所组成的高品质的UPS双总线输出供电系统。
众所周知,当今在IDC和MDC机房机内所使用的互联网设备可大致分为如下三类:
 具有双路 / 三路交流输入电源端的关键性负载(例如:高级服务器、磁盘陈列机、通讯设备等)。相关统计资料表明:这类设备约占IDC机房用互联网设备的30-50%;
 具有单电源输入的关键设备;
 具有单电源输入的非关键性设备。
显而易见,对于带双路输入的关键性设备,比较好处理。我们只需将从“N+1”型UPS冗余并机供电系统所输出的两路电源分别连接到它们的两个输入端即可。
对于带“单电源输入”的关键设备而言,则需将分别来自“N+1”型UPS冗余并机供电系统的两路输出电源首先连接到自动切换开关(LTS)的两个输入端上。在此条件下,由用户自行指定其中一路输入电源为“优先供电电源”,另一路为“备用电源”。然后再将LTS的输出端连接到用户的单电源输入关键设备上。正常工作时,由“优先供电”电源经LTS向负载供电。当因故致使“优先供电电源”的电压 / 频率波动超过工作范围时,LTS将超快速地将另一路从UPS输出的“备用电源”同用户的负载接通,从而确保用户负载的安全运行。

三、双变换、在线式UPS应是UPS的关键负载的首选机型
众所周知,双变换、在线式UPS是采用将普通的市电电源首先经稳流滤波器变成稳压直流电源(AC-DC变换),然后再经逆变器变成具有稳压、无频率“突变”、无电压失真和无干扰的纯洁正弦波形的逆变器电源。当在线式UPS正常工作时,它应在100%的时间内,向用户负载提供100%的UPS逆变器电源,与此形成鲜明对比的是,对“非在线式UPS“来说(后备式UPS、在线互动式UPS和Delta变换型UPS),当市电供电正常时,它们向用户所提供的是仅对市电电源的输入电压作不同程度的稳压精度调整的电源,在这种电源中,难于消除来自市电电网各种高能瞬态”浪涌“、频率“突变”、电压失真及各种电磁干扰所可能带来的种种不利影响。在这种供电体制下,常见的故障现象有:计算机 / 网络服务器莫明其妙地“死机”,网络的“数据传输率“急剧下降,modem及服务器的上机“掉网率”增大,网关 / 路由器产生“偶发性”的自动关机 / 自检误启动等。为说明此问题请见下表:

各种UPS在市电供电正常时(占市电电网供电时间的99%以上)的运行特性

UPS类型 允许的市电电压范围(V) 向用户所提供的电源 逆变器的工作状态 主要解决的电源问题
后备式UPS 220V -23%,+15% 稳压精度220V±4~7%(100%来自市电电源,用户负载与市电电网处于“非电隔离”状态) 处于停机状态 市电停电,电压下陷(10毫秒~几秒,电压<85%=电压上涌(10毫秒~几秒,电压>110%)
在线互动式UPS 220V -31%,+25% 稳压精度220V -11%,+15%(100%来自市电电源,用户负载与市电电网处于“非电隔离”状态) 逆变器 / 充电器型变换器承担充电器功能 市电停电,电压下陷,电压上涌,持续性欠压,持续性过压
Delta变换 式UPS 220V ±15% 稳压精度220V±1%(当市电电压为220V ±15%时,85%来自市电电源,15%来自Delta变换器所提供的“逆变器电源”的补偿电压。当市电电压为220V时,100%来自市电电源。用户负载与市电电网处于“非电隔离”状态) 主变换器承担充电器功能,Delta变换器经补偿变压器对市电输入电压进行Delta量(±15%)的稳压调控 市电停电,电压下陷,电压上涌,持续性欠压,持续性过压,对瞬态浪涌有所抑制,对波形失真度有所改善等
双变换在线式UPS 1. 220V -15%+10%采用可控硅整流器的UPS2. 220±25%,采用IGBT脉宽调制型整流器的UPS 稳压精度220V±1%(在100%的时间内,由100%的逆变器电源供电,用户负载与市电电网处于“电隔离”状态) 逆变器连续不断地向用户提供纯洁的正弦波电源 彻底解决包括市电停电、电压不稳、频率不稳、波形失真及电压干扰等全部输入电源问题

从上表可见,只有双变换、在线式UPS电源才有可能在100%的时间内向用户提供100%的高质量的逆变器电源及确保用户负载同普通的市电电源处于“电隔离”状态。显然,这十分有利于消除来自市电电网的各种“干扰”串入到用户负载上的可能性。相比之下,其它三种“非在线式”UPS电源均难以满足上述条件。由此可见,为确保用户的关键设备获得尽可能优良的电源运行环境,应首选在线式UPS。当然,对于那些使用“非关键性负载”的用户来说,为节省投资成本,在财力不充分的条件下,也不妨选用“非在线式UPS”。因为后者至少可以确保用户的负载获得不间断的电源供电,而无需考虑市电供电正常与否。

四、高抗自然灾害 / 抗人为“恶意破坏”能力是衡量UPS供电系统质量高低的重要标志之一
由恐怖分子策划的美国911事件毫无疑问对世界的政治和经济的发展均产生了不可低估的影响,在此背景下,UPS产业界的生产厂家、国家相关部门的采购决策主管和各种重要用户显然有必要考虑你所选购的UPS产品及UPS机房的设计和配置是否具有足够高的抗自然灾害 / 抗人为“恶意破坏”的能力。
据相关的资料显示:西方国家在海湾战争期间曾利用“石墨碳素”炸弹造成伊拉克65%左右的输电电网因高压“短路”而瘫痪。类似地,在科索沃战争期间,利用这种“石墨碳素”炸弹造成70%左右的南斯拉夫电网瘫痪。由此给我们的启示是,为防患于未然,有关的国家机关、军队和重要企业在选购、设计和配置UPS机房时,需要考虑当人为“误操作”或恶意破坏造成UPS输入端/输出端出现“电源短路”时,瞬间“供电中断”时,高压变压器跳闸或大容量的双电源供电系统在作“互投切换”操作时,UPS供电系统是否还能正常工作。这个问题乍听起来有点耸人听闻,然而,在某些UPS供电系统中,这种系统“脆弱性”暴露无遗。现举例说明如下:
 某种三相在线式UPS电源,当用户在它的输入端因操作不慎而致使其输入电源发生“短路”故障时,这种UPS立即进入逆变器和交流旁路两条供电通道同时停止工作的状态,而没有进入由电池放电来支持逆变器继续运行的这种“故障”状态,从而造成对用户负载的停电。显而易见,如果选用到这种UPS电源供电系统,用户设备的用电“安全性”是何等的脆弱。
 某种三相在线式UPS电源,当在用户的输入电源端因故出现高能“切换瞬变”干扰(例如:双输入电源作“互投切换”操作或在输入变压器的高压侧作“切投”操作时),会出现如下故障:
a. UPS的蓄电池组中的某些电池出现“爆炸”损坏故障。
b. 当市电恢复正常后,UPS却长期处于交流旁路供电状态。与此同时,还发现UPS中的蓄电池组被“深度放电”。众所周知:如果用户的负载长期处于由普通市电电源经交流旁路供电的状态,其用电的安全可靠性是极差的。
综上所述,如果我们忽视或者没有充分地认识到这种可能存在于UPS供电系统中的“潜在故障”隐患。一旦出现种种人为“误操作”或人为恶意破坏事件时,肯定会给信息网络的安全运行带来巨大的威胁。为解决好上述问题,应注意如下事项:
a. 选好UPS机型
b. 采取正确的“双总线输入”和“双总线输出”冗余设计方案和系统配置。
在这里要强调一下配置智能化UPS电源监控系统的重要性,这是因为我们不仅可利用集中监控系统来实现远程实时监视UPS的运行参数和状态,而且还可利用存贮在“运行大事记”中的历史运行参数和报警信息来及时、准确地“诊断”故障的性质及故障发生部位。

作者简介
李成章,中科院计算所、艾默生网络能源有限公司专家,长期从事UPS冗余供电系统的分析、配置和设计工作。基于对多种UPS单机电源的详细分析及参与多项大型UPS冗余供电系统的选型、配置和设计工作的实践,自1990年起先后出版《现代UPS电源及电路图集》等4本UPS电源专著及《信息网络时代UPS》网络教育光盘,曾在国外大学从事科研工作近4年。
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