（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)橹绷鳎瑢π铍姵馗〕潆?，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)風扇的轉(zhuǎn)速，以達到降低噪聲、延長風扇壽命及節(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模塊將承擔起全部關(guān)鍵負載的供電，串聯(lián)模塊不承擔任何負載。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?，盡管該系統(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、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)風險承受能力。遭遇過重大故障的公司的風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
