3    信息网络机房用的智能化UPS供电系统 

    某公司的IDC机房用的UPS供电系统是由两套800kVA的“2＋1”型UPS冗余并机系统为核心所组成的超大型UPS供电系统。正常工作时，它的冗余式供电能力为3800kVA，其最大供电能力高达6000kVA。该UPS供电系统主要由如下两部份组成：（1）2套800kVA“2＋1”型UPS冗余并机系统；（2）1套600kVA“1＋1”型UPS冗余并机系统（注：迄今为止，这是一套在我国已投入实际运行的IDC机房用的容量最大的UPS供电系统）。

    为该机房提供的UPS供电系统，采用的是由两套“N＋1”UPS冗余并机所组成的具有双总线输入，双总线输出调控特性的供电设计方案，其技术优势为：它具有连续提供365天×24小时的纯净UPS逆变器电源的供电能力。这是由于它采用了如下的设计周全的、端到端的一体化供电系统的配置方案。

    1）选用技术先进、稳定可靠的Hipulse系列UPS(带输出隔离变压器的80～800kVA的双变换、在线式UPS)；

    2）在“N＋1”型冗余并机系统中，选用智能化的矢量并机调控技术及闭环式冗余并机通信技术，从而大大提高UPS供电系统的容错功能和供电质量。在运行中，即使遇到某台UPS出故障时，UPS能通过执行选择性脱机操作而将出故障的UPS单机从UPS并机系统出脱离出来，以便确保IT设备仍然由UPS来供电，从而达到避免IT设备进入可能导致网络瘫痪故障隐患出现的静态交流旁路/维修旁路供电状态；

    3）采用具有双总线输入、双总线输出特性的UPS供配电系统设计方案，确保从输入变压器的380V低压侧开始直到各IT设备的输入端为止的整个供电系统中，不存在单点瓶颈故障隐患；

    4）由于在UPS输出配电柜与各IT设备功能分区之间配置有第2级输出隔离变压器，有利于在IDC机房中建立起计算机级的局部净化接地系统及确保这些IT设备的输入电源的零地电位<1V；

    5）允许操作人员在UPS连续供电的条件下，执行安全的不带电的UPS的日常维护、故障的诊断和检修操作；

    6）由于在具有双路输入电源的两套“N＋1”UPS并机供电系统中，采用负载同步控制器(LBS)＋负载切换开关(STS)设计方案，即使在并机系统所供电的某个用户负载端上出现短路故障时，它也能将由此所造成的输出短路故障所可能造成的负面影响的范围限制在最小的区间之内的同时，还能将位于同一套“N＋1”UPS并机供电系统中的未发生短路故障的其它正常负载迅速地切换到另一套正常工作的“N＋1”UPS并机系统上(切换时间<5ms，远低于IT设备所能容许的瞬间供电中断时间<20ms的技术要求)，从而确保用户的IT设备能获得尽可能高的电源可利用率；

    7）由于在N台UPS单机中，均采用11次谐波输入滤波器＋12脉冲整流器的设计方案，其输入电流谐波分量THD<4.5％，输入功率因数>0.95。这样一来，它不仅能确保UPS的输入电网始终处于绿色电源工作状态。而且，还有利于延长电池组及UPS内部的整流滤波电容的使用寿命。

3.1    双总线输入式冗余供电系统

    来自两台10kV/380V、输出功率为3150kVA的输入变压器A和B的两路输入电源市电1和市电2，经由3个6300A的K_1A、K_1B和K_1C开关所组成的冗余式自动切换开关组分别送到两套处于互补工作状态的800kVA UPS冗余并机系统的输入配电柜A和B上。正常供电时，市电1和市电2分别承担着向互补式的“2＋1”型UPS冗余并机系统的优先供电电源的任务。此外，还可以利用位于两台输入配电柜之间自动互投开关K1C来让市电1和市电2再分别承担着向两套“2＋1”型UPS冗余并机系统的备用供电电源的任务。在运行中，如果因故致使其优先供电电源停电时，在上述的自动切换开关组的调控下，自动切换开关K_1C就会按先断、后通的工作方式将备用电源送到其优先供电电源己消失的那套UPS冗余并机系统的输入开关柜上。显而易见，通过这样的双总线输入式调控方式，就能确保后接的“2＋1”型UPS冗余并机系统不会出现因它的输入电源出现长时间的停电而致使UPS电源因电池电压过低而自动关机。

    为消除从电源输入端串入的高能瞬态浪涌对UPS的安全运行所可能造成的危害,在UPS的输入配电柜A和B上，各配置1个抗浪涌抑制能力为400kA的防雷击、抗浪涌抑制器(TVSS)，这种具有专利保护的TVSS具有响应时间短（0.5ns）、残压低（V_pp<800V）、寿命长(在承受5000～10000次浪涌冲击后，其性能不会恶化)等诸多优点。

3.2    两套处于互补工作状态的800kVA“2＋1”型UPS冗余并机系统

    系统A和系统B(每台UPS单机都配置有后备供电时间为10min的电池组)。在智能化的并机控制板的调控下，从每台UPS所输出的电源始终是处于输出电压的幅值相同、输出波形的波形失真度相同、频率相同和相位相同的工作状态之中。此时,来自每套“2＋1”型UPS冗余并机系统中的800kVA的UPS的输出电源分别经位于第1级输出配电柜中的各自的1200A的开关而并联输出。在实际运行中，用户的后接总负载量小于1600kVA。当正常工作时，它不但可确保由UPS单机来平均分担其负载电流，而且，该UPS冗余并机系统的环流几乎为零。在它的运行中，万一某台UPS因故出故障时，UPS的冗余并机控制系统会自动地执行选择性脱机操作，将有故障的那台UPS电源从并机输出的总线中自动脱离出来，由剩下的正常工作的UPS继续提供高质量的逆变器电源，从而为UPS并机供电系统获得必要的容错功能奠定下坚实的技术基础。由于在Hipulse系列UPS的并机系统中采用独特的瞬时值均流并机技术，从而使得艾默生公司的UPS冗余并机系统具有如下优异特性。

    1）UPS并机系统的负载均流的不平衡度很小(小于2％额定输出电流)；

    2）存在于各台UPS之间的环流趋于零；

    3）当UPS并机系统在执行选择性脱机操作时，可能出现的瞬间供电中断时间很短(3～4ms)。

    此外，由于在这样的UPS冗余并机系统中，采用闭环式双并机通信电缆的冗余设计方案,它的平均无故障工作时间(MTBF)高达230多万小时左右。

    为了消除可能出现在UPS输出端的高能瞬态浪涌对IT设备的安全运行所可能造成的危害，还在两套UPS冗余并机系统的第一级输出配电柜A和配电柜B上，各配置1个抗浪涌抑制能力为100kA的抗浪涌抑制器。

    为进一步提高整套UPS冗余并机系统的可维护性，尽管在每套“2＋1”型UPS冗余并机系统中，已内置有维修旁路装置，还在每套800kVA“2＋1”型UPS冗余并机系统上，各配置1个外置维修旁路开关(K_2A、K_2B)。由于在每个外置维修旁路开关与位于每套“2＋1”型UPS冗余并机系统中的3台UPS逆变器之间，均配置有1套可对各台UPS逆变器和外置维修旁路开关同时执行机—电互锁型切换操作的三匙二锁式的Castell Key切换装置,就可以彻底消除值班人员犯人为操作错误的可能性。从而可大大提高UPS供电系统运行的可维护性和操作人员执行不带电维修操作的安全性。

3.3    冗余式双总线输出型供电系统

    采用冗余式双总线输出供电系统的目的是，消除可能出现的从UPS冗余并机供电系统的输出端到最终的信息网络设备输入端之间的各种供配电线路系统中的单点瓶颈故障隐患，提高供电系统的可维护性、现场增容性，并降低供电系统的零线对地线的电压，确保信息网络获得100％的高可利用率。

    大量的运行实践表明：在IDC机房中，配置“1＋1”或者“2＋1”型UPS冗余并机系统后，可将UPS并机供电系统的平均无故障工作时间提高5～6倍以上(达几百万小时)。然而，它仍不能百分之百地确保在用户的最终负载(服务器、小型机、磁盘阵列机、磁带库、网关和交换机等关键的IT设备)的输入电源端不出现供电中断故障，并进而导致严重的网络瘫痪的故障发生。其原因是：

    1）在UPS供电系统的输出端，出现严重的过载或者短路故障而致使位于UPS的输出配电线路中的保险烧毁或断路器开关跳闸等故障；在UPS运行后的日常维修操作或者机房供电线路的改建施工中，因人为误操作所造成的开路故障等。相关统计资料表明：上述故障约占总故障率的80％左右。

    2）因故致使在UPS并机供电系统的输出端所出现的持续期为秒级的瞬间供电中断或长时间的供电中断故障。当输入电压停电时，遇到因电池组出故障而产生的UPS的输出停电故障等，它约占总故障率的10％左右。

    为增强UPS输出供配电系统的容错功能，在该IDC机房中，配置有由18套负载自动切换开关(STS)＋负载同步控制器(LBS)＋为建立局部净化接地系统所配置的多台输出隔离变压器为核心所组成的冗余式双总线输出型供电系统。

3.3.1    负载自动切换开关(STS)

    为消除可能出现在UPS输出供电系统中的单点瓶颈故障隐患,确保对关键IT设备的供电的连续性。针对不同的负载,可以分别采用如下不同的UPS输出供电线路的配置设计方案。

    1）对于带双路交流输入电缆的关键性负载(例如服务器、小型机、磁盘阵列机、磁带库机、通信设备等)而言，从两套“2＋1”型UPS冗余并机系统A和B的输出配电柜所输出的两路UPS逆变器电源被分别送到这些IT设备的两个输入端上，从而形成它们的双电源输入冗余供电系统如图5所示。

图5    由2套“2＋1”型UPS（800kVA）并机系统＋18套负载自动切换开关＋

负载同步控制器所组成的双总线输入、双总线输出型UPS冗余供电系统

    2）对于带单路交流输入电缆的关键性负载而言，从两套“2＋1”UPS冗余并机系统的输出配电柜A和B送出的两路UPS逆变器电源，首先被分别送到18套负载自动切换开关(STS₁...STS₁₈)的各自的两个输入端上。在使用STS开关时，用户应该根据负载平衡的设计原则，将从UPS并机供电系统A和B所输出的两路逆变器电源分别为每个STS开关指定出它们各自的优先供电电源和备用电源。当UPS正常工作时，被用户指定为优先供电的那路UPS电源经STS开关向负载供电。当这路优先供电电源出故障时，STS开关将会以超快速方式，在首先切断"优先供电电源"的供电通道的同时，将正处于正常工作状态的另一路备用UPS电源送到用户负载的输入端上。STS开关的典型切换时间小于5ms。这样一来，就能确保网络设备能源源不断地获得高质量的逆变器电源的供应。

    3）对于带3路交流输入电缆的关键性负载而言，可采用如图6所示的输出配电设计方案来提供它们所需的3路输入电源。近年来，对于某些特别重要的IT设备而言，它们甚至带有4路交流输入电缆。

图6    ASCO型ATS开关＋两套UPS并机系统＋LBS＋STS开关所组成的双总输出供电系统配置图

    在这里需特别说明的是，艾默生公司的负载自动切换开关(STS)具有如下优异的特性。

    1）配置有独特的选择性自动切换调控功能    当后接负载发生严重过载或短路故障时，STS开关不仅能将未发生短路故障的负载迅速地切换到备用逆变器电源上，而且，还能将己发生短路故障的负载同其它的处于正常工作状态的负载之间执行电隔离操作，从而达到将输出短路故障所可能造成的损失或者负面影响限制在最小的范围之内；

    2）采用超快速的先断后通方式来执行切换操作    切换时间短(4～5ms)，在此需说明的是，用户是不能选用切换时间为零的STS开关的。否则，它会留下短路故障扩大或者因切换突变浪涌电流过大，而导致断路器开关误动作的故障隐患；

    3）具有高达65kA/100kA的抗短路分断能力    它可确保STS开关本身运行的高可靠性；

    4）内置抗瞬态浪涌抑制器    它能有效抑制STS开关在切换操作时，所可能产生的尖峰干扰对IT设备的危害；

    5）优异的人—机对话式的操作显示屏    提供模拟流程显示图形和提供大屏幕彩色LCD显示屏。通过LCD显示屏可以观察它的运行状态、实时运行参数和历史记录数据（电压、电流、频率、kVA、kW、切换次数等）；

    6）提供RS232通讯接口    7个继电器连接通讯接口；

    7）内置维修旁路    万一负载自动切换开关因故需维修时，可在旁路供电条件下，进行热更换操作，从而达到既可提高STS的可维护性，又能确保用户的负载始终获得高质量的UPS逆变器电源供应的目的。

3.3.2    负载同步控制器(LBS)

    因为在该IDC机房中所配置的两套互为冗余输出供电关系的800kVA的“2＋1”型UPS冗余并机系统A和B的输入电源，是分别来源于两个相互独立的输入变压器，为确保分别位于这两套UPS冗余并机供电系统的输出端之间的各个负载自动切换开关（STS开关）都能安全和可靠地执行切换操作，必须要求从这两套UPS冗余并机系统所输出的两路UPS电源必须时刻处于同频率和同相位的同步跟踪状态之中。在此条件下，只需将来自UPS电源A和UPS电源B的两路输出电源分别送到STS开关的两路输入端上。然后，再将配电柜/列头柜（负责向带有单交流输入电缆的IT设备供电）的输入端连接到相应的STS开关的输出端上，就可确保用户的关键负载获得100％的高可利用率的电源供应。在这里需说明的是：由于在艾默生公司所生产的负载同步控制器(LBS)的设计中，采用了独特的冗余式的多同步信号输入源调控的设计方案，在LBS的动态调控下，就能确保在各种不同的UPS的运行条件下，从两套“2＋1”型UPS冗余并机系统所输出的两路电源始终处于高精度的锁相同步跟踪的工作状态之中。在安装这种LBS之后，就可确保从两套UPS并机系统所输出的两路UPS电源之间的相位差<3°。这样一来，就能为负载自动切换开关的安全运行创造出极为有利的运行条件。

    此外，艾默生公司所生产的负载同步控制器(LBS)不仅可以应用于需要在本公司所生产的各种系列UPS产品之间的锁相同步跟踪调控的场合，而且，还可以应用于需要在本公司的UPS产品与其它公司的UPS产品之间实施锁相同步跟踪调控操作的场合。

3.4    UPS供电系统的集中监控系统及网管功能

    在该IDC机房中是利用ModbusRS485网络通信方式来实现对两套800kVA“2＋1”型冗余UPS并机系统和1套600kVA“1＋1”型冗余UPS并机系统运行状态的集中监控的。利用Modbus系统就能对整个UPS供电系统实行远程监控操作，并将其纳入用户统一的IDC机房的智能化楼宇集中监控系统中去。按Modbus软件设计方案，它可同时监控32台UPS电源。在此配置下，我们就可对UPS供电系统执行如下远程监控操作：

    1）观察UPS的各种实时运行参数；

    2）调阅UPS的历史事件记录数据，检查值班人员对UPS执行过什么操作，UPS发生过什么样的故障或者报警信息；

    3）调阅电池测试记录及其电池的实时后备供电时间数据；

    4）根据用户的不同需求和配置，可通过远程的声光报警、手机发短信息、发Email、网络广播等方式来完成各种远程报警信息，以便通知值班人员能及时地采取必要的应对措施。

4    为3电源输入的服务器提供UPS冗余电源的设计方案

    在当今的IDC机房中，为了确保承担着关键性的网管调控功能的服务器或者小型机等IT设备能绝对安全、可靠地运行，还在这些服务器中配置带有两条交流输入电缆的“1＋1”式的直流辅助电源冗余供电系统和3条交流输入电缆的“2＋1”式的直流辅助电源冗余供电系统。对于这样的服务器而言，正常工作时，由它的3路AC/DC变换型的开关电源所产生的3路低压直流辅助电源来共同分担服务器所需的负载电流。为确保服务器能正常工作的基本条件之一是，必须至少有1路交流输入是处于正常的工作状态的。也就是说，在它的运行中，如果仅在它的1路交流电源的输入端上因故发生停电故障时，服务器仍会正常工作。然而，如果在它的2路的交流电源的输入端上同时出现停电故障时，就会出现因服务器停止工作而导致网络瘫痪的故障发生。因此，在此条件下，如果仍然采用如图5所示的UPS双总线输出供电系统来供电的话，则只能采取将服务器的两条输入电缆连接到UPSA供电系统上，将另一条输入电缆连接到UPSB供电系统上。显然，这样会给信息网络的安全运行带来严重的威胁。为了能消除这种网络瘫痪故障隐患的出现，可采用如图6所示的UPS冗余供电系统。

    在这里，由市电1、市电2、备用发电机、UPS并机系统1、UPS并机系统2、中小功率的负载自动切换开关和LBS（负载同步控制器）共同组成，能输出两路相互处于同步互锁状态UPS逆变器电源。从它们的输出配电柜A和B所输出的两路交流电源按以下3种方式向各种网络设备供电。

    1）经双电源供电列头柜A和B分别向带双电源输入端的网络设备供电(注：在当今的新建的IDC机房中，这种设备约占70％～90％)；

    2）经STS开关和单电源列头柜所组成的供配电系统向带单电源输入端的网络设备供电；

    3）分别来自UPS输出柜A、UPS输出柜B和STS开关输出端的3路交流电源被送到3电源输入列头柜上。然后，再利用这种列头柜来向带3电源输入端的网络设备供电。在这里，由于从STS开关柜所输出的电源是一路具有由UPS并机系统1或UPS并机系统2电源供电的，带或门输出特性的第3路UPS电源。因此，它完全能确保按“2＋1”式冗余交流电源供电方式运行的高端IT设备的供电需求。

5    IDC机房的动力设备和环境集中监控系统

    以动力设备和环境集中监控系统（PSMS）为管理平台的IDC机房的新型管理和维护模式，已经广泛地被金融和电信行业的运营商所认可和采用。这种监控系统能对各种动力设备(例如：输入/输出配电柜、ATS开关、UPS电源、负载自动切换开关STS、备用发电机组、电池组等)，空调机组及其它的机房环境监控设备进行实时监控，统一管理。在此条件下，IDC机房的维护人员可以随时随地对各种电源设备的实时运行情况，历史记录数据及各种故障和报警信息等重要运行参数及时地进行观察和了解(例如：UPS的输入/输出电压和电流、频率、功率因数、零线电流，备用发油机启动电池电压、油箱液位、开关电源的系统参数、电池组总电压等)，从而就可免除维护人员去执行各种繁杂的、低效的人工实测操作，极大地减少了他们的日常工作量。与此同时，利用从监控系统上所采集到的各种动力设备的实时的、准确的运行数据和故障报警信息(注：它们还被保存在服务器的数据库中备份)，再通过监控软件对统计数据的分析和处理，就可准确地确定重点维护目标和维护项目，从而有助于提高对设备的潜在故障的发生率的预知能力。此外，监控系统根据自动上传的实时故障告警提示及声光告警信息，自动生成检测报表和时间变化曲线图等多种手段，实时地向用户提供被监控设备的异常情况，从而可确保维护人员能够及时地发现各种故障隐患，避免发生电源供电中断等不幸事故。这样一来，就可大大地提高了值班人员对发生故障的设备维修的及时性，从而有助于提高了企业管理的工作效率。如果企业管理人员还能充分地利用该系统所提供的大量的历史数据、报表等所形成的详细的统计资料的话，它还可为将来的IDC机房的管理和筹建工作提供坚实的、可靠的技术基础和决策依据。

    艾默生公司所提供的典型动力设备和机房环境监控系统被示于图7中。

图7    动力设备及机房环境等集中监控系统的典型配置

    如图7所示，可将被监测的设备分为3类：

    1）带RS232，RS485或RS422通信接口的智能化设备，例如，带RS232接口/RS485/RS422接口的输入/输出配电柜、UPS、－48V通信电源、ATS开关、精密配电中心（PPC）、负载自动切换开关(STS开关)、备用发电机组、空调机组、门禁系统等。由于不同厂家所生产的上述智能设备可能使用着不同的通信协议，为此，有必要在监控系统中配置专用的智能协议处理器（OCE）。这种OCE处理器的主要调控功能有以下两种。

    （1）将各种智能设备所配置的RS232/RS485/RS422通信接口统一转换成标准RS422通信接口，以便在归一化的RS422通信总线上传送数据；

    （2）将在各种智能设备中所可能用到的各种不同通信协议(大约有500多种通信协议)转换成归一化的通信协议。

    2）不带RS232，RS485或RS422通信接口的非智能化设备，例如，不带RS232接口/RS485接口的输入/输出配电柜、浪涌抑制器、非智能化的空调机、蓄电池、温度、湿度、漏水报警、桥架报警系统等。为此，有必要在监控系统中配置一体化采集器（IDA）。利用这种IDA数据采集器将来自上述各种的非智能化设备的模拟量（例：电压变送器、电流互感器、频率变送器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、红外线传感器、早期烟雾信号等)和各种开关量转换成可提供RS422通信接口，并具有归一化的通信协议的数据传送通道，从而为被监测的设备提供标准化的软件运行环境。

    3）远程图像监控系统，它采用先进的数字图像压缩、编码解码技术将来自摄像头和录像机的视频信号经录像机、视频切换矩阵、协议转换器、画面分割器、远端处理器等处理后，向用户提供一个集图像、语音、数据于一体的多媒体监控平台。

    为节省互联网的传输资源，常推荐采用2M抽时隙式的组网方式，它是利用时隙复用设备（例如DCM2000）从2M的传输线上抽取1个时隙(64K)实现组网传输工作，采用此设计方案的好处是：每个监控过程只需分别占用一个数据传输通道就能实现同监控中心的联网操作，节省网络的传输资源，数据的传输速率选择灵活等。采用2M抽时隙（1：30收敛）式的组网方式，则可将来自30个监控端局的数据传输量所占用的时隙(30×64K)首先经交换机进行半永久性的连接处理，将它们转变为1个收敛为2M的传送通道后，它再经数据上网器（DCU）就能同监控中心的局域网进行数据通信了。

6    结语