UPS系统配置方式及采用双母线供电方案建议

UPS系统配置方式及采用双母线供电方案建议
吴阿明
（浙江邮电职业技术学院浙江绍兴312000）
摘要：从IDC和MDC对UPS供电要求出发，介绍了目前UPS冗余配置方式，分析“1+1”并联冗余供电方式的缺陷及风险，提出在不增加UPS系统设备的前提下，采用双母线供电的方案建议。

关键词：UPS 冗余配置供电方式单点瓶颈双母线
Mode of Configuration of the UPS System and the Proposal of Adopting the Electricity-supply Scheme Through Double Bus
Wu Aming
(Zhejiang Vocational & Technical College of Post and Telecommunications, Shaoxing, 312000,
China)
Abstract: Based on the electricity supply required by IDC and MDC, the paper firstly presents the present-day redundant mode of configuration of the UPS, and then it analyzes the drawbacks and risks caused by the redundant, parallel-circuited, electricity-supply mode. The paper finally comes up with the proposal of adopting the electricity-supply scheme through double bus on the premise of the absence of additional facilities of the UPS system.
Key words: UPS; redundancy; configuration; electricity-supply mode; “bottleneck”; double bus
通信用UPS系统是以冗余备份方式工作的。

现在大型UPS电源MTBF可达20万小时以上，但并不能确保故障率为零，在UPS系统中可采用具有容错功能的冗余配置方案来解决这个问题。

因此如何解决好多台UPS电源以同频、同相、同幅运行是实现多台UPS冗余供电的关键。

从冗余式配置方案来看，有以下几种方式：
主机—从机型“热备份”UPS供电方式；
直接并机冗余UPS供电方式；
双总线冗余供电方式；
一、主机—从机型“热备份”UPS供电方式
这是缘于UPS电源的锁相同步控制技术还未完善到足以保证多台UPS的逆变器电源总是处于同相、同频的跟踪技术下常采用的方案。

热备份冗余系统工作方式为两套UPS串联切换。

正常运行时，只有主UPS给关键负载供电，而另一台一直处于空载状态。

如果主UPS 有故障不能运行，它就切换到旁路，而备用UPS在过了大约2～8ms后自动接替工作。

这种结构价格比较经济。

但是，这种结构有许多单点故障。

如果主UPS出了故障，那么另一台必须接替全部负载。

这也就意味着在约8ms内，另一台必须把供电从0增加到100%，此方式的缺陷在于备用UPS长期处于空载状态，其电池寿命会缩短、容量会下降，且备用UPS 得具有阶跃性负载承载能力，无扩容能力。

由于人们很难实时了解备用UPS各部分有无故障或隐患，当要启动备用机时，可能就无法正常工作了。

二、直接并机冗余供电方式
为克服主机—从机型“热备份”供电系统的弱点，随着UPS控制技术的进步，具有相同额定输出功率的UPS可直接并联而形成冗余供电系统。

为保证高质量的并机系统，各电源间必须保持同频、同相、且各机均流。

一套设计完善的n+1型并联冗余供电系统应完成以下的控制功能：
（1）锁相同步调节功能
为安全、可靠执行供电的切换，要求逆变输出频率及相位与旁路市电处于严格的锁定状态而且对多台间的相位差进行微调，使相位差尽可能趋于零，从而实现冗余系统锁相同步的完善调节，以防止并联系统出现环流。

（2）均流调节
应保证并机系统均衡承担总电流，因此UPS并机控制电路应对每台UPS的输出电压进行微调，以保持多台UPS电流输出的均衡度。

（3）选择性脱机跳闸功能
并机控制电路应正确判断出那台UPS单机出现故障，并进行自动操作，向值机人员发出告警信号，以便及时检修。

（4）非冗余工作状况报警
若系统处于非冗余状况，并机控制电路应发出告警，提醒值机人员及时排除故障，恢复冗余供电状态，防止由于负载的变化切换到交流旁路供电系统。

（5）环流监控
环流的出现，将会导致UPS并机系统运行效率下降，加速单机老化，严重时造成向交流旁路系统切换或停止供电。

n+1型UPS冗余并机供电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。

因UPS设计不同，直接并机方案有：简单的直接并机方案、主动式的并机方案等。

（1）简单的直接并机方案
各台UPS只实行与市电的跟踪同步，相互间对相位、电压不进行调节，因此易发生故障。

（2）主动式直接并机方案
a.“1+1”型直接并机方案
"1+1"并机板完成调节单机间的相位差；对输出电压进行微调，达到对负载的均衡供电并实行环流管理。

b.“导航型”UPS直接并机方案
区别在于将其中一台UPS单机作为具有优先同步跟踪市电的“导航UPS”，其余UPS 则去同步跟踪“导航机”，不直接同步跟踪市电电源。

相对来讲此系统不需要并机控制柜，但可能出现各机的相位差较大，环流偏大。

c.采用“并机柜”的并机方案
用一个专门的“并机柜”来代替原分散交流旁路供电通道，解决了各个分散的交流旁路上的“静态开关”的不均流带载问题。

三、双总线冗余供电方式
由于在UPS供电系统中，输出端与负载间配有配电柜、断路器等，若碰到检修或产生故障等，以上的几种配置形式将引起负载停电，也即系统的故障率虽然降低了，但可维护性问题并没有彻底解决。

因此可采用双总线冗余配置方案。

在此方案中分别设置有UPS系统1和UPS系统2两套UPS系统，它的后级配置根据用户的经济实力和负载对输出功率的要求，有二种可供选择的方案，即不带“负载总线同步控制器”的配置方案和带“负载总线同步控制器”的双总线冗余供电方案。

目前UPS供电系统中几乎全部采用“1+1”并联冗余的供电方式：系统配置两台相同型号和相同容量的UPS单机，通过各种并机方式，将两台UPS的输出直接并联而形成并联冗余供电系统。

UPS“1+1”冗余并机系统仅仅解决了提高UPS系统本身的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。

相对于单机系统，“1+1”系统的可靠性得到了很大的提高，但这种供电系统仍然有不少缺陷，具体可以举例如下：
1、仍然存在“单点瓶颈”：虽然运营商目前采用的“1+1”UPS系统在输出回路中也采用“双路由”供电，但由于其“双路由”仍由同一套“1+1”UPS系统输出，而且一般这种系统的两台UPS主机输入来自于同一路电源，所以一旦系统中的输入转换开关、输出并机开关、输出配电屏等“单点瓶颈”出现故障或某种人为因素，仍可导致“双路由”同时中断而造成通信设备退服。

2、虽然UPS的平均无故障时间MTBF越来越长，但仍不能保证“零故障”。

当“1+1”系统中某台UPS出现故障时，将由单机承受所有负载功率，虽然一般要求负载功率必须控制在单机满容量的80％，但在开始单机运行到维修工程师到达现场维修完毕，将故障机重新并入系统为止的时间段内，系统仍为危险期：一旦单机运行失败，系统将旁路至毫无“安全保障”的市电，所有关键性负载都将由低质量电源（市电）供给，它对信息网络的安全运行带来的严重“故障隐患”；另外，维修后的故障机需要与原运行单机重新并机时，如果隐含故障并未完全排除，则在故障单机切入供电回路的瞬间，很可能出现由于两机不同步而产生的环流（交流并联需要两路交流电的电压幅值、输出相位、电源频率实时相同，三个参数中任意一个出现偏差都将导致环流的产生），而一个足够大的环流就可能导致UPS逆变器损坏，并且同时可能造成输入电流异常增大而使输入开关跳闸，则UPS系统将中断所有输出。

3、随着网络规模的不断扩容，“1+1”并机冗余系统扩容时UPS系统的扩容割接也不断增多，虽然通常用新老2套“1+1”UPS系统串联同步的方法来进行不断电割接，但在割接过程中若存在操作失误或施工不当，则造成供电中断的可能性会相当大；尤其在割接开始和结束时，由于需要进行逆变转旁路和旁路转逆变的状态转换，加上此时系统会遭受负荷剧变，一旦系统转换失败也将造成不可挽回的损失。

目前在IDC机房内所使用的设备可大致分为三类：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，磁盘阵列机，通信设备等），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。

按目前的供电方式，一旦“1+1”UPS系统在单点瓶颈上发生中断或瞬间供电中断，将会影响该系统下所有的负载。

一般来说，绝大多数通信网络设备（服务器、交换机、路由器、网关、磁盘阵列和其它通信设备）所允许的瞬间供电中断时间为0.01～0.02秒左右，若供电电源出现瞬间供电中断（>0.02秒的瞬间停电），故障就会导致通信网络设备退服或莫明其妙的“开机自检”，从而导致“网络瘫痪”发生。

这种情况在UPS处于市电旁路和UPS输出端出现严重过载或发生短路故障时（因分路断路器未能及时分断故障分路）会较多的出现。

为有效降低目前采用的“1+1”UPS并机冗余系统的供电风险，在不增加UPS系统设备的前提下，建议采用双母线供电的方案，这对保障系统电源是切实可行的。

系统联接如图。

双母线系统由两套独立的“1+1”UPS并机冗余系统组成。

其中有主备用电源的设备由1#系统和2#系统共同承担供电任务；对于有双机系统的单电源设备，则双机分别接1#系统和2#系统；对于单电源供电的单机设备，则在保证负荷平衡要求下分别接在1#系统或2#系统。

这样当其中某一个“1+1”系统发生供电中断时，由双电源供电的设备仍能继续正常工作；有双机系统的单电源设备则由于分别接在不同的系统下，仍有一台设备可以正常工作，对业
务应不产生影响；而对于重要性相对不高的单电源单机系统，则可以在很短时间内把电源插拔到正常的供电系统上，大大缩短切换启动时间。

由此，基本解决了供电系统中的“单点瓶颈”问题，保证了重要通信网络设备的点对点冗余，大大增加了整个系统的可靠安全性。

相对于传统的“1+1”并机冗余系统，双母线供电方式时的“1+1”系统其安全容量仍按每台40％额定容量输出。

当一台单机故障时，则另一台单机承担80％的额定容量，只有当整个“1+1”系统全部中断（包括市电旁路）时，对应的另一侧“1+1”系统才承担所有的负荷电流，即便如此，每台UPS单机的输出仍小于80％的额定容量。

所以这种方案基本不增加设备，设备投资也没有增大，但系统可靠性有了大的提升。

当然，采用新的双母线供电方式，并不能解决所有的问题，而且在所有负载切换到一套“1+1”UPS并机冗余系统时，也有一定的风险。

对维护而言，也会增加维护的难度和工作量，对后级配电设备安全要求和线缆的标识要求也更高一些。

尤其是如果需要对原供电系统进行改造，可能难度会比较大。

参考文献：
1 李成章．现代UPS电源及电路图集[M]．北京：电子工业出版社，2001．
2 赖世能等．电信级大型IDC机房UPS电源系统配置方法与安全性[J]．电信技术，2005，(5)：31-36．
作者简介：吴阿明（1965—），男，浙江绍兴人，高级讲师，从事通信电源、通信网络研究。