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电力中心机房UPS应用及其优化方案探析

随着供电企业深入推进集约化、标准化、精益化、信息化的管理,计算机技术和网络技术在电力调度生产、电网自动化控制、电力优质服务及电力信息资源处理等领域使用日趋广泛,电力企业对计算机及网络系统的依赖程度越来越高,与此同时,也对电力中心机房等信息设备较为集中的重要场所提供稳定电能的UPS供电系统(简称UPS)的可靠性提出了更高的要求。

1 双机冗余单总线供电系统

云和县电力局中心机房建于2007年,位于电力局行政大楼十层,为满足设备可靠性方面的要求,机房核心设备均具有双电源输入能力。目前,机房由两台容量为20kVA的UPS并联供电(在线式UPS)。理论上,整个机房动力系统能提供2×20kVA供电容量,在日常情况下,机房平均总负载为11.8kVA,UPS并机负载率在30%左右。信息中心机房UPS并联方式和配电接线如图1所示。

云和县电力局中心机房的整个动力系统是由独立变压器输入的市电1、市电2、ATS(自动切换开关)、TVSS(防雷击、抗浪涌抑制器),两台UPS和输电配电柜共同组成的“双输入,单输出”供电系统,属于典型的双机冗余单总线输出供电系统。

正常情况下,两路市电输入中有一路作为主输入电源,旁路开关闭合,UPS1和UPS2输入开关闭合,市电经过两台UPS后输出波形良好的220V电源。在输出方面,单电源设备直接连接在输出总线上,而双电源负载设备则通过并联方式连接在两路总线的分线上。如果主路市电发生故障,ATS能在比较短的时间内(80~100ms)自动执行切换操作,同时UPS的输入电源会出现短暂的停电,但由于UPS设备能在短时间内(4ms)对设备恢复供电,对于机房负载来说并无任何影响。倘若某台UPS出现故障时,在UPS并机逻辑控制板的调控下,通过执行选择性脱机操作,还能将故障的这台UPS从并机系统的输出总线中脱离出来,由剩下的一台UPS不间断地向负载供电,提高了系统的供电可靠性。

根据“1+1”UPS冗余并机系统的工作原理,不难发现其优点:

(1)由两台UPS平均分担负载电流,减轻供电系统设备负担,提高系统稳定性;

(2)过载能力强,容量是单台UPS的两倍,能提供更大的设备负载和过电流能力;

(3)虽然UPS单机的MTBF(平均无故障时间)普遍已达到了几十万小时,但并机系统仍能大幅提升系统可靠性。

应用“1+1”UPS冗余单总线供电系统的确带来了不少的好处,但通过仔细的分析,还是可以看到该系统存在的一些问题:

(1)市电输入。以来自不同变压器的双路市电输入为例,双机冗余并联时一般是利用ATS将双市电互投为一路输出,两台UPS共用一条输入总线,从而在输入端形成了“单点瓶颈”故障隐患,如图2所示。例如,原来以市电1为主电源,市电2为备用电源,此时ATS通常就接通市电1到UPS组。当市电1停电时,ATS断开市电1而将市电2转为UPS组输入。正常情况下,只要有一路市电正常,ATS通过电源切换都能保证UPS组输入正常。但如果ATS发生故障,无法实现转接功能时,其后的UPS组失去输入电压,UPS在电池组放电终了后因低电压保护自动关闭运行,最终将导致机房负载全停。

(2)电源输出。由于双机冗余的单总线输出结构,无论是单电源输入的负载,还是双电源输入的负载都被连接在同一条UPS的输出总线上,并没有其它的冗余供电通道,从而在输出端形成了“单点瓶颈”故障隐患。特别是UPS设备运行当中,如果出现设备或其他故障,影响到并联输出端时,致使UPS并机系统出现闪断甚至停电情况,那么也将导致设备负载全停。

2 提高系统可靠性的措施

为了提高信息机房供电系统的运行可靠性,一般采用的方法有两种,即供电系统的冗余连接和负载设备的双电源或三电源冗余输入。这可从可用性表达式中看出

式中的A(Availability)表示的是可用性,其含义是在整个规定运行时间中,可靠供电时间的比例;MTBF是表示设备可靠性的平均无故障时间,其含义是平均多长时间不出故障;MTTR表示的是平均修复时间,其含义是电源所有故障维修时间之平均值。

从式(1)中可以看出,提高系统可用性有两个途径:提高电源的平均无故障时间和缩短平均修复时间。经过分析总结,可以通过以下几个方面提高UPS可靠性。

(1)元器件的选用;

(2)UPS的拓扑结构;

(3)UPS的制造工艺;

(4)冗余技术。

一般情况下,当机器的质量达到一定程度后,再增大平均无故障时间的代价较大,而且效果也不太显著(因为不能将平均无故障时间做到无穷大)。然而缩短平均修复时间的效果却比较明显,如果平均修复时间缩短为零(这种可能性是存在的,而且也不难实现),那么可用性就是100%。

3 优化方案

对于云和县电力局中心机房供电系统而言,UPS设备已存在,实际使用过程中,通过升级UPS元器件和提升设备制造工艺来提高系统的可靠性已不现实,如果能从UPS的冗余技术入手,适当调整系统配线结构,设计更佳的配电拓扑方案,使设备在发生故障时尽可能地缩短平均修复时间,甚至具有一定的“自愈”能力,那么整个UPS系统的可靠性将得到进一步提高。

3.1 双机双总线供电系统

通过上述分析,不管在市电输入端还是在UPS输出端,双机冗余单总线供电方案中的“单点瓶颈”主要原因还是由于只有一条总线,如果能合理地增加一条冗余通道,提高系统关键点的复用性,那么问题就可迎刃而解。

(1)市电输入。在原有设备的基础上,增加一组ATS转换设备,即使在一组ATS发生故障不能转接的情况下,另外一组ATS也能照常工作,至少能为一台UPS提供市电输入,如图3所示。

(2)UPS输出。考虑到云和县电力局机房UPS供电系统总体负载不大,可以将两台并联的UPS分开,使其单独出线,形成两条总线为设备供电,即所说的双机双总线供电系统。

从图中可以看出,系统总供电容量未发生变化,依旧为2×20kVA,双机双总线供电方案具有两条系统总线,很好地解决了双机冗余单总线供电方案的“单点瓶颈”问题,但分开单独供电之后,两台UPS各以20kVA的容量向连接到各自输出端的负载供电,设备在失去并机大容量负载能力的同时,也使得连接在UPS一端的单电源负载设备显得更加脆弱,一旦其中一台UPS故障,另一台UPS将不能提供并联供电输出能力,所以故障UPS将不得不通过市电旁路来为连接其后端的设备供电,由于旁路引自于非主电源输入的市电,其输入的不稳定性将直接影响到后端负载的供电可靠性。

那么如何通过更好的拓扑设计使得在一台UPS故障情况下,能由另外一台UPS继续向其后端负载供电呢?如果能有一种类似于ATS的装置并能在短时间内对UPS两路输出电源进行切换而不影响设备运行,那么问题也将得到很好的解决。而静态转换开关STS的出现,使电源的不间断切换变成可能。

静态转换开关STS原本是为了代替自动转换开关ATS而出现的。由于ATS具有切换时间长、寿命短、切换声音大和有火花干扰的缺点,使用上存在一定程度的不便。现在所说的STS实际上已经是DSTS,即数字式静态开关,其整个切换时间小于4ms,其切换方式是先断后合,因此两电源在切换时的相位差甚至可以大于180°。图4为DSTS的电路原理图,右边是其电路符号。

DSTS的确具备ATS所无法做到的一些性能,比如DSTS的切换时间比ATS要快上一千多倍,而且没有声音、没有火花,对一般电子设备来说,这种两个电源之间的切换间隔几乎是没有感觉的。


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