弱電安防-UPS供電方案系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（一）

很多設(shè)計(jì)工程師都試圖設(shè)計(jì)出完美無暇的UPS解決方案為關(guān)鍵負(fù)載提供支持，不過他們的設(shè)計(jì)方案不一定涉及到設(shè)計(jì)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(jì)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，能夠存有很多種解釋方式。雖然當(dāng)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(shí)，理應(yīng)根據(jù)負(fù)載的關(guān)鍵水準(zhǔn)而定。此外，還要考慮停機(jī)所帶來的影響以及公司的風(fēng)險(xiǎn)承受能力，這樣才能更好地找到適宜的系統(tǒng)配置方案。下面介紹如何為特定應(yīng)用環(huán)境選擇恰當(dāng)?shù)呐渲梅桨傅囊恍┲笇?dǎo)方針。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，動(dòng)著UPS配置的持續(xù)發(fā)展?！翱捎眯浴奔措娫幢３止╇姴⒄＿\(yùn)行以支持關(guān)鍵負(fù)載的時(shí)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)。一切UPS系統(tǒng)(以及配電設(shè)備)都需要定實(shí)行維護(hù)。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(hù)和例行測試以保證關(guān)鍵負(fù)載供電的水平。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(jī)房所需的成本。所以，其中不但包括UPS結(jié)構(gòu)的成本，還包括數(shù)據(jù)機(jī)房的整個(gè)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(jī)、開關(guān)裝置、制冷系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、活動(dòng)地板、機(jī)架、照明設(shè)施、物理空間和整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試成本。這些僅僅前成本，還不包括運(yùn)營成本，如維護(hù)成本等。在計(jì)算上述成本時(shí)，假設(shè)每個(gè)機(jī)柜平均占地面積為2.79m2,且功率密度范圍為每機(jī)柜2.3kW至3.8kW。假如分擔(dān)成本的設(shè)備占地面積增大，每機(jī)架的成本也將隨之降低。在UPS設(shè)計(jì)配置的計(jì)算過程中，通常采用字母"N"來指代UPS設(shè)計(jì)記置。例如，并聯(lián)冗余系統(tǒng)也稱作N+1設(shè)計(jì)，而雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠用2N來表示。"N"能夠簡單地定義為關(guān)鍵負(fù)載的"need(需求)"。換來說之，應(yīng)滿足所保護(hù)設(shè)備供電量的電源數(shù)量。一直以來，在規(guī)劃關(guān)鍵負(fù)載電源時(shí)，必須充分考慮以后的發(fā)展，以使UPS系統(tǒng)能夠?yàn)樨?fù)載提供10或15年的支持。事實(shí)證明，按照這個(gè)原則實(shí)行規(guī)劃是很困難的。20世紀(jì)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。但因?yàn)槿藗儗?平方面積"的含義無法達(dá)成共識，這種電源設(shè)計(jì)指標(biāo)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(jī)柜"的概念來表示系統(tǒng)容量。事實(shí)證明，因?yàn)閱挝豢臻g內(nèi)的機(jī)架數(shù)量很容易統(tǒng)計(jì)，所以這種度量方式的準(zhǔn)確性更高。無論如何選擇負(fù)載方式，有一點(diǎn)很重要，那就是理應(yīng)從一開始便選擇好配置方案，使設(shè)計(jì)過程沿著準(zhǔn)確的方向?qū)嵭?。如今，涌現(xiàn)出了很多可擴(kuò)展的模塊化UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而能夠使UPS容量隨著IT需求的增長而擴(kuò)大。單系統(tǒng)或"N"系統(tǒng)簡來說之，單系統(tǒng)(N系統(tǒng))是指由單個(gè)UPS模塊或容量與關(guān)鍵負(fù)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(jì)容量為400kW,面積為450m2的計(jì)算機(jī)房，假如采用單個(gè)400kW的UPS或在公共總線上采用兩個(gè)并聯(lián)的200kW的UPS,那么也屬于單系統(tǒng)。所以，能夠?qū)蜗到y(tǒng)視作關(guān)鍵負(fù)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(jì)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(shí)，將負(fù)載安全地轉(zhuǎn)換到市電。UPS到靜態(tài)旁路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是經(jīng)過制造商的仔細(xì)選擇，以便為關(guān)鍵負(fù)載提供最妥善的保護(hù)，同時(shí)也保護(hù)UPS模塊本身不會受到損害。下面舉例說明了這些保護(hù)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水平指標(biāo)。該指標(biāo)通常的一種表述形式為"模塊將承載125%的額定負(fù)載達(dá)10分鐘"。所以，一旦負(fù)載達(dá)到額定值的125%,模塊將啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)程序，其內(nèi)部時(shí)鐘將開始倒數(shù)10分鐘。10分鐘后，假如負(fù)載仍未恢復(fù)到正常水平，則模塊會將負(fù)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)格說明中會對此實(shí)行詳細(xì)闡述。擴(kuò)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，那么在需要實(shí)行維護(hù)時(shí)，能夠?qū)⒄麄€(gè)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(gè)配電盤，并且與UPS輸出端直接相連。當(dāng)然，正常情況下這條電路處于斷開狀態(tài)，僅當(dāng)UPS模塊轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路時(shí)才合上。在設(shè)計(jì)過程中，必須采取某些措施以防止當(dāng)UPS末轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路時(shí)，維修旁路電路接通。假如安裝準(zhǔn)確，維修旁路可確保UPS模塊安全運(yùn)行而無需擔(dān)心負(fù)載停機(jī)，因而是系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的組件。絕大部分單系統(tǒng)配置，尤其是低于100kW的配置，都用于對整個(gè)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，所以，單系統(tǒng)配置剛好可滿足這種●設(shè)計(jì)概念簡單，硬件配置成本低廉?！褚?yàn)閁PS工作于滿負(fù)荷條件下，因而其效率最高?！窬邆涓哂谑须姷目捎眯浴！窦偃珉娏π枨笤鲩L，可實(shí)行擴(kuò)展(能夠同時(shí)配置多UPS設(shè)備，根據(jù)供給商或制造商的不同，能夠并聯(lián)多達(dá)8個(gè)額定值相同的UPS模塊)。(2)缺點(diǎn)如下?！窨捎眯杂邢蓿?yàn)榧偃鏤PS模塊出現(xiàn)故障，負(fù)載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，從而處于無保護(hù)電源下?！裨赨PS、電池或下游設(shè)備維護(hù)間，負(fù)載處于無保護(hù)電源下(通常，這種情況每年至少會發(fā)生一次，而且會持續(xù)2~4小時(shí))?！袢狈θ哂?，限制了在UPS發(fā)生故障時(shí)對負(fù)載的保護(hù)能●存有多個(gè)單故障點(diǎn)，這意味著系統(tǒng)的可靠性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。串聯(lián)冗余配置有時(shí)也稱為"N+1"系統(tǒng)，不過，它與通常情況下用N+1表示的并聯(lián)冗余配置截然不同。串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)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(gè)制造商。在該配置中，正常情況下由一個(gè)主要的或主UPS模塊為負(fù)載供電。同時(shí)，一個(gè)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(dú)的輸入電路，這種方式能夠在保留現(xiàn)有UPS的情況下，對之前的無冗余配置實(shí)行擴(kuò)充，以獲得一定水準(zhǔn)的冗余。在正常運(yùn)行條件下，主UPS模塊將承擔(dān)起全部關(guān)鍵負(fù)載的供電，串聯(lián)模塊不承擔(dān)任何負(fù)載。一旦主模塊負(fù)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(fù)載。因此，必須仔細(xì)選擇串聯(lián)模塊，以確保它能夠迅速承擔(dān)起負(fù)載。假如它不能完成該任務(wù)，它自身或許能夠轉(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(hù)消失殆盡。對于這兩個(gè)模塊來說，只需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到另一個(gè)模塊，便可輕松提供服務(wù)。因?yàn)檩敵鼍€路仍存有單故障點(diǎn)，所以，維護(hù)旁路仍然是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)功能。整個(gè)系統(tǒng)每年需要停機(jī)2～4小時(shí)，以便對系統(tǒng)實(shí)行預(yù)防性的維護(hù)。雖然該配置方案的可靠性提升了，但卻被開關(guān)裝置及相關(guān)控件的復(fù)雜性所抵銷。(1)優(yōu)點(diǎn)如下?！癞a(chǎn)品的選擇很靈活，能夠混用不同制造商或不同型號的產(chǎn)品?！窬邆銾PS容錯(cuò)功能?！駥τ陔p模塊系統(tǒng)來說，相比照較經(jīng)濟(jì)。(2)缺點(diǎn)如下?！褚蕾囉谥髂K靜態(tài)旁路是否能從冗余模塊準(zhǔn)確接收電●假如電流超出逆變器的容量，則要求兩個(gè)UPS模塊的靜態(tài)旁路都必須能正常運(yùn)行?！裰鱑PS模塊轉(zhuǎn)換到旁路時(shí)，輔助UPS模塊必須能夠處理突然出現(xiàn)的負(fù)載變化。(因?yàn)檩o助UPS長工作在0%負(fù)載的條件下，并非所有UPS模塊都能執(zhí)行該任務(wù)，所以旁路模塊的選擇至關(guān)重要?！耖_關(guān)裝置及相關(guān)組件不但復(fù)雜，而且昂貴。因?yàn)闉楸３蛛娫床婚g斷而設(shè)置的輔助UPS長工作于0%的負(fù)載情況下，因而運(yùn)營成本提升了。●這種雙模塊系統(tǒng)(一個(gè)主模塊，一個(gè)輔助模塊)至少需要一個(gè)電路斷電器，以便在市電與作為旁路電源的另一個(gè)UPS之間實(shí)行選擇。這比只包含一條公共負(fù)載總線的系統(tǒng)要復(fù)雜得多。●每個(gè)系統(tǒng)一條負(fù)載總線，因而存有單點(diǎn)故障。并聯(lián)冗余或"N+1"系統(tǒng)在并聯(lián)冗余配置方案中，當(dāng)單個(gè)UPS模塊出現(xiàn)故障時(shí)，無需將關(guān)鍵負(fù)載轉(zhuǎn)換到市電，所有UPS的用途都在于保護(hù)關(guān)鍵負(fù)載不受市電變化及斷電的影響。隨著數(shù)據(jù)重要水準(zhǔn)的提升以及風(fēng)險(xiǎn)承受水平的降低，轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路和維護(hù)旁路的觀點(diǎn)已逐漸被淘汰。但N+1系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍需靜態(tài)旁路，而且絕大部分N+1系統(tǒng)都具有維護(hù)旁路，因?yàn)樗鼈內(nèi)云鹬e足輕重的在并聯(lián)冗余配置方案中，多個(gè)并聯(lián)的容量相同的UPS模塊共用一條輸出總線。假如備用的供電量至少等于一個(gè)系統(tǒng)模塊的容量，則系統(tǒng)稱為N+1冗余；假如各用的供電量等于兩個(gè)系統(tǒng)模塊的容量，則系統(tǒng)為N+2冗余，以此類。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模塊制造商還能夠提供系統(tǒng)并聯(lián)電路板。并聯(lián)電路板可能包含與各個(gè)UPS模塊相通的邏輯電路，且各個(gè)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(fù)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。一條公共總線上能夠并聯(lián)的UPS模塊的數(shù)量存有一個(gè)邏輯上限，對于不同的UPS制造商來說，該最大值也不同。在正常運(yùn)行條件下，并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)中的UPS模塊均勻分?jǐn)傟P(guān)鍵負(fù)載容量。假如從并聯(lián)總線上取下一個(gè)模塊實(shí)行維修(或假如某個(gè)模塊因內(nèi)部故障而停機(jī)),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(fù)載。因?yàn)橛辛舜隧?xiàng)功能，所以能夠從總線中取下任意一個(gè)模塊實(shí)行修理，而無需將關(guān)鍵負(fù)載直接連接到市電。單系統(tǒng)例如中面積為450m2的數(shù)據(jù)機(jī)房，假如采用該方案，則需要2個(gè)400kW的UPS模塊，或3個(gè)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(jì)容量為系統(tǒng)的非冗余容量，所以，包含2個(gè)400kW模塊的系統(tǒng)，其并聯(lián)總線的額定容量為400kW。在N+1系統(tǒng)配置方案中，UPS容量能夠隨負(fù)載的增長而增長。理應(yīng)設(shè)置容量升級機(jī)制，以便當(dāng)容量百分比達(dá)到某個(gè)水平時(shí)，就訂購新的冗余模塊。因?yàn)槟承︰PS模塊的交貨時(shí)間可能需要幾周甚至幾個(gè)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(dá)上干千克，需要特殊的傳動(dòng)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。因?yàn)閷⒋笮蚒PS模塊安放在任何房間中都存有一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此，這種部署必須實(shí)行周密規(guī)劃。在設(shè)計(jì)冗余UPS系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)效率是一個(gè)理應(yīng)著重考慮的重要因素。一般來說，負(fù)載較輕的UPS模塊的效率要低于負(fù)載接近于其額定容量的UPS模塊。表中顯示了為240KW負(fù)載供電時(shí)，采用不同容量UPS模塊的系統(tǒng)的負(fù)載分配情況，能夠看出，為特定應(yīng)用環(huán)境所選的模塊大小會嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率。低負(fù)載情況下任何特定UPS的效率因制造商而異，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對具體數(shù)據(jù)實(shí)行調(diào)查。典型的雙模塊并聯(lián)冗余配置。即使該系統(tǒng)提供了單個(gè)UPS模塊故障保護(hù)功能，但在并聯(lián)總線中仍存有單故障點(diǎn)。與單系統(tǒng)配置方案一樣，為了斷開并聯(lián)總線以實(shí)行定維護(hù)，在設(shè)計(jì)該方案時(shí)也應(yīng)看重考慮維護(hù)旁路電路。1)優(yōu)點(diǎn)如下?！褚?yàn)樵谝粋€(gè)UPS模塊出現(xiàn)故障時(shí)有其它冗余容量可用，所以該方案的可用性要高于單系統(tǒng)配置?！窨筛鶕?jù)電力需求的增長實(shí)行擴(kuò)展，在同一裝置中能夠同時(shí)配置多個(gè)單元設(shè)備?！裼布牟贾貌坏O(shè)計(jì)概念簡單，而且成本相對低廉。2)缺點(diǎn)如下?！駜蓚€(gè)或多個(gè)模塊必須采用相同的設(shè)計(jì)、相同的制造商、相同的額定值以