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ups技术分析

当代UPS供电系统设计理念的变化2010-10-2009:

48出处：

机房360作者：

佚名【我要评论】[导读]本文在分析了当前UPS供电系统现状和存在问题的前提下，对正在发生变化的五个方面进行了分析和展望，预示着UPS技术及以其为核心的供电系统的新的发展趋势。

　　UPS是为了解决供电系统存在的问题应运而生的，他的产生至今已经历了四十多年的历程，在这个慢长的过程中，UPS设备的技术水平和功能发生了巨大的变化。

应用的需要是技术发展的动力，研究工作从UPS设备到供电系统，从系统的可靠性研究到可用性研究，再从单纯的供电系统的研究到保证IT系统运行的整个基础物理设施的研究，所有这些变化都是紧紧围绕着IT技术的进步和当前UPS供电系统存在的问题进行的，所以认真考察一下当前UPS技术与应用的现状和存在的问题，对研究和确定它的技术发展方向，以及进一部提高应用水平是有必要的。

　　一UPS技术现状与应用中存在的问题

　　下面通过对我国UPS技术和应用的市场调查，总结出以下十个方面的基本情况和问题：

（1）使用UPS以便提高供电系统的可用性的观念已被绝大部分用户接受，在国民经济各个

　　领域和部门新建和改建的供电系统中，几乎都已建立或正计划建立UPS供电系统，可谓言者必

　　称UPS,说明广大用户对借助UPS供电系统提高供电质量的重要性已经有足够的重视，预示着

　　我国UPS市场已趋于成熟。

（2）从对已经配置了UPS系统的运行情况和存在问题的调查，说明当前各个厂家生产的各种型号规格的UPS的输出电性能指标基本上都能满足对负载供电的要求。

UPS的各项输出电性能指标，诸如输出电压稳定精度、输出电压波形失真度、输出电压频率稳定精度、输出电压幅值的三相不平衡度、三相负载不平衡能力、市电掉电时输出电压的切换时间、输出电压的动态响应特性等，已经不再是影响负载正常运行的因素和购置时衡量性能优劣的主要标准了。

　　（3）供电系统的故障还是要发生的，这是个不争的事实。

用户特别是运维人员感到，安全性和可靠性是当前UPS供电系统最主要的问题。

因此，设计者在设计供电系统和选购UPS设备时，也把注意力从对UPS一般输出电性能指标转移到是否对电网形成污染、输出能力和可靠性等指标的考察上来，例如UPS的工作效率、过载能力、输入功率因数、输入电流谐波成分、输出冗余并机功能等，这些指标对提高设备和系统的安全可靠性是至关重要的。

　　（4）通过对供电系统故障情况的调查和分析发现，系统故障总数中的50—70%是由于配电系统中其它环节和设备的质量问题、安装问题、人为操作和维护问题引起的，或者由于这些问题而诱发UPS产生误动作乃至发生故障。

UPS只是涉及供电系统可靠性问题的因素之一，仅仅提高UPS设备的可靠性，是不能从根本上解决整个供电系统的安全性和可靠性的，甚至不能最终构成不停电供电系统。

　　（5）用户感到最困惑的事是，供电系统故障后，由于系统过于复杂、产品供应商反应速度、维修人员的技术水平和工作经验、备件储备和提供情况、故障原因的查找和分析，还包括系统中各种设备供应厂商之间的互相推诿等原因，使系统故障后得不到及时迅速地修复，甚至找不到引发故障真正原因的结论。

　　（6）从使用维护情况来看，UPS已经具备的智能管理和通讯管理功能没有得到充分的发挥。

当今的UPS已经从原来所谓的独立电源设备发展成今天具有多种通讯方式管理和与IT系统无缝集成的网络设备，但是在实际应用和运行维护中，权威人士估计对UPS的智能管理和通讯功能的应用率大概只有20%。

电源管理技术正在朝着智能化、网络化、透明化及多元化方向的发展。

智能化、网络化已经不是很新的概念，而所谓的“透明化”，是指新的电源管理技术正向着更简单、更人性化、无需很高的专业技能就能操作的“傻瓜化”方向发展，使电源管理界面、方法与大家熟悉的IT设备的管理界面、操作方法融为一体。

同时，将解决各种电源问题的“专家系统”集成到电源管理系统中，并且显示智能化的提示信息，管理人员只需要基本的常识就可以胜任。

多元化则指电源管理不再局限于UPS的技术管理，新的电源管理技术将资产管理等方法引入电源领域，使电源管理不仅能满足传统的运行、维护的技术管理的需要，也能满足财务部门、行政管理部门、企业资源规划部门等对电源管理的需要，而且，还要将新的管理技术及与用户业务更为密切的管理方案同传统的电源管理集成在一起，方便用户对其基础设施、数据安全以及包括UPS设备在内的整个电源系统管理的需要。

　　（7）通过对多个UPS供电系统的调查，发现很多已经在运行的特别是在原系统基础上改造的UPS供电系统在设计上不规范，系统配置不尽合理，存在着诸多隐患。

诸如：

系统中所有设备和环节都是串连的，形成多个单路径故障点;系统中各相接的设备输入输出阻抗不匹配，因相互影响而降低可靠性或者不得不降容使用;系统中因配置了输入谐波电流大和启动冲击电流大的设备，不仅污染电网，而首先是在系统内部形成严重的相互干扰;系统中电力传输线（包括数据传输线）过长和布局零乱而易产生干扰和发生人为事故;系统中配置了大量的断路器，由于产品质量问题，或者在容量和动作时间方面配置得不合理，使系统有时发生不明的故障;系统中零地电压差过大，零、地线系统设计和线缆选用不符合标准等。

　　（8）采购配置UPS设备时仍然存在着一些错误的观念和误导。

例如确定选用UPS的性能标准时，不是从UPS的输出电性能指标、输出能力和可靠性指标、对电网的适应能力、系统配置能力、智能管理和通讯功能、可维护性和可扩充性、可靠性和可用性等方面对其进行全面的考察，而是把厂家宣传的产品能达到的某些最高指标做为自己选用的标准;简单地以UPS电路结构形式定优劣;忽视UPS对电网的适应能力和电力污染问题等。

　　（9）提高使用维护水平与提高UPS技术水平同等重要。

在UPS供电系统各类故障的起因中，人为原因造成的故障占很大的比例。

人为故障的原因可归结为维护人员对所配置的UPS的基本性能了解不够、对UPS监测监控信息和显示功能不熟悉、选用配置UPS以及系统中其它设备时存在选型不当的问题、对UPS运行时的常规维护要求不清楚且对维护规章制度执行不严格等。

　　（10）当前已建和正在设计建造的UPS供电系统中，普遍的存在着资源浪费和生命周期成本问题：

预算投资和可用空间造成UPS容量的浪费，大部分用户的UPS一次装机容量和实际负载量差别过大，平均来看，在首次装机时，预计负荷量只是设计容量的30%，而实际负荷量又只是预计负荷量的30%。

换句话说，在最初装机运行时UPS的实际带载量仅为装机容量的百分之九左右。

在第五年时实际负载量也只达到装机容量的28%，用户在UPS容量上的投资，70%以上被闲置浪费了;由于传统的系统设计方法和所选用设备的匹配、安装等问题，使系统的建设周期过长，一般情况下，因系统的进度及可用性要求的不同，数据中心的实际建设时间一般要三个月到十八个月之间不等，极端情况下甚至出现了用户启动设备时，市场已经变化，最初的设计方案已经彻底过时的情况。

有些客户提前六个月购买拟建中的数据中心，六个月后他们才发现到了一个进退两难的境地。

因为他们的项目已经因为后期资金的限制而被迫取消或缩减了规模，他们被这些定购的设备困住了;由于企业的决策者对未来业务可能发生变化的不可知性，以及供电系统设计和所选用设备对环境和功能要求变化的适应性很差，就使得对UPS系统的投资存在风险问题。

电力基础设施需要大量投资，但没有可变通及灵活的退出策略。

许多客户都在试图寻求能够在环境和要求变化（指业务量的扩大和缩小、负载功率容量的变化、负载性质的变化等）时，以及项目启动失败或者办公地点搬迁时提供简单、灵活而经济的可扩展、可变更和可退出策略的技术。

　　二UPS供电系统的技术发展趋势

　　上面提到的当前UPS及其供电系统现状和存在的10个问题，是UPS厂商和供电系统设计者必须面对的实际问题，正是这些客观存在的问题促使着UPS技术的进步和供电系统设计理念的变化。

归总这些变化主要表现在以下四个方面：

（1）研究工作从单台UPS设备向整个供电系统变化

　　UPS仅仅是供电系统中的一个环节，一个完整的系统中除了UPS系统外，还可能有变压器、瞬态电压浪涌抑制器、电网进线开关柜、输入输出配电柜、柴油发电机组、交流稳压器、隔离或升降压变压器、电池系统、各种开关、断路器、保险、转插，上百乃至几百个级连接点和相应的传输线。

所有这些在系统中都会形成单路径故障点，由于这些部件和环节在可靠性模型中的串联特性，以及它们之间的相互影响，就使得系统可靠性大幅度降低。

UPS厂商和供电系统设计者意识到，在不断提高UPS设备的性能和可靠性的同时，还必须加强对整个供电系统的研究。

所研究的问题包括：

系统中各种设备和环节的相互匹配和可靠性问题、系统可用性和冗余配置问题、设备与系统可修复和降低修复时间问题、UPS设备的模块化冗余系统结构和可热插拔维护问题、各种设备和环节连接技术的研究和规范化问题、供电系统的布局（集中式、区域式、分散式）问题、系统的可维护性和集中管理问题等。

在这种设计理念变化的研究过程中，一些著名的供电系统厂商提出了供电系统“一体化解决方案”、“UPS-X综合供电主接线系统”等。

（2）对系统可靠性的研究向可用性研究变化

　　在绝大部分配置UPS供电系统的部门和单位，都对供电的连续性提出了非常高的要求，越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识：

UPS系统经过多年发展，在其性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下，真正能为用户带来价值的是其可用性。

可用性定义为：

系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。

它由可靠性指标平均无故障工作时间MTBF和可修复性指标平均修复时间MTTR表示，可用性A（t）=MTBF/（MTBF+MTTR）,在概念上它包含了系统中设备的可靠性、可管理性和可维护性。

可用性高意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用时间降到最低限度。

对可用性的研究促进了UPS设备和供电技术的全面发展，包括设备和系统的冗余可容错技术、设备的模块化可在线热插拔维护和扩容技术、系统的集成一体化技术、智能管理和与IT系统无缝集成地通讯管理技术等。

系统可用性研究对提高供电系统设计的科学性和全面地提高系统性能起着重要的作用。

　　（3）从对单纯的供电系统研究向整个IT基础物理设施（NCPI）变化

　　保证计算机和网络IT设备正常运行的条件除了配置UPS供电设备外，还必须有与之配套的完整的供电系统、空调及通风系统、机架及IT设备线缆的支撑系统、消防及门禁系统、基建及装修装饰等，统称为IT系统的网络关键物理基础设施，即NCPI（NetworkCriticalPhysicalInfrastructure），这些设施都会在一定程度上影响信息系统的可用性，所以研究工作自然地就由单纯的电力供应扩展到空气调节（包括IT机架微环境）、IT设备机械支撑、系统的集中管理等。

NCPI概念的提出标示着供电系统设计观念和策略发生了变化，从关注产品和系统本身到关注用户的实际应用，从供电设备一点向数据中心电力支撑系统的思维模式的转变。

换句话说，不再孤立地看待性能单一的供电系统，而是把它放在一个大系统中去，从实际应用需要出发，对系统做全面的研究、设计、构建、管理和评估。

对IT设备供电及实际运行环境进行管理是指把对供电系统的这种管理功能延伸到IT设备的入口，使这种管理能更有效的发挥作用。

对于逐渐被认可并实施的机架式IT设备，这种管理则直接延伸到机架的内部。

特别是随着IT设备的小型化，大大提高了机架装机的功率密度，所以机房致冷系统的功能，冷热风通道的管理和IT设备微环境的温湿度的管理和监控就变得尤为重要了。

　　从UPS设备到一体化供电系统，再到NCPI，是供电系统设计思维模式的重大变化。

　　（4）提高UPS供电系统的“适应性”

　　当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时，就会对设备的适应性提出要求。

由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性，要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。

一般来说，物理设施不可能像软件系统那样容易地进行逻辑上（程序上）的升级。

比如，一台10kVA的UPS要想“升级”为20kVA的UPS是根本不可能的，除非最初的标称值为10kVA的实际容量是20kVA，而那恰恰不是所谓的可适应性，而是“一步到位”的模式。

“适应性”向“一步到位”的系统设计模式提出了挑战。

系统要适应的变化包括：

经济形势的变化、IT设备技术革新和功率密度的变化、维护人员操作水平的变化、组织管理模式的变化、设备运行场地的变化等。

对于NCPI来说，要适应这些变化，需要考虑以下的设计思路：

模块化、“积木化”设计;开放式设计;集成化设计;高密度、小型化设计。

　　开放式设计指的是系统的设备硬件、信息、维护方法等对用户充分开放，使用户可以在必要时能够自行对设备进行重新集成，对运行状况信息的管理进行二次开发，以及自主的不依赖供应商的对设备进行维修维护。

　　三集成化设计理念是UPS供电系统新的发展趋势

　　以上四点系统设计理念的变化，导致了UPS集成化设计理念的产生，在这种设计理念下产生的有代表性的产品是APC公司的“英飞集成系统”-ISX。

该产品在设计中遵循了以下四点原则：

各供电设备制造和供应渠道的统一化;各供电设备和环节（包括负载机架）结构的一体化和连接的规范化;各供电设备和环节（包括负载机架中的PDU）电源状态管理的集中化;各供电设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔功能。

ISX是实施NCPI理念的具体方案，是一个完整的UPS供电系统，它由电力供应、空气调节（主要是IT机架微环境）、IT设备机械支撑和系统管理等4个子系统组成。

该产品最大的特点是适应性强，把供电系统的可用性、可管理性、可扩展性等功能都提高到了一个新的水平。

其性能特点如下：

　　·针对以UPS为核心的供电系统各种设备做统一的性能设计和设备配置，有利于加强各设备之间的匹配，提高设备利用率，降低各设备和系统中的谐波干扰和相互影响;

　　·设备机架结构的标准化和安装连接的规范化，不仅可加快安装速度，还可提高装配质量，缩短连线长度和零乱状况，有利于减小维护难度和降低人为故障的发生;

　　·该产品的大部分功能部件都冗余配置，并可热插拔维修，可把系统故障修复时间降到最低，大幅度提高系统的可用性;

　　·开放式设计和强大的电源集中管理功能，提高了系统的可管理性和可能维护性，用户可在必要时能够自行对设备进行重新集成，对运行状况信息的管理进行二次开发，以及自主地不依赖供应商地对设备进行维修维护;

　　·用户可根据IT系统规模和业务扩展的阶段性做定制化配置，可有效地避免一次性过量的投资和供电容量的浪费;

　　·模块化设计不仅能提高系统的可用性，使UPS系统的扩容变得容易，并且对体积较大的设备来说，模块化设计还能增加空间布局的灵活性，从而提高了对空间的适应性，并为系统未来可能的改造或重新设计留有可调和余地并提供可行性方案。

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