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高可用性的双总线UPS冗余系统

2015-10-22

近年来,人们将计算机网络技术、通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)正以前所未有的速度冲击着世界贸易,并且成为数字经济时代发展速度最快的产业。这些IDC或MDC必须具备登录的各大网站,企业和用户提供适应“突发性”的大“数据吐量”需求,高“数据传输率”的安全和保密的365天×24小时连续“互联网增值服务”的能力。又如民航空管站,已成为雷达、通讯、导航、自动监控、电脑网络的综合系统,其管理功能绝对一刻也不能中断,该系统必须保证绝对安全可靠。对于上述重要负载系统,就必须由UPS提供安全的、稳定的、可靠的365天×24小时“全天候”的无中断的、优质的电源服务,并确保UPS系统实现上述功能情况下执行电源系统的维护和检修工作。为此,提出高可用性的双总线UPS冗余系统的总体设计。

 

1、UPS冗余系统设计的总体要求

尽管高可靠的UPS主机的平均无故障时间MTBF很高,可达到20万小时以上,而且当采用冗余并机工作方式时具有容错冗余和扩容双重功能。其MTBF比单机的MTBF提高了许多倍。

 

①UPS并机系统能显著提高单机的平均无故障时间,也就是提高其可靠性。

②当并机台数增加时,虽然提高了UPS系统的利用率,但也降低了并机系统的可靠性。

③并机台数应根据对冗余系统的可靠性要求及输出功率的利用率来考虑。

UPS冗余并机系统仅仅解决了提高UPS本身的MTBF,即降低UPS供电系统由于UPS自身原因的故障率,但并没有解决由于UPS冗余并机系统的输入、输出配置发生的问题,如配电柜故障、断路开关跳闸、保险丝烧毁、蓄电池早期失效和电力传输电缆故障等原因,也不能十全十美地解决UPS供电系统的可维护性问题,这就要解决如何提高UPS冗余系统的高可用性问题。UPS冗余供电系统的可用性与故障时间/年有下列关系(见表2)。

IDC或MDC以及民航空管部门等重要负载,对UPS冗余系统的要求需要达到“六个9”,即99.9999%,这些重要用户一年内所能承受的停电时间不能大于31秒,即每天的停电不得多于0.09s,否则将给这些重要负载带来不可估量的损失。为此,需要采用双总线冗余供电方式,此方式除了确保高可用性外,还使系统在线扩容成为可能,并可以升级。

双总线UPS冗余系统设计的总要求是:

①具有高可靠性

保证365天×24小时持续提供高质量电源的供电能力,在任何情况下,绝对不允许UPS出现任何瞬间中断或转由普通市电经交流旁路供电。

②具有高抗干扰性

保证无论来自市电或UPS供电本身的“电源干扰”尽可能地被消除,包括传导干扰与辐射干扰,特别强调的是应具有计算机级的优质地线。

③具有高容错功能

没有“瓶颈故障”点,即在整个UPS供电系统中,在任何节点均不存在瓶颈故障隐患。

④具有高可用性

重点设计双总线UPS冗余系统,使其能完善地解决UPS系统的可维护性问题。

⑤具有抗天灾、人祸的能力

在设计、施工、安装、调试、运行、操作、维护等过程中消除天灾人祸的隐患。

 

2、UPS冗余供电系统的总体设计

 (1)基本硬件配置:

①“双总线输入”冗余式供电系统

两路以上冗余式市电+冗余式自备发电机组+自动转换开关(ATS)+防雷击、抗瞬态浪涌抑制器(TVSS)+超压、过载、短路保护的输入配电柜(PPC),确保UPS系统输入端消除“单点瓶颈”故障。

②UPS主机及其“N+1”型功率均分、冗余并机系统

带负载同步控制器的功率均分、冗余并机UPS系统+高质量阀控蓄电池组+单体电池容量自动监测系统,确保消除UPS主机及电池组的“单点瓶颈”故障。

③“双总线输出”冗余式输出配电系统

电力双总线冗余式长距离传输+带静态开关的LTM配电柜+科学的、合理的配电开关,确保消除UPS逆变器输出端到最终重要负载之间可能出现的“单点瓶颈”故障隐患。

(2)优质的监测功能:

①单体电池容量在线自动监测。

②UPS参数的集中监控及远程监控。

 

3、UPS主机及冗余方式选择

(1)UPS主机选型

UPS主机的可靠性是UPS供电系统的核心,其首选机型应当是双变换在线式UPS。

①功率器件(IGBT)是UPS双变换的心脏,应选择自行生产功率器件的UPS厂家。它不但选用优质的功率器件制造UPS,而且器件会运用在最佳状态,因而UPS性能好、可靠性高。

②需选择全数字化的UPS。在变换、控制、反馈、测量、显示、通信等方面均采用数字化技术。

③需选择宽广的输入电压范围。大功率UPS能达到电网380V+15%~-20%电压变化范围。

④需选择高输入功率因数的UPS。高输入功率因数能减少无功损耗,节约电能,降低电网的谐波污染及空间辐射干扰。

采用高频PWM变换技术,能使输入功率因数达到0.999(符合国际电工委员会标准IEG1000-3-2,中国标准GB/T14549-93),可以明显减少输入端无功损耗,节约运行费用,同时没有电网污染及空间辐射,能真正作到绿色环保电源。因此高频PWM整流技术是UPS的发展方向。

⑤需选用平均无故障时间(MTBF)长的UPS。MTBF反映UPS长期运行的可靠性程度,从报道可知现在进入中国市场的UPS的MTBF一般都在10万小时以上,有的UPS技术指标标明MTBF是330万小时,不同品牌UPS的可靠性指标是有明显差别的。

⑥需选择低温升功率器件的UPS。功率器件损坏约占UPS故障率的80%左右。许多品牌UPS为了参与竞争,常选用低档的功率器件,因此当负载稍一超载时,功率器件就会因温升过高而损坏。

⑦需选择数字化、集成化控制电路的UPS。进口的大部分UPS只有DC→AC是数字化,而AC→DC仍是模拟状态下工作,因此这些品牌UPS只能算作部分数字化。

如果UPS从AC→DC和DC→AC均为数字化,而且还采用双数字处理器(DSP)及大规模集成专用电路(ASIC)和直接数字控制(DDC)技术,UPS才真正迈上了全数字化的台阶。数字化代表了UPS高指标、高可靠、高稳定的特性。

(2)冗余并机方式选择

目前大功率UPS的可靠性很高,但仍不能满足重要负载设备对UPS可靠性的要求。因此需要将多台UPS主机组成“N+1”型功率均分冗余并机方式。但是不同的并机方式,其并机的可靠性是有很大差异的。目前已经历从并机柜、并机模块、无线并机到数码控制自动并机的发展过程。

我们知道,功率均分、冗余并机的技术含量很高。如能在并机过程中彻底解决环流问题,才能认为本方案的可靠性是最高的。

从有功功率偏差和无功功率偏差中,采用瞬时电流差值(ΔI)控制的环流抑制技术,并运用全数字化,DSP处理是目前并机技术的主流。其并机环流很小,能控制在总输出电流的1%以内,并且长期稳定性好,不受温度及老化漂移的影响,其冗余并机的可靠性将大大提高。

 

4、UPS远距离供电传输抗干扰及提高可靠性问题

许多重要负载与UPS有相当距离,例如机场航管站的导航雷达等电子设备均安装在塔台上,塔高100米,大功率UPS及其后备蓄电池由于其体积和重量的原因往往只能安装在地面上,于是至少有100米垂直敷设的输送优质正弦波电源的UPS输出线,这根导线简直就是一个雷电接收天线。此外,各种电力、电子设备对这条长线均可能产生干扰。这些干扰被送到主设备中去就降低了UPS的供电质量。

雷电对UPS电力传输线的干扰通过电容感应、互感效应、共阻感应以及辐射电磁场干扰等途径产生影响。为确保大功率UPS长距离输送时仍能提供优质电力,首先需要了解雷电对UPS传输电力线的干扰机理、途径、数值,从理论上探讨及估算,进行科学的、合理的设计,采用严密的安全防范措施,进行严格精心的操作,才能达到预期的目的。

 

5、智能化监控系统

为了保障用户的UPS系统可靠运行,多数产品均提供RS232、RS422、RS485及以太网/SNMP等接口配置,方便用户与UPS系统进行直观的人机对话,实现远程实时监视UPS的运行参数和状态,并贮存历史运行参数、报警信息,使用户能够及时、准确地“诊断”出故障的性质及故障发生的部位。

三菱UPS系统提供符合人体工程学的极为直观方便的人机对话操作系统。通过大屏幕触摸液晶显示的图文系统,用户可以按照界面提示信息,使用触摸指控式操作方法,完成开机、关机、紧急状态处理、运行方式、数据查询、故障记录等多种功能。三菱UPS通过SNMP智能网管接口,方便用户在Internet或Intranet实现UPS系统监控,掌握UPS系统运行状态,获取UPS系统运行报告。

 

6、结语

为了满足重要负载对UPS供电系统的严格要求,设计双总线冗余供电方式即采用双总线输入+UPS冗余直接并机技术+双总线输出+负载自动切换开关的供电体制是非常必要的,为了UPS供电系统的高可靠性、高安全性、高稳定性、高可用性,增加必要的投入是非常值得的,重要用户最终将得到结论:双总线UPS冗余供电系统将由“物有所值”过渡到“物超所值”。这就要求我们要全面统畴、精密设计、细心选型、精心施工、严格调试、详尽监控……,这样的UPS供电系统才可能保证重要用户的苛刻要求。