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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。

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）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。

2.4IDC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

100kva

200kva

300kva

400kva

500kva

600kva

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，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，A\B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：

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+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%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1~3#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）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

1200kva

1200kva

1200kva

1200kva

组合方式

4*400kva

2*3*400kva

4*400kva

4*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*35=70万元

3#输入柜

3200A+10*630A，15万

ATS-3200A+5*630A，

ATS-3200A+7*630A，

ATS-3200A+5*630A

4#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*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-1

64.5%

73.2%

76.4%

77.7%

78.5%

THDI-1

48.4%

35.4%

27%

23.1%

19.8%

THDU-1

2.8%

2.8%

4.7%

4.5%

4.2%

PF-1

0.70

0.76

0.80

0.82

0.82

DPF-1

0.73

0.80

0.83

0.85

0.85

采用THM+H5

滤波器进行

谐波处理后

运行效率-2

72.7%

89%

94.5%

95.0%

89.9%

THDI-2

5.8%

2.7%

2.9%

2.5%

1.8%

THDU-2

2.1%

2.1%

2.2%

2.2%

2.3%

PF-2

0.83

0.94

0.99

0.98

0.96

DPF-2

0.86

0.95

0.99

0.98

0.96

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%的限值要求；

3）功率因数COSØ（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（kw）

960

960

960

960

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（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。