n+1冗余模式配电结构的探讨.docx

1、n+1冗余模式配电结构的探讨在改进型n+1冗余模式下实现UPS双总线配电结构的探讨中国电信集团上海分公司 杜秋 丁涛 1.前言 由多台UPS系统输入输出并联的双总线结构带来冗余供电可靠性的同时, 也引来系统并联工作而出现的问题，如：环流、不同步、电压幅差、通讯中断等，干扰了IDC机房供电的可靠性。为此，对IDC机房的配电结构、组合方式进行有效的优化与改进，为实现在改进型n+1冗余模式下实现UPS双总线配电结构的探讨具有重大意义！2.IDC中UPS系统的不同配电模式的演进2.1 单机组UPS系统的基本组成结构及其参数特性（如图1）：在图1中，标示了单机组UPS的系统结构及其各器件的功能和参数特性

2、。从图示我们可知UPS工作有如下几个状态：1)当市电正常时，UPS设备通过“滤波整流直流（电池充电）逆变”的过程为计算机设备进行供电；2)当市电异常（中断）时，UPS设备通过“直流（电池放电）逆变”的过程为计算机负载供电，从而实现不中断供电；3)当市电正常而UPS主回路中器件故障时，UPS设备通过静态旁路开关实现不中断输出的旁路方式供电（切换过程小于10ms），同时也可通过人工维修旁路实现维修状态下的旁路供电；图1：单机组UPS系统的基本组成结构及其参数特性图2.2 多机组（n+1）并机的UPS系统（如图2：以1+1冗余模式为例）：通过单机组结构的分析可知，虽然在不同状态下在一定程度上都可满足

3、计算机负载的不间断供电需求，但由于单机下器件的唯一性，在UPS故障时仍会造成负载的供电中断，为此，人们往往在技术上通过多机冗余的方式提高供电的可靠性（见图2：以1+1的冗余方式为例）。在多机组冗余并机输出时，从理论上讲UPS系统具有1/N的冗余量，在某个机组故障时，负载由其他机组分摊，在一定程度上提高了系统的可靠性。但在实际应用时，由于各机组间个体差异，并机输出的交流参数往往不会完全一致，所以在UPS输出侧的不同机组间就会产生电压幅差和相差，出现环流和不同步等现象，严重时往往会使整个UPS系统宕机而中断电力输出。图2：n+1冗余并机UPS系统的组成结构图(以1+1为例)2.3 双n或双（n+1

4、）组成的UPS并机系统【如图3：以2*（1+1）或2*2的冗余模式为例】：图3：双n或双n+1的UPS冗余并机系统的组成结构图(以2+2为例)在图3中，为充分保障系统的用电安全，人们通过系统冗余的方式实现双UPS系统、双总线结构的配电方式，该方式在结构上很大程度上确保了对负载供电的不间断，也是目前业界所公认的高端系统的安全供电方式。2.4 IDC中UPS配电存在的问题：在目前的IDC中，实践验证了现用UPS系统在配电方面存在诸多的问题，可概括为如下几个方面：1)系统可靠性问题：虽然通过多机冗余甚至多系统冗余后，对负载用电的可靠性上有所提高，但UPS系统结构变得相当复杂，致使系统的可靠性、可用性

5、并未随着系统的叠加而同比提升。相反，由于配电结构的不合理、单路经故障点的增多，反而使系统的可靠性更差，维护难度和成本却大幅攀升；2)系统电流谐波干扰问题：谐波是随着应用半导体技术的整流设备而产生的负向产物。在IDC中，存在两个谐波源负载开关电源和UPS设备。由于UPS设备整流装置的大规模应用，谐波对电网和系统本身的安全形成巨大干扰，对机房用电安全形成严重威胁，在能耗浪费的同时，还是产生火灾甚至爆炸的重要根源。为了消除谐波，我们又不得不在配电中大量增加滤波设备、调节系统的输入功率因数和能源利用率，同时谐波的存在对地线系统也提出了苛刻的要求；3)系统成本和能源消耗问题：UPS设备的结构表明，能源经

6、过两次转换降低了效率，系统的复杂性提高了购置成本和运行成本，电流谐波的存在增加了滤波设备、降低了输入的功率因数、降低了系统设备容量的利用率，与节能减排的方针相左；4)系统难以标准化问题：多系统冗余后的复杂化为IDC配电的标准化带来困难，致使UPS系统的供配电设计和建造始终停留在初级手工业阶段。同时，也为系统的灵活性、可扩展性带来难度，从而造成以计划容量一次性投入、增大投资成本、缩短了系统的生命周期；2.5 模块化UPS系统和高压直流供电模式是趋势：由于上述UPS设备及其配电方式存在的诸多缺陷，人们试图通过转换思路加以避免和解决。传统的直流开关电源的优势再次引起人们的注意，直流供电模式的开关电源

7、具备两个优点：其一，开关电源模块具备小型化、在线热插拔、离线维修、并机数量多、冗余度小等特点，所以系统稳定可靠。由此，业界开始研发并倡导使用性能特点与开关模块相近的模块化UPS在IDC中进行推广和应用；其二，开关电源模块实现直流输出，能源仅经过一次整流转化，相比UPS设备与计算机负载的“整流逆变再整流变压(PWM)” 的转换方式，可大幅提升系统的转换效率，同时直流输出比交流输出在并机方面具备较高的稳定性，借鉴这一点，业界积极主张采用提高直流输出电压等级的高压直流供电模式在IDC中推广和应用；事实上，模块化UPS也好，高压直流也罢，单从理论上都具有传统UPS所不可比拟的优势，但在实际应用中，虽然

8、这两项技术的发展前景广阔，但在短时间内还很难完全取代UPS在IDC中的成熟应用。因此，优化UPS系统的配置结构，更好地服务于IDC的应用，目前甚至在很长一段时间内仍然具有重要价值！3.结合实例，分析不同UPS的配置结构及其优劣：为便于研究和参数对比，现根据一机房的实例，对比分析不同的UPS配置结构及其优劣。如某机房，传统型数据机架180只（单机架设计电力容量为220V/10A-2.2kva），刀片式服务器机架45只（单机架设计电力容量为220V/45A-9.9kva ），应用于云计算等功能区域机架48只（单机架设计电力容量为220V/30A-6.6kva ），要求采用双总线的配电结构。并为其配

9、置UPS系统，设计合适的配电结构和讨论其优缺点。3.1、数据分析：1)总设备额定功耗的计算：180*2.2+45*9.9+48*6.6=1138.5kva；2)UPS的容量和组合选型分析（表1）：单机容量100kva200kva300kva400kva500kva600kva单UPS系统可选择的组合形式：【组数*（N+1）】1*（12+1）2*（6+1）3*（4+1）4*（3+1）6*（2+1）12*（1+1）1*（6+1）2*（3+1）3*（2+1）6*（1+1）1*（4+1）2*（2+1）1*（3+1）2*（2+1）1*（3+1）2*（2+1）1*（2+1）2*（1+1）备注：当要求进行双

10、电源系统、双总线结构供电时，上述组合形式加倍，即：2*【组数*（N+1）】3)UPS组合的选型：根据相关规范要求和实际运行经验，结合上表中具有代表性的组合形式，比较系统的占地面积、系统数量、投资和拥有成本等综合因素（系统数量尽量少），我们选择的最优化的系统组合方式为：400kva（3+1）模式；3.2、传统型(3+1)UPS的配置结构及其缺点分析3.2.1、UPS的配置结构图：一般情况下，传统的(N+1)型的UPS冗余配电结构通常采用如下方式（见图4），这种配置结构也是早期所建机房普遍采用目前仍在运行的方式：图4：传统型(3+1)UPS的配置结构图3.2.2、运行方式：系统做3+1在线冗余运行

11、，常规下每台UPS设备分摊总负载的25%，单机常态运行时其负载率理论上不超过75%（实际运行时要求不高于60%），当某一机组故障退出时，其所带负载由其他设备均摊（要求单机负载率不高于80%）；3.2.3、缺陷分析：1)市电输入的单点隐患：虽然输入采用双路AC+油机的供电模式，但两个ATS将是致命的单点故障点，特别是2#ATS一旦故障，若该设备的维修难以在UPS电池放电时间内（小于60min）完成，将使整个系统失电；2)UPS输入的单点隐患：3#输入柜的总输入开关承载了UPS系统主输入和旁路输入，一旦该开关故障，只能切换至4#配电柜和UPS输出B路柜的应急维修旁路开关回路，负载将由并不稳定的市电

12、进行支撑；3)UPS输出的单点隐患：虽然UPS设备配置了3+1的冗余方式，而电力输出也采用了A、B路双总线输出（假双路），但其输出开关只有一个，其单点隐患更加致命（近年来该开关意外关断所引起的故障案例不胜枚举）；4)UPS并机运行的隐患：无论采用自用旁路或者是共用旁路系统，其输出端的并机都会引起让人担忧且无法避免的设备间环流、幅差、相差、均载等问题，而且当某一设备输出短路或故障时，将可能引起整个系统的输出中断（该类故障案例也比比皆是）；5)通讯中断的紊乱隐患：UPS设备采用并机结构，设备输出端的参数需要彼此通讯来保持同步，一旦通讯环节故障或数据控制出现偏差，都会引起系统的紊乱，严重时引起输出中

13、断；3.3、双N型UPS的配置结构及其优缺点分析3.3.1、双N 型系统配置结构图：目前，比较通用并得到业界公认的双电源供电方式为双N（或双N+1）型配置，其基本配电结构图如图5（双N 型，N=3或双N+1型，N=2）：图5：2N（N=3）型UPS的配置结构图3.3.2、运行方式：上图中，UPS设置为2*（3+0)的系统，承载的负载最大不超过3台UPS的总容量（小于3*400=1200kva）。常态运行时，AB两套系统各分摊50%的负载总容量，每台UPS设备各分摊16.7%的负载总容量（UPS单机输出的负载率理论值小于50%，实际小于40%）。当某套UPS设备因故退出时，另一套系统承接故障系统

14、的负载容量，每台UPS承载负载的33.3%。3.3.3、优点分析：相比3.2中结构，避免了输入输出回路中的单点隐患，做到了真正的双UPS电源、双回路供电模式，系统配置结构较为明晰，系统后备时间长；3.3.4、缺点分析：系统初期投资大，运行维护成本高，操作及维修风险不可控，电力配套的占地面积大，单电源设备无法得到双系统的保障，系统运行效率低、负载率低、损耗高；3.4、传统式（N+1）UPS+AC冗余的配置结构分析：3.4.1、系统结构图：结合单(N+1)UPS、双N型UPS的优缺点，09年上海电信探索了采用机架式STS模块，使用UPS+AC的冗余模式对配电结构加以改进（一年多的运行验证该案例比较

15、成功），其结构图如下（图6）：图6：（3+1）UPS+AC的配置结构图3.4.2、运行方式：上图中，UPS运行设置为传统的3+1并机冗余模式，承载的负载最大不超过3台UPS的总容量（小于3*400=1200kva）。常态运行时，每台UPS设备各分摊33.3%的负载总容量（UPS单机输出的负载率理论值小于75%，实际多小于60%）。当某台UPS设备因故退出时，由剩余的3台承接负载容量，当UPS系统整体中断时，AC回路通过机架内的STS模块实现不间断切换到AC供电。3.4.3、优点分析：1)做到了真正的双回路供电模式，系统配置结构较为清晰，占地面积小，初期投资相对较小2)改进了市电输入的单点隐患：

16、通过1#、2#市电输入柜的2个ATS开关，可将负载灵活调节至双路市电和一路油机的任一路电源供应；3)改进了UPS输入的单点隐患：通过3#、4#输入柜的2个ATS开关可灵活接受两路市电和一路油机电力的分配，同时还可实现主输入和旁路输入的灵活设置；4)改进了UPS输出的单点隐患：每台UPS设备单独输出直至机架，通过机架式STS模块实现双电源切换，真正实现单UPS系统双电源总线的供电结构。通过STS模块的作用，不但实现对双电源服务器的双电源供电，对单电源设备同样可以实现双电源供电；3.4.4、缺点分析：4台UPS并机输出，易出现环流、幅差、不同步、通讯中断等故障，操作和维护风险高；3.5、改进型(N

17、+1)UPS的配置结构及其优缺点分析3.5.1、系统配置结构图：鉴于上述传统型（N+1）UPS冗余模式的缺陷，结合现代化高端IDC双总线、双UPS系统的冗余要求，本着节约设备投资、简化配置结构、节能减排的目的，现在上节3.4【（3+1）UPS+AC的配置结构】的基础上特对配电结构再行优化改进, 使ups冗余而独立运行, 系统输出实行真两路（见图7）：图7：改进型(3+1)UPS的配置结构图3.5.2、运行方式：系统做分散性3+1冗余运行，4台UPS设备各处于单独运行状态，正常运行状态下1#、2#、3#UPS机组每台独立承载其后端负载。单机常态运行时其负载率理论上可满载运行（实际运行时控制在85

18、%以下），4#UPS机组作为备用，其输出处于0负载率下的空载运行状态。当13#UPS的某一主用机组故障退出时，其所带负载通过机架内的STS设备（实际上设置为ATS使用）无缝切割至4#UPS机组上承载；3.5.3、优势分析：1)具备3.4.3中所述的所有优势；2)消除了UPS系统的并机隐患：由于4台UPS设备都是单机输出，系统将完全消除了其并机系统中出现的环流、幅差、相差、均载等问题，同时也避免了UPS间通讯故障时的风险；3)降低系统操作和维修难度：由于各UPS机组在电气上的相互独立，在上、下电操作或设备维修时不必瞻前顾后，只需将待修设备从电路中隔离即可，操作维护难度大大降低，从而摆脱了“凡是操

19、作UPS设备都需厂商专业技术人员到场”的尴尬；4)系统具备调节和变更的灵活性：在机房和配电统一规划的前提下，UPS设备可根据需要分期投资，随用随扩，扩容和割接简便灵活，并可大大突破3+1冗余的并机总数量；随时淘汰更新性能参数不符合要求的单个UPS设备，而不必整套系统一起更新；5)突破UPS设备品牌的限制：由于各UPS机组间电气上的相对独立和分离，因此UPS系统可实现在不同品牌、不同型号、不同时代的产品间进行并机使用（但要求其额定容量必须相同）；6)最大限度优化UPS的性能参数：由于主用的N台UPS设备都可以在理论上运行至额定容量状态，从而可大幅提升UPS的使用效率和功率因数，促进节能减排；7)

20、节约系统投资和占地空间：在不增加UPS设备的前提下，实现了真正UPS双回路的供电，避免了3.4中市电供给时的风险。且在保证同样的可用性、可靠性的基础上，可大幅节约初期的系统投资、后期的维护成本，降低日常维护量、节省设备占地空间；8)实现真正双电源和机架的精细化监控：机架式STS模块的采用可以做到真正的双UPS电源到机架，并可通过STS模块的智能接口对机架的用电情况实现精细化监控，从而解决了传统IDC中对机架电力电量失控的难题；3.5.4、缺点分析：1)由于主、备用UPS设备在故障时需要满负载瞬间交割，所以对UPS设备输出的瞬间带、卸载能力（爬坡能力）提出了更高的要求；2)由于备用机组的供电范围

21、包含整个机房区域，在其输出配电上比较复杂，所以日常维护和开关的上下级参数设定上需要引起充分注意；4.不同配置结构的投资及效益对比分析4.1、不同配置结构的系统组成及投资比较仍以项目为例，现将不同配置结构所采用的设备、投资等情况进行综合比较（见表2，N=3），下表数据表明，虽然UPS的配置结构和各分项内容有所较大差异，但在保障同一安全系数的前提下，其总投资差异不大。名称、内容单(N+1)ups系统双N型ups系统单（N+1）ups+AC改进型N+1系统UPS系统组成及费用有效容量1200kva1200kva1200kva1200kva组合方式4*400kva2*3*400kva4*400kva4

22、*400kva设备费用4*47=188万元6*47=282万元4*47=188万元4*47=188万元电池容量4*280kvah（45min）6*280kvah（67min）4*280kvah（45min）4*280kvah（45min）电池费用134.5万元201.7万元134.5万元134.5万元谐波处理120万元180万元120万元120万元费用小计442.5万元603.7万元442.5万元442.5万元输入配电组成及费用1#输入柜ATS-3200A，ATS-3200A，ATS-2*3200A，ATS-2*3200A，2#输入柜2*35=70万元2*35=70万元2*35=70万元2*3

23、5=70万元3#输入柜3200A+10*630A，15万ATS-3200A+5*630A，ATS-3200A+7*630A，ATS-3200A+5*630A4#输入柜3200A，10万元2*38万元2*40万元2*38万元5#输入柜/ATS-3200A，35万元ATS-3200A，35万元ATS-3200A，35万元费用小计95万元181万元185万元181万元输出配电组成及费用1#输出柜3200A+10*400A，3200A+10*400A，3200A+10*400A，630A+4*400A,6万元2#输出柜2*15万2*15万2*15万630A+4*400A,6万元3#输出柜/630A+4

24、*400A,6万元4#输出柜/3200A+11*630A,16万列头柜10只，A、B路，2*(400A+60*2P-20A)，10*8万元费用小计110万元110万元110万元114万元STS模块/363只217.8万元（刀片、云计算架各配2只）设备费合计647.5万元954.7万元955.3万元955.3万元表2：不同UPS配置结构的投资情况综合比较表4.2、不同负载率下的UPS运行参数：在实际运行中，UPS在不同的负载率下，其设备的运行效率、谐波含量及特性、功率因数等参数都将有很大差异，下表是某品牌400KVA的UPS设备（6脉冲）的测试结果（见表3），从而分析在不同组合配置下其系统的能耗

25、关系：数据名称及内容20%负载率38%负载率63%的负载率82%的负载率101%的负载率未采取谐波处理运行效率-164.5%73.2%76.4%77.7%78.5%THDI-148.4%35.4%27%23.1%19.8%THDU-12.8%2.8%4.7%4.5%4.2%PF-10.700.760.800.820.82DPF-10.730.800.830.850.85采用THM+H5滤波器进行谐波处理后运行效率-272.7%89%94.5%95.0%89.9%THDI-25.8%2.7%2.9%2.5%1.8%THDU-22.1%2.1%2.2%2.2%2.3%PF-20.830.940.9

26、90.980.96DPF-20.860.950.990.980.96表3：不同UPS负载率下的运行参数表从上表数据可知，对于UPS来说，在不同的负载率下，其THDU(I)、效率及功率因数会有较大变化，谐波处理会使相关性能具有较大改善，从而我们可得出如下结论（见曲线图8）：1)运行效率的提升：UPS设备在不同负载率下运行时，其运行效率会有10%-20%的变化，最佳的负载率为60-90%。有效的谐波处理会使UPS的输出效率提升10-18%；2)总谐波畸变率THD的降低：UPS输入的电压波形畸变率（THDU）、电流波形畸变率（THDI）会随着负载率的上升而下降。有效地谐波处理可使其完全符合国家规范5

27、%的限值要求；3)功率因数COS（PF）的提升：随着UPS负载率的升高，其功率因数逐步提升（幅值达0.13）。有效的谐波处理可使功率因数有0.13-0.16的提升，最佳负载率为60%-90%；图8：UPS设备在不同负载率下谐波处理前后的参数曲线图4.3、不同配置结构下系统运行的参数、效能、拥有成本的对比（见表4）：结合UPS设备的常态运行参数及管控要求，其日常运行数据见表3（N=3、安全系数0.8），数据背景为：UPS单机400kva、6脉冲、分别配置H5无源滤波+THM有源滤波装置。数据名称及内容单(3+1)ups系统双3型ups系统单（3+1）ups+AC改进型3+1系统额定的输出功率（k

28、w）960960960960单机的额定负载率（台）4*60%6*40%4*60%3*80%+0谐波处理下额定输出下的UPS效率（均值）92.0%89.0%92.0%95.0%额定输出下的输入功率（kw）1043 1079 1043 1011 年耗电量（万度）914 945 914 885 年电费支出（0.85元/度、万元）777 803 777 752 电能节约（万度/年）31 0 31 60 电费节约（万元/年）26 0 26 51 非谐波处理下额定输出下的UPS效率（均值）76.4%73.2%76.4%77.7%额定输出下的输入功率（kw）1257 1311 1257 1236 年耗电量（

29、万度）1101 1149 1101 1082 年电费支出（0.85元/度、万元）936 977 936 920 电能节约（万度/年）48 0 48 67 电费节约（万元/年）41 0 41 57 谐波处理前后的同比节能（万度/年）187 204 187 197 谐波处理前后的同比节资（万元/年）159 173 159 168 UPS及电池的年度维保费用（万元/年）12.80 19.20 12.80 12.80 表4：不同配置结构下UPS系统运行效率及能耗比较表从上表数据可知，采用改进型3+1的UPS配置结构后，除具有最高的安全性、可靠性、节约投资之外，可最高节约电量60万度/年、节约电费51万

30、元/年，按照系统8年的寿命周期，其总拥有成本节约达526万元（含5年一次的电池更新差价，不含系统占地面积的房租差价等其他费用）。 作者简介杜秋(1971-)：男，高级工程师、项目经理、上海市劳动模范，现就职于中国电信集团上海公司。长期从事通信机房基建工程的规划、设计、建设及动力系统的应用、研发、维护和管控工作，在IDC机房的动力配置、系统集成、节能减排等方面具有深入研究，曾获得多项发明专利；丁涛（1947-）：男，高级工程师，长期从事通信电源技术维护和技术管理。历任电源主管，中国电信上海公司运维部综合通信处付处长。荣获2007年中国通信电源十大杰出人物。 荣获2006年中国电信集团公司优秀维护骨干。