（一）UPS的概念
普通定義：UninterruptablePowerSupply
專家認為：UPS應(yīng)該為UnintenuptablePowerSystem，即是一個高可靠、高性能、高度自動化的供電中心。
UPS是UninterruptablePowerSupply的簡稱，也就是不間斷電源。它的出現(xiàn)與最早應(yīng)用，是為某些重要部門電網(wǎng)掉電時的持續(xù)供電提供保障。但是，電子信息產(chǎn)業(yè)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，對供電質(zhì)量不斷提出了更新更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，在計算機故障中，有50一70%的原因是電源故障造成的。這些電源故障包括電網(wǎng)電壓過壓、欠壓、瞬時跌落、失壓和故障停電等由于電源環(huán)境、設(shè)備以及傳輸系統(tǒng)，乃至自然環(huán)境造成的各種干擾。在這些故障中，電網(wǎng)完全掉電僅占百分之幾，在大城市以及供電環(huán)境較好的地區(qū)，應(yīng)以幾次/年計，但是在有代表性的場所，計算機遭受的電網(wǎng)和傳輸系統(tǒng)的干擾，幅度在幾十伏的可達每日數(shù)次之多，所以UPS不再僅僅是為完全掉電提供后備電源的設(shè)備，而應(yīng)為各種電源問題提供解決方案。
假設(shè)你是一個網(wǎng)絡(luò)管理員或系統(tǒng)管理員，理解網(wǎng)絡(luò)不間斷并不難，然而很多情況下，沒有意識到的電源問題可能會使你的系統(tǒng)出現(xiàn)各種無法解決的困難，甚至于崩潰。系統(tǒng)的可用性至關(guān)重要，而作為網(wǎng)絡(luò)運行基礎(chǔ)的電源的可靠性自然成為首先考慮的問題。同時，電源的智能監(jiān)控與管理在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟時代不可或缺。單純的提供不間斷供電已經(jīng)不能滿足要求。
專家認為UPS可以改為UnintenuptablePowerSystem的簡稱，也就是說，UPS，特別是大中型UPS，它已經(jīng)不僅僅是一臺簡單的不停電供電整機產(chǎn)品，隨著UPS技術(shù)的發(fā)展和成熟，它將成為一個中型的或者說局部的高可靠、高性能、高度自動化的供電申心。它的功能應(yīng)該包括我們傳統(tǒng)概念上的以下環(huán)節(jié)和內(nèi)容:
第一，主機運行高效、高可靠，能在各種復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下運行，輸出能全面地高質(zhì)量地滿足各種負載的要求。
第二，有很強的可用性和可維護性，有高度智能化的自析功能狀態(tài)顯示、報警、狀態(tài)記錄和通訊功能，甚至有環(huán)境監(jiān)測功能。
第三，有很強的網(wǎng)絡(luò)保護功能，也就是說，它不僅向直接由它供電的硬件設(shè)備提供可靠的保護，還應(yīng)該向它們所運行的軟件提供保護，UPS可配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件，SNMP(網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)管理器，有遠程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)管理平臺之間的監(jiān)控。
（二）不間斷電源UPS供電原理
它由整流器、逆變器、交流靜態(tài)開關(guān)和蓄電池組組成。平時，市電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，對蓄電池浮充電，同時經(jīng)逆變器輸出高質(zhì)量的交流純凈的電源供重要負載，使其不受市電的電壓、頻率、諧波干擾。當市電因故停電時，系統(tǒng)自動切換到蓄電池組，蓄電池放電，經(jīng)逆變器對重要設(shè)備供電。
UPS的不間斷特性，體現(xiàn)在其轉(zhuǎn)換時間工作程序上，當市電與逆變器進行切換時，其控制系統(tǒng)會適時地檢測市電的同步范圍，在市電不超限時，逆變器實現(xiàn)“先通后斷”的供電，從而保證了供電系統(tǒng)的“不間斷切換”。
（三）UPS電源的技術(shù)性能
UPS電源的技術(shù)性能隨使用要求的不同而不同，主要技術(shù)性能包括以下幾個方面。
1.在線式
特點:
• 雙逆變器
• 輸出電性能指標高
• 輸入端AC-DC變換器是整流電路，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的干擾公害
• 兩個變換器始終在100%負載功率下工作，整機效率低，輸出能力有局限，可靠性一般
• 市電－電池轉(zhuǎn)換時，輸出電壓沒有切換時間
功能說明
• 市電正常時，市電經(jīng)過AC-DC和DC一AC兩次變換后向負載供電
• DC一AC隨時在監(jiān)測并參與對輸出電壓的調(diào)整，是在線式工作
• 市電掉電后，電池通過DC一AC逆變器向負載繼續(xù)供電
• 當負載過載或逆變器故障時，市電轉(zhuǎn)旁路維持向負載供電
在線式原理
除了基本供電電路為電池逆變器電路外，基本原理圖與后備式相同。無論交流輸入電源是否正常，均通過逆變器電路提供電源輸出。交流輸入電源中斷時不需要切換，不存在轉(zhuǎn)為電池供電的切換時間。在電池逆變器出現(xiàn)故障或者逆變器內(nèi)部失靈時，都需要切換為旁路供電。由于在正常工作情況下，整流器和逆變器都要消耗一定的功率，因此這種類型UPS的效率要比后備式低。無論是在線還是電池供電，在線式UPS的電源輸出來自于逆變器，可以提供近乎理想化的電源，頻率和電壓的穩(wěn)定性優(yōu)于其它類型。
圖中電路各環(huán)節(jié)功能如下：
整流器：該整流器為AC-DC單向變換，當市電存在時;它完成對電池的充電，并通過逆變器向負載供電。
逆變器：該逆變器為DC-AC單向逆變，當市電存在時，它從整流器取得功率后再送到輸出端，并保證向負載提供高質(zhì)量的電源，當市電掉電時，由電池通過逆變器向負載供電旁路開關(guān)：平時處在斷電狀態(tài)，當主電路發(fā)生故障，或者當負載有沖擊性（例如啟動負載時)時，逆變器停止輸出，旁路開關(guān)接通，由電網(wǎng)直接向負載供電，旁路開關(guān)多為智能型的功率容量很強的無觸點開關(guān)。
雙逆變在線式UPS的性能特點如下：
因為不管市電有無，負載的全部功率都由逆變器輸出，所以可以向負載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定精度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動態(tài)響應(yīng)、波形失真度等指標，都是比較高的市電掉電時，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時間，因為無論市電有無，全部負載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對負載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(shù)(一般只達到3:1)、過載能力：輸出功率因數(shù)一般為0.8。整流電路對電網(wǎng)形成電流諧波干擾，輸出功率因數(shù)低，諧波電流成份在30%左右，而輸入功率因數(shù)只有0.8左右，在市電存在時，由于兩個逆變器都承擔(dān)100%的負載功率，所以整機效率低，80KVA以下的UPS為80%左右，80KVA的可達85－90%，100KVA以下的可達90-92%。
所以在線式能夠確保輸出高可靠性、高質(zhì)量電源。在DSP數(shù)字控制技術(shù)、數(shù)字并聯(lián)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)、電池管理技術(shù)、電源保護技術(shù)等方面技術(shù)先進，性能可靠。
2.高效數(shù)字功率器件PIGBT技術(shù)
采用先進的高效數(shù)字功率器件PIGBT作為逆變功率器件，其性能及可靠性高于上一代的功率器件IGBT，提高了逆變器的可靠性和處理速度，其逆變效率高達98%～99%，熱功耗極低。諧波分量小于1.5%，使輸出波形更好，對負載或接地系統(tǒng)等不會造成干擾。
3.DSP技術(shù)和SMD電氣集成模塊
采用數(shù)字控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的模擬控制。DSP數(shù)據(jù)處理技術(shù)的處理速度是傳統(tǒng)微處理器的12倍，并使硬件線路更為簡化、可靠性更高、瞬態(tài)反映能力更強。電路板采用仿真設(shè)計和表面安裝焊接技術(shù)，使整機散熱性好，可靠性更高。
4.電池保護功能
安全防護電池包括2、6、12V的通用型、深放電型、高比能型、快速充電型、循環(huán)耐久型等系列蓄電池產(chǎn)品。電池具有充放電的實時監(jiān)測、過流及限流保護功能，可防止用戶因電池過放電而造成電池永久性損害，防止過充電而造成電池壽命的減短；欠壓預(yù)警功能可及時通知用戶進行相關(guān)處理，以免造成大的損失；控制系統(tǒng)可通過設(shè)置定期電池自檢功能，及時發(fā)現(xiàn)故障電池，避免系統(tǒng)故障造成的危害，并可實現(xiàn)在線更換電池。
5.靈活可靠的并聯(lián)技術(shù)
采用數(shù)字模塊式環(huán)路直接并聯(lián)技術(shù)，能夠有效的抑制并機中的環(huán)流，可以在UPS不斷電的情況下實現(xiàn)并機擴容或維修，可以實現(xiàn)不同功率的UPS直接并聯(lián)。
6.通信及監(jiān)控功能
較強的通信聯(lián)網(wǎng)功能是指UPS可以采用于接點、JBUS或SITEMONITOR軟件，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及模擬控制或集中遙測遙控?？梢岳肐ntranet、Internet來監(jiān)控UPS，每個UPS在網(wǎng)絡(luò)中有自己的IP地址，可以通過WEB測覽器來監(jiān)控，采用的協(xié)議可以是TCP/IP、SNMP、HTTP和JAVA。
7.高可靠性
UPS單機平均無故障時間都在MTBF>35萬h，并獲得ISO9001國際質(zhì)量標準證書，干擾標準等證書。
8.散熱系統(tǒng)
機房UPS是最大的噪聲源，采用冗余式智能風(fēng)扇調(diào)速散熱系統(tǒng)，則微處理器可以依據(jù)內(nèi)部溫度及輸出功率大小，自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，以達到降低噪聲、延長風(fēng)扇壽命及節(jié)省能源的目的。
9.控制和診斷監(jiān)控系統(tǒng)
智能化UPS應(yīng)具有專家系統(tǒng)故障診斷軟件。當UPS某一部分出現(xiàn)異常后，該系統(tǒng)能迅速對故障進行診斷、推理，判明故障部位，通過顯示器給操作者或維修工程師指示，判明故障性質(zhì)，以便快速修復(fù)。同時還可自動記錄信息，生成信息檔案，便于用戶更好使用。
10.其他
除了上述功能外，還有主/從容錯雙處理器并行控制技術(shù)、過載能力和抗短路保護功能、UPS的非線性帶載能力、多種啟動方式、多種輸入/輸出模式、寬電壓輸入、可靠的旁路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、綠色環(huán)保、正面維修、雷電保護等，是針對不同產(chǎn)品所具有的不同功能。此外，大容量的UPS配12脈沖整流器，能夠進一步降低輸入諧波分量；內(nèi)置輸出隔離變壓器，采用零線及火線均隔離的隔離技術(shù)，可以進一步提高對負載的保護，有效地隔離零線的干擾，提高UPS系統(tǒng)的適應(yīng)性等，都是UPS產(chǎn)品近幾年來的先進實用技術(shù)。
(四）UPS供電方案設(shè)計
很多設(shè)計工程師都試圖設(shè)計出完美無暇的UPS解決方案為關(guān)鍵負載提供支持，不過他們的設(shè)計方案往往不一定涉及到設(shè)計方案的可用性范圍。例如，并聯(lián)冗余、串聯(lián)冗余、分布式冗余、熱連接、熱同步、多路并聯(lián)總線、雙系統(tǒng)以及故障預(yù)警系統(tǒng)等，這些都是設(shè)計工程師或制造商賦予不同配置方案的名稱。這些名稱的問題對于不同的用戶，它們可能具有不同的含義，可以存在很多種解釋方式。雖然目前市場上的UPS配置名目繁多且差別甚大，但最常用的不外乎5種。這5種方案包括:①容量；②串聯(lián)冗余；③并聯(lián)冗余；④分布式冗余；⑤雙系統(tǒng)。
選擇系統(tǒng)配置方案時，應(yīng)當根據(jù)負載的關(guān)鍵程度而定。此外，還要考慮停機所帶來的影響以及公司的風(fēng)險承受能力，這樣才能更好地找到合適的系統(tǒng)配置方案。
下面我們介紹如何為特定應(yīng)用環(huán)境選擇恰當?shù)呐渲梅桨傅囊恍┲笇?dǎo)方針。
1.可用性、等級和成本
1）可用性
數(shù)據(jù)處理中心日益增長的可用性需求，推動著UPS配置的不斷發(fā)展?！翱捎眯浴奔措娫幢３止╇姴⒄＿\行以支持關(guān)鍵負載的時間百分比估算值，如同其它任何模型一樣，為簡化分析過程，必須對模型做出一些假設(shè)。
2）等級
一切UPS系統(tǒng)(以及配電設(shè)備)都需要定期進行維護。系統(tǒng)配置的可用性一方面取決于配置不受設(shè)備故障干擾的水平，另一方面取決于執(zhí)行正常維護和例行測試以保證關(guān)鍵負載供電的能力。
3）成本
配置的可用性等級越高，其成本也越高。該成本指的是建造一間新的數(shù)據(jù)機房所需的成本。因此，其中不僅包括UPS結(jié)構(gòu)的成本，還包括數(shù)據(jù)機房的整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施(NCPI)的成本。后者包括發(fā)電機、開關(guān)裝置、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、活動地板、機架、照明設(shè)施、物理空間和整個系統(tǒng)的調(diào)試成本。這些只是前期成本，還不包括運營成本，如維護成本等。在計算上述成本時，我們假設(shè)每個機柜平均占地面積為2.79m2，且功率密度范圍為每機柜2.3kW至3.8kW。如果分擔(dān)成本的設(shè)備占地面積增大，每機架的成本也將隨之降低。
說明:在UPS設(shè)計配置的計算過程中，通常采用字母"N"來指代UPS設(shè)計記置。例如，并聯(lián)冗奈系統(tǒng)也稱作N+1設(shè)計，而雙系統(tǒng)設(shè)計可以用2N來表示。"N"可以簡單地定義為關(guān)鍵負載的"need(需求)"。換而言之，應(yīng)滿足所保護設(shè)備供電量的電源表亡。我們可以用RAID（獨立磁盤冗余陣列）系統(tǒng)等IT設(shè)備來解釋"N"的用途。例如，如果存儲容量需要4個磁盤，且RAID系統(tǒng)正好包含4個磁盤也稱4個磁盤，則稱這是一個"N"設(shè)計。反之，如果RAID系統(tǒng)統(tǒng)有5個磁盤，而存儲容量只需要4個磁盤，則稱為"N+1"設(shè)計。
一直以來，在規(guī)劃關(guān)鍵負載電源時，必須充分考慮以后的發(fā)展，以使UPS系統(tǒng)可以為負載提供10或15年的支持。事實證明，按照這一原則進行規(guī)劃是很困難的。20世紀90年代，為便于提供討論框架并比較各種設(shè)施，曾提出了"瓦特。平方面積"的概念。但由于人們對"平方面積"的含義無法達成共識，這種電源設(shè)計指標造成了很多誤解。近來，伴隨著技術(shù)精簡的大趨勢，人們逐漸采用"瓦特/機柜"的概念來表示系統(tǒng)容量。
事實證明，由于單位空間內(nèi)的機架數(shù)量很容易統(tǒng)計，因此這種度量方式的準確性更高。無論如何選擇負載方式，有一點很重要，那就是應(yīng)當從一開始便選擇好配置方案，使設(shè)計過程沿著正確的方向進行。
如今，涌現(xiàn)出了許多可擴展的模塊化UPS系統(tǒng)設(shè)計，從而可以使UPS容量隨著IT需求的增長而擴大。
2.單系統(tǒng)或"N"系統(tǒng)
簡而言之，單系統(tǒng)(N系統(tǒng))是指由單個UPS模塊或容量與關(guān)鍵負載規(guī)劃容量相等的一組并聯(lián)UPS模塊構(gòu)成的系統(tǒng)。迄今為止，這種類型的系統(tǒng)是UPS行業(yè)中使用最為廣泛的配置。辦公桌下的小型UPS也屬于單系統(tǒng)。同樣，對于規(guī)劃設(shè)計容量為400kW，面積為450m2的計算機房，如果采用單個400kW的UPS或在公共總線上采用兩個并聯(lián)的200kW的UPS，那么也屬于單系統(tǒng)。因此，可以將單系統(tǒng)視作關(guān)鍵負載供電的最低要求。
雖然上述兩例均可視為單系統(tǒng)，但其中的UPS模塊設(shè)計卻有所不同。與小型UPS不同，超出單相容量大約為20kW的系統(tǒng)都設(shè)置有內(nèi)部靜態(tài)旁路開關(guān)，以便在UPS模塊出現(xiàn)內(nèi)部問題時，將負載安全地轉(zhuǎn)換到市電。UPS到靜態(tài)旁路的轉(zhuǎn)換點是經(jīng)過制造商的仔細選取，以便為關(guān)鍵負載提供最妥善的保護，同時也保護UPS模塊本身不會受到損害。下面舉例說明了這些保護措施中的一種措施:在三相UPS應(yīng)用中，模塊通常都具有額定過載能力指標。該指標通常的一種表述形式為"模塊將承載125%的額定負載達10分鐘"。因此，一旦負載達到額定值的125%，模塊將啟動一個計時程序，其內(nèi)部時鐘將開始倒數(shù)10分鐘。10分鐘后，如果負載仍未恢復(fù)到正常水平，則模塊會將負載安全地轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路。啟用旁路的情況還有很多種，UPS模塊的規(guī)格說明中會對此進行詳細闡述。
擴充單系統(tǒng)的一種方式是為系統(tǒng)提供維修或外部旁路。若采用維修旁路，那么在需要進行維護時，可以將整個UPS系統(tǒng)(模塊和靜態(tài)旁路)安全地關(guān)閉。維修旁路與UPS共用一個配電盤，并且與UPS輸出端直接相連。當然，正常情況下這條電路處于斷開狀態(tài)，僅當UPS模塊轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路時才合上。在設(shè)計過程中，必須采取某些措施以防止當UPS末轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路時，維修旁路電路接通。如果安裝正確，維修旁路可確保UPS模塊安全運行而無需擔(dān)心負載停機，因而是系統(tǒng)中一個極為重要的組件。
大多數(shù)單系統(tǒng)配置，尤其是低于100kW的配置，都用于對整個電力系統(tǒng)無特殊要求的建筑環(huán)境中。建筑物的電力系統(tǒng)一般都采用"N"配置，因此，單系統(tǒng)配置剛好可滿足這種情況。圖3-1顯示了常用的單模塊UPS系統(tǒng)配置。
(1)優(yōu)點如下。
●設(shè)計概念簡單，硬件配置成本低廉。
●由于UPS工作于滿負荷條件下，因而其效率最高。
●具備高于市電的可用性。
●如果電力需求增長，可進行擴展(可以同時配置多UPS設(shè)備，根據(jù)供應(yīng)商或制造商的不同，可以并聯(lián)多達8個額定值相同的UPS模塊)。
(2)缺點如下。
●可用性有限，因為如果UPS模塊出現(xiàn)故障，負載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，從而處于無保護電源下。
●在UPS、電池或下游設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源下(通常，這種情況每年至少會發(fā)生一次，而且往往會持續(xù)2～4小時)。
●缺乏冗余，限制了在UPS發(fā)生故障時對負載的保護能力。
●存在多個單故障點，這意味著系統(tǒng)的可靠性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。
3.串聯(lián)冗余
串聯(lián)冗余配置有時也稱為"N+l"系統(tǒng)，不過，它與通常情況下用N+l表示的并聯(lián)冗余配置截然不同。串聯(lián)冗余設(shè)計概念既不需要并聯(lián)總線，也不要求模塊的容量必須相同，甚至不要求模塊來自同一個制造商。在該配置中，正常情況下由一個主要的或主UPS模塊為負載供電。同時，一個串聯(lián)的或輔助的UPS為主UPS模塊的靜態(tài)旁路供電。該配置要求主UPS模塊的靜態(tài)旁路具有單獨的輸入電路，這種方式可以在保留現(xiàn)有UPS的情況下，對之前的無冗余配置進行擴充，以獲得一定程度的冗余。圖3-2顯示了串聯(lián)冗余UPS配置。
在正常運行條件下，主UPS模塊將承擔(dān)起全部關(guān)鍵負載的供電，串聯(lián)模塊不承擔(dān)任何負載。一旦主模塊負載轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路上，串聯(lián)模塊將即刻接受主模塊的全部負載。因此，必須仔細選取串聯(lián)模塊，以確保它能夠迅速承擔(dān)起負載。如果它不能完成該任務(wù)，它自身或許可以轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路，但這樣一來，便便得該配置方案所提供的冗余保護消失殆盡。
對于這兩個模塊而言，只需將負載轉(zhuǎn)換到另一個模塊，便可輕松提供服務(wù)。由于輸出線路仍存在單故障點，因此，維護旁路仍然是一項重要的設(shè)計功能。整個系統(tǒng)每年需要停機2～4小時，以便對系統(tǒng)進行預(yù)防性的維護。雖然該配置方案的可靠性提高了，但往往卻被開關(guān)裝置及相關(guān)控件的復(fù)雜性所抵銷。
(1)優(yōu)點如下。
●產(chǎn)品的選擇很靈活，可以混用不同制造商或不同型號的產(chǎn)品。
●具備UPS容錯功能。
●對于雙模塊系統(tǒng)而言，相對比較經(jīng)濟。
(2)缺點如下。
●依賴于主模塊靜態(tài)旁路是否能從冗余模塊正確接收電力。
●如果電流超出逆變器的容量，則要求兩個UPS模塊的靜態(tài)旁路都必須能正常運行。
●主UPS模塊轉(zhuǎn)換到旁路時，輔助UPS模塊必須能夠處理突然出現(xiàn)的負載變化。(由于輔助UPS往往長期工作在0%負載的條件下，并非所有UPS模塊都能執(zhí)行該任務(wù)，因此旁路模塊的選擇至關(guān)重要。
●開關(guān)裝置及相關(guān)組件不僅復(fù)雜，而且昂貴。由于為保持電源不間斷而設(shè)置的輔助UPS長期工作于0%的負載情況下，因而運營成本提高了。
●這種雙模塊系統(tǒng)(一個主模塊，一個輔助模塊)至少需要一個電路斷電器，以便在市電與作為旁路電源的另一個UPS之間進行選擇。這比只包含一條公共負載總線的系統(tǒng)要復(fù)雜得多。
●每個系統(tǒng)一條負載總線，因而存在單點故障。
（3）并聯(lián)冗余或"N+1"系統(tǒng)
在并聯(lián)冗余配置方案中，當單個UPS模塊出現(xiàn)故障時，無需將關(guān)鍵負載轉(zhuǎn)換到市電，所有UPS的用途都在于保護關(guān)鍵負載不受市電變化及斷電的影響。隨著數(shù)據(jù)重要程度的提高以及風(fēng)險承受能力的降低，轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路和維護旁路的觀念已逐漸被淘汰。但N+l系統(tǒng)設(shè)計仍需靜態(tài)旁路，而且大多數(shù)N+l系統(tǒng)都具有維護旁路，因為它們?nèi)云鹬e足輕重的作用。
在并聯(lián)冗余配置方案中，多個并聯(lián)的容量相同的UPS模塊共用一條輸出總線。如果備用的供電量至少等于一個系統(tǒng)模塊的容量，則系統(tǒng)稱為N+l冗余；如果各用的供電量等于兩個系統(tǒng)模塊的容量，則系統(tǒng)為N+2冗余，以此類推。并聯(lián)冗余系統(tǒng)要求采用同一制造商生產(chǎn)的相同容量的UPS模塊，UPS模塊制造商還可以提供系統(tǒng)并聯(lián)電路板。并聯(lián)電路板可能包含與各個UPS模塊相通的邏輯電路，且各個UPS模塊之間也相互連接，以產(chǎn)生完全同步的輸出電壓。并聯(lián)總線應(yīng)具備監(jiān)控功能，以顯示系統(tǒng)負載以及系統(tǒng)的電壓與電流特征。此外，并聯(lián)總線還必須能顯示并聯(lián)總線上的模塊數(shù)量，以及需要多少模塊才能保證系統(tǒng)冗余。一條公共總線上可以并聯(lián)的UPS模塊的數(shù)量存在一個邏輯上限，對于不同的UPS制造商而言，該最大值也不同。在正常運行條件下，并聯(lián)冗余設(shè)計中的UPS模塊均勻分攤關(guān)鍵負載容量。如果從并聯(lián)總線上取下一個模塊進行維修(或如果某個模塊因內(nèi)部故障而停機)，則剩下的UPS模塊必須立即分擔(dān)起發(fā)生故障的UPS模塊的負載。由于有了此項功能，因此可以從總線中取下任意一個模塊進行修理，而無需將關(guān)鍵負載直接連接到市電。
單系統(tǒng)示例中面積為450m2的數(shù)據(jù)機房，如果采用該方案，則需要2個400kW的UPS模塊，或3個200kW的UPS模塊并聯(lián)在一條公共輸出總線上以提供冗余。并聯(lián)總線的設(shè)計容量為系統(tǒng)的非冗余容量，因此，包含2個400kW模塊的系統(tǒng)，其并聯(lián)總線的額定容量為400kW。在N+l系統(tǒng)配置方案中，UPS容量可以隨負載的增長而增長。應(yīng)當設(shè)置容量升級機制，以便當容量百分比達到某個水平時，就訂購新的冗余模塊。因為某些UPS模塊的交貨時間可能需要幾周甚至幾個月，且UPS容量越大，安裝新UPS模塊的難度越大。大型的UPS模塊重達上干千克，需要特殊的傳動裝置才能將它們安置就位，UPS房間中通常會為這種大型模塊預(yù)留位置。由于將大型UPS模塊安放在任何房間中都存在一定的風(fēng)險，因此，這種部署必須進行周密規(guī)劃。
在設(shè)計冗余UPS系統(tǒng)時，系統(tǒng)效率是一個應(yīng)當著重考慮的重要因素。一般而言，負載較輕的UPS模塊的效率要低于負載接近于其額定容量的UPS模塊。表中顯示了為240KW負載供電時，采用不同容量UPS模塊的系統(tǒng)的負載分配情況，可以看出，為特定應(yīng)用環(huán)境所選的模塊大小會嚴重影響系統(tǒng)效率。低負載情況下任何特定UPS的效率因制造商而異，在設(shè)計過程中應(yīng)對具體數(shù)據(jù)進行調(diào)查。
圖3-3顯示了一個典型的雙模塊并聯(lián)冗余配置?？梢钥闯觯M管該系統(tǒng)提供了單個UPS模塊故障保護功能，但在并聯(lián)總線中仍存在單故障點。與單系統(tǒng)配置方案一樣，為了斷開并聯(lián)總線以進行定期維護，在設(shè)計該方案時也應(yīng)看重考慮維護旁路電路。
1)優(yōu)點如下。
●由于在一個UPS模塊出現(xiàn)故障時有其它冗余容量可用，因此該方案的可用性要高于單系統(tǒng)配置。
●可根據(jù)電力需求的增長進行擴展，在同一裝置中可以同時配置多個單元設(shè)備。
●硬件的布置不僅設(shè)計概念簡單，而且成本相對低廉。
2)缺點如下。
●兩個或多個模塊必須采用相同的設(shè)計、相同的制造商、相同的額定值以及相同的技術(shù)與配置。
●UPS系統(tǒng)的上游與下游仍存在單點故障。
●在UPS、電池或下游設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源下(通常這種情況每年至少會發(fā)生一次，而且往往會持續(xù)2一4小時)。
●由于各個UPS設(shè)備的利用率均低于l00%，因此運營效率較低。
●每個系統(tǒng)一條負載總線，因而存在單故障點。
●大多數(shù)制造商都需要外部靜態(tài)開關(guān)，才能在兩個UPS模塊之間均分負載。否則負載將分配不均，波動范圍高達15%。這不僅增加了設(shè)備的成本，還使設(shè)備復(fù)雜化。
●大多數(shù)制造商都需要一個公共的外部維修旁路，這不僅增加了設(shè)備的成本，還使設(shè)備復(fù)雜化。
圖3-3 并聯(lián)冗余UPS配置
4.分布式冗余
分布式冗余配置在當今市場中很常見。20世紀90年代末期，一家工程公司為了獲得全方位的冗余，不惜花費任何高額成本，因而使開發(fā)出了這種設(shè)計方案。該設(shè)計以三個或更多個UPS模塊及獨立的輸入和輸出電路為基礎(chǔ)，獨立的輸出總線通過多個PDU和STS與關(guān)鍵負載相連。從市電服務(wù)入口到UPS，分布式冗余設(shè)計和雙系統(tǒng)設(shè)計幾乎是一樣的。這兩種方案均提供了同步維護功能，并將單故障點減至最少。二者最主要的區(qū)別在于，為關(guān)鍵負載提供冗余電源線路所需的UPS模塊的數(shù)量不同，以及從UPS到關(guān)鍵負載的配電結(jié)構(gòu)不同。隨著負載要求容量的增加，備用UPS模塊的數(shù)量也在增加。
圖3-4和圖3-5分別顯示了同樣為300kW負載供電的兩種不同的分布式冗余設(shè)計方案。圖3-4采用3個UPS模塊，在該配置中，模塊3與每個STS的輔助輸入電路相連，根據(jù)另外兩個主UPS模塊的故障情況投入系統(tǒng)并向負載供電。在該系統(tǒng)中，模塊3通常不承載任何負載。
圖3-4 分布式冗余UPS配置一
圖3-5的分布式冗余設(shè)計采用3個STS，正常運行狀態(tài)下，負載平均分配在3個UPS模塊上。如果其中任何一個模塊出現(xiàn)故障，則將強制STS將負載轉(zhuǎn)換到為該STS供電的另一個UPS模塊上。
很顯然，雙電源負載與單電源負載的供電電路是不同的。雙電源負載可以采用兩個STS設(shè)備供電，而單電源負載只能由單個STS供電。因此，STS便成為單電源負載的單路徑故障點。在當今的數(shù)據(jù)機房中，單電源負載的使用數(shù)量日趨減少。因此，可以在單電源負載的附近安裝多個小型轉(zhuǎn)換開關(guān)，該方法既方便又經(jīng)濟。如果全部為雙電源負載，那么該配置可以不采用STS設(shè)備。
對于那些需要進行同步維護，且大多數(shù)負載均為單電源負載的、復(fù)雜的大型計算機房而言，分布式冗余系統(tǒng)是比較理想的選擇。還有其它一些行業(yè)因素也推動著分布式冗余配置方案的發(fā)展。
●同步維護：無需將負載轉(zhuǎn)換到市電，即可完全斷開任何特定供電設(shè)備或組件的一部分以進行例行維護或測試。
●單路徑故障點：指在配電系統(tǒng)中，如果沒有設(shè)置旁路則會引起停機的某些點。單系統(tǒng)實質(zhì)上是由一系列單路徑故障點所組成，在設(shè)計過程中盡量排除單路徑故障點是冗余的一個關(guān)鍵指標。
圖3-5 分布式冗余UPS配置二
●靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)：STS具有兩路輸入和一路輸出。通常，STS從兩個不同的UPS系統(tǒng)接受供電，并根據(jù)某些條件將其中一路電源提供給負載。如果STS的主UPS供電電路出現(xiàn)故障，則STS將在4ms內(nèi)將負載轉(zhuǎn)換到輔助UPS供電電路上。STS通過這種方式使負載隨時處于受保護狀態(tài)下，此項技術(shù)自20世紀90年代初期出現(xiàn)以來，已廣泛應(yīng)用于分布式冗余配置中。該設(shè)計的最大弱點便是采用了靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，這種設(shè)備不僅十分復(fù)雜，而且存在一些無法預(yù)計的故障模式。其中最糟糕的莫過于它可能會引起兩條輸入線路短路。此時，由于STS造成兩個UPS同時與負載接通，STS便成為了單路徑故障點。STS的故障會波及到上游，進而影響整個系統(tǒng)的運行。正因為此，下文將介紹的雙系統(tǒng)設(shè)計方案的可用性要好得多，尤其是當負載設(shè)備具備雙路冗余供電電路時。在市場上，有多種不同配置和不同可靠性等級的STS可供選擇。在該配置中，STS處于PDU的前端(400V一側(cè))。這種應(yīng)用方式十分常見，不過許多工程師認為，將STS置于兩個PDU的220V一側(cè)會更可靠一些。事實上也確實如此，但這種方式要比400VSTS造價高得多。
●單電源負載：如果數(shù)據(jù)機房全部由單電源負載設(shè)備組成，那么每個叮設(shè)備只能由單個STS或安裝在機柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)來供電。冗余結(jié)構(gòu)要獲得高可用性，必須將開關(guān)安置在靠近負載的位置。將數(shù)百個單電源設(shè)備與單個大型STS相連，是一個極其冒險的舉動。如果采用多個小型開關(guān)分別為部分負載供電，則可以降低這種危險性。此外，基于機柜的分布式轉(zhuǎn)換開關(guān)也不會像大型STS那樣，出現(xiàn)那種會往上波及到多個UPS系統(tǒng)的故障模式。因此，基于機柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)得到了越來越廣泛的采用，尤其是當單電源負載只占據(jù)全部負載的一小部分時。
●雙電源負載：隨著時代的發(fā)展，雙電源負載日漸成為主流。因此，STS巴不是必不可少的設(shè)備。負載可以直接與兩個單獨的PDU相連，而PDU則分別由單獨的UPS系統(tǒng)供電。
●多個電源同步：如果數(shù)據(jù)機房采用STS設(shè)備，那么應(yīng)當使兩個UPS供電電路保持同步。如果沒有同步控制，UPS模塊之間很可能出現(xiàn)相位差，尤其是當UPS采用電池模式時。要防止出現(xiàn)異相轉(zhuǎn)換，一種解決辦法是在兩個UPS系統(tǒng)之間安裝一個同步設(shè)備，使這兩個UPS系統(tǒng)的AC輸出同步。當UPS模塊的輸入電源斷電，使用電池工作時，這一點尤其重要。同步設(shè)備可確保所有UPS系統(tǒng)在任何時候都保持同步。因此，在STS轉(zhuǎn)換過程中，電源將保持完全同相，從而杜絕了異相轉(zhuǎn)換以及可能對下游設(shè)備造成的損害。當然，在各個UPS系統(tǒng)之間添加同步設(shè)備時，應(yīng)當考慮發(fā)生常見故障模式，或發(fā)生會同時影響所有UPS系統(tǒng)的故障的可能性。
(1)優(yōu)點如下。
●便于所有組件的同步維護(如果所有負載均為雙電源負載)。
●與雙系統(tǒng)設(shè)計相比，UPS模塊較少，因而成本較低。
●對于任何特定雙電源負載而言，兩條獨立的供電線路自服務(wù)入口處便提供了冗余。
●無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式(負載將處于無保護電源下)，即可對UPS模塊、開關(guān)裝置和其它配電設(shè)備進行維護。
●大部分分布式冗余設(shè)計都不需要維護旁路電路。
(2)缺點如下。
●與之前幾種配置相比，由于大量采用開關(guān)裝置，因此成本相對比較高。
●設(shè)計是否成功依賴于STS設(shè)備的運行是否正常，因為采用STS設(shè)備即意味著存在單點故障以及復(fù)雜的故障模式。
●配置方案復(fù)雜。在包含眾多UPS模塊、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和PDU的大型數(shù)據(jù)機房中，要保證各個UPS系統(tǒng)均分負載并了解哪些系統(tǒng)為哪些負載供電，是一項艱巨的管理任務(wù)。
●無法預(yù)計的運行模式。UPS系統(tǒng)具備多種運行模式，且各UPS系統(tǒng)之間存在多種可能的轉(zhuǎn)換模式。要在預(yù)先定好的條件和故障條件下對所有這些模式進行測試，以檢驗控制策略和故障清除設(shè)備是否正常運行是不切實際的。由于未達到滿負荷工作狀態(tài)，UPS效率低。
5.雙系統(tǒng)冗余
多路并聯(lián)總線、雙輸入、2(N+l)、2N+2、[(N+l)+(N+1)]以及2N等全都指的是該配
置的變體。借助這種設(shè)計方案，現(xiàn)在完全可以建立起根本無需將負載轉(zhuǎn)換到市電的UPS系統(tǒng)。在設(shè)計這些系統(tǒng)時，可以盡量排除每一個可能的單路徑故障點。不過，排除的單路徑故障點越多，設(shè)計方案實施起來代價也越昂貴。大多數(shù)大型雙系統(tǒng)配置部位于專門設(shè)計的、獨立的建筑物中，基礎(chǔ)設(shè)施(包括UPS、電池、制冷系統(tǒng)、發(fā)電機、市電和配電室)占據(jù)與數(shù)據(jù)機房設(shè)備同樣大小的空間，是很平常的事情。
該配置是行業(yè)中最可靠也最昂貴的一種設(shè)計。根據(jù)設(shè)計工程師的理念以及客戶要求的不同，它可以非常簡單，也可以異常復(fù)雜。雖然采用的是同一個名稱，但具體的設(shè)計細節(jié)千差萬別，這也是由負責(zé)設(shè)計任務(wù)的設(shè)計工程師的理念與知識水平所決定的。圖3-6顯示了該配置的一種變體2(N+l)，它由兩個并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)構(gòu)成。理想情況下，可以采用單獨的配電盤，甚至單獨的市電和發(fā)電機系統(tǒng)為這些UPS系統(tǒng)供電。雖然該設(shè)計方案的建造成本頗為不菲，但考慮到數(shù)據(jù)機房設(shè)備的重要程度以及停機成本，還是物有所值的。全球許多家大公司都紛紛選擇這種配置來保護其關(guān)鍵負載。
該配置的成本高低取決于設(shè)計工程師認為要滿足客戶的需求應(yīng)當采用何種深度和廣度的系統(tǒng)冗余。其基本設(shè)計概念是允許每一個電氣設(shè)備都可以在無需將關(guān)鍵負載轉(zhuǎn)換到市電的條件下出現(xiàn)故障或手動關(guān)閉。
2(N+l)設(shè)計的一個共同之處是采用旁路電路，以使部分系統(tǒng)可以被關(guān)閉或旁路至備用電源，從而保證了整個系統(tǒng)的冗余。圖3-6即顯示了這樣一個示例:UPS輸入面板之間用電路連接，從而可以關(guān)閉其中一個市電服務(wù)入□,而不會使得任何一個UPS系統(tǒng)斷電。在2(N+l)設(shè)計中，倘若單個UPS模塊發(fā)生故障，只會便該UPS模塊從電路中斷開，與之并聯(lián)的另一個模塊將承擔(dān)起這部分負載。
在圖3-6的示例中，關(guān)鍵負載為300kW。因此，共需要4個300kw的UPS模塊。兩兩組成兩條獨立的并聯(lián)總線，每條總線分別為兩條直接與雙電源負載連接的電路供電。圖3-6中的單電源負載顯示了轉(zhuǎn)換開關(guān)是如何為該負載提供冗余的。不過，等級4電源結(jié)構(gòu)要求所有負載均為雙電源負載。
一般而言，選擇雙系統(tǒng)配置的公司更關(guān)心配置是否具備高可用性，而不是其實現(xiàn)成本。這些公司的負載也大都是雙電源負載。除了在分布式冗余配置部分中所討論的因素之外，該配置方案還有以下幾個因素。
●加固:設(shè)計出能抵擋自然破壞，并能免受電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的一連串故障影響的系統(tǒng)以及建筑物，即能夠隔離并控制住故障。例如，兩個UPS系統(tǒng)不應(yīng)放置在同一個房間丸電池與UPS模塊也不應(yīng)位于同一房間中，電路斷路器配合是設(shè)計中的關(guān)鍵部分。恰到好處的斷路器配合可以防止局部短路影響到其余的設(shè)備。加固建筑物還可以使建筑物更好地抵抗腿風(fēng)、地震和洪水的破壞。根據(jù)建筑物所處的地理位置，這些都可能是必要的。例如，應(yīng)當讓建筑物遠離洪水泛濫的平原、建筑物上空應(yīng)避開航線、采用厚實的墻壁以及無窗戶設(shè)計，這些措施都有助于抗干擾。
圖3-6 2（N+1）UPS配置
●靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS):隨著雙電源IT設(shè)備的問世，在設(shè)計中無需再面對STS設(shè)備及其煩人的故障模式，從而使系統(tǒng)可用性得到了顯著提高。
●單電源負載:要充分利用雙系統(tǒng)設(shè)計方案的冗余優(yōu)勢，應(yīng)當將單電源負載與轉(zhuǎn)換開關(guān)在機柜內(nèi)相連。
(1)優(yōu)點如下。
●兩條獨立的供電線路，無單故障點，容錯性極強。
●該配置為從電力入口到關(guān)鍵負載的所有線路提供了全方位的冗余。
●在2(N+l)設(shè)計中，即便在同步維護過程中，他倆存在UPS冗余。
●無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式(負載將處于無保護電源下)，即可對UPS模塊、開關(guān)裝置和其它配電設(shè)備進行維護。
●更容易使各UPS系統(tǒng)均分負載，并了解哪些系統(tǒng)為哪些負載供電。
(2)缺點如下。
●冗余組件數(shù)量多，成本高。
●由于未達到滿負荷工作狀態(tài)，UPS效率低。
●一般的建筑物不太適合采用可用性極高的雙系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)需要對冗余組件進行分開放置。
6.如何選擇合適的配置
企業(yè)應(yīng)當如何來選擇最適合自己的配置方案呢?讓我們重溫一下在選取合適的配置時應(yīng)當考慮的注意事項。
(1)停機成本或影響。公司每分鐘的流動現(xiàn)金有多少?如果發(fā)生故障，系統(tǒng)需要多長時間才能恢復(fù)?可以將以上問題的答案作為預(yù)算方案討論的開篇，答案是10，000元/分鐘還是10，000元/小時，討論方向自然不同。
(2)風(fēng)險承受能力。遭遇過重大故障的公司的風(fēng)險承受能力往往比那些未曾有過此種體驗的公司要強，聰明的公司將會從同行業(yè)其它公司身上獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)。公司的風(fēng)險承受能力越弱，就越傾向于采用可靠性更高、故障恢復(fù)能力更強的方案。
(3)可用性要求。公司在一年之內(nèi)能忍受多長時間的停機?如果回答是決不能停機，那么應(yīng)在預(yù)算中選用高可用性的設(shè)計。如果公司可以在每天晚上10點之后以及大多數(shù)周末停機，那么其UPS配置選擇并聯(lián)冗余設(shè)計就差不多了。每個UPS在某些方面都需要進行維護，而且UPS系統(tǒng)確實全間歇性地發(fā)生一些出人意料的故障。每年計劃在維護方面所花的時間越少，系統(tǒng)需要的冗余設(shè)計組件就越多。
(4)負載類型(單電源負載與雙電源負載)。雖然雙系統(tǒng)的設(shè)計概念在雙電源設(shè)備出現(xiàn)之前便已產(chǎn)生，但雙電源負載的確為這種利用冗余容量的設(shè)計方案提供了切實可行的實現(xiàn)機會。計算機制造商們在開始生產(chǎn)雙電源負載之前，無疑會聽取其客戶的意見。數(shù)據(jù)機房內(nèi)負載的特性會為設(shè)計者提供一些思路，不過其作用要遠遠低于上文所述的各種因素。
(5)預(yù)算。從任何方面而言，實現(xiàn)2(N+l)設(shè)計的成本都要比單系統(tǒng)設(shè)計、并聯(lián)冗余設(shè)計
甚至是分布式冗余設(shè)計的成本高得多，讓我們以一家大型數(shù)據(jù)機房為例來看看成本的差距。若該數(shù)據(jù)機房采用2(N+l)設(shè)計，則可能需要30個800kW的模塊(每條并聯(lián)總線5個模塊，共6條并聯(lián)總線)。對于同樣的負載，如果采用分布式冗余設(shè)計，那么只需要18個800kW的模塊，顯然成本要低得多。
在為特定應(yīng)用環(huán)境選擇合適的UPS系統(tǒng)設(shè)計配置方案時，可以將圖3-7所示的流程圖作為一個切入點。對于沒有或很少冗余組件的設(shè)計而言，必然存在停機時段以進行維護。如果不允許停機，那么應(yīng)當選擇能進行同步維護的設(shè)計。只要依次回答流程圖中提出的問題，便可順利找到最合適的系統(tǒng)。
小結(jié):電源基礎(chǔ)設(shè)施對于數(shù)據(jù)機房設(shè)備是否能正常運行至關(guān)重要，可供選擇的UPS配置有根多種，每一種都有優(yōu)勢，也有不足之處。只有充分了解了企業(yè)的可用性要求，風(fēng)險承受能力和預(yù)算范圍之后，才能選擇合適的設(shè)計方案。如文中所分析，為雙電源負載直接供電的2(N+1)結(jié)構(gòu)可提供全面的冗余，排排除了單故障點，因此是可用性最高的一種配置。
圖3-7 設(shè)計配置選擇決策樹
