谈UPS冗余并联与双总线连接供电方案
五、采用双总线的适当场合
1. 采用双总线的场合
双总线作为冗余并联的的补充措施在一定的场合下就可显示出它的优越性。这种场合就是容量与可靠性出现矛盾时。
比如一个信息机房的用电量是2500kVA，要求并联冗余后的供电电源系统的可靠性R=0.99999，选定了某品牌单机容量为400kVA的UPS。为了方便分析，假如每台UPS的可靠性r相同，取r =0.99，目前UPS并联的台数不超过8，此处取8台并联。取7+1即可
是400kVA×7=2800kVA，满足了2500kVA的需求，如图11（a）所示。看可靠性R8是否满足。根据可靠性计算公式：
Rn=1-(1-rn-1) (1-r)
得 R81=1-(1-r7) (1-r)=1- (1-0.997) (1-0.99)= 0.999021
从结果看，不满足R=0.99999的要求。如果采用6+2的方案，则：
R82=1-(1-r6) (1-r)2=1- (1-0.996) (1-0.99)2= 0.999994
这一次满足了要求。但容量只有400kVA×6=2400kVA，容量又不能满足了。如果用户的容量要求不可更改，只有采用双总线方可，如图11（b）所示。在双总总线的情况下，系统地可靠性就是：
此时倒是满足了可靠性的要求，但设备量增加了一倍多，投资也成倍增加，损耗也显著增加，这就需要权衡利弊。
倒不如采用500kVA的6+2方案来的更经济些。而且容量500kVA×6=3000kVA富裕很多，不但减少了投资、降低了损耗，也提高了系统的可靠性。
这个例子说明，在很多情况下双总线并不是唯一的和最佳的解决方案。从前面的讨论也可看出，当容量与可靠性不发生矛盾时，如果硬要采用双总线，不论什么理由都是不可取的。
2.减少设备量的途径
人们不禁要问：难道为了得到这一点好处就必须花费几倍的投资吗？实际上大可不必，正如前面讨论的那样，
（1）即使一个ATS故障而不能将另一路市电接入时，仍能保证全部负载不断电，从这个观点上说，可以将前面的两个ATS更换成普通断路器；
（2）既然要求在任何一路市电或UPS故障时都要保证全部负载不断电，冗余并联的UPS就可以完全满足，所以UPS输出和负载之间除了必要的开关之外没有必要再增加什么STS进行多余的切换；
（3）这里的重点就转到如何在一路市电和ATS同时故障时仍能使另一路市电可靠地接入。这个问题再容易解决不过了，比如给双机冗余输入端的ATS配上旁路开关（有的是选件,有的就是标配）就可解决了，因为一路市电掉电是有告警的，UPS1输入电压断电也是有告警的，值班员就可在确认ATS确实故障后而合上旁路开关。不要期望全自动化，一般这样的机房都会有值班员。当然，如果确实需要全自动化，也是可以的，只要向供应商提出要求就是了。因此，双总线的供电效果完全可以用很小的代价来取代。
（4）减少UPS和STS设备量的途径
如果有的用户确实对双总线结构情有独钟，也未尝不可，在保证可靠性与可用性的前提下也有节约的方法。有的认为双总线必定需要用图11（b）的结构方式，即两路电源必须用两个台大容量STS进行互相切换。实际上双总线也各有不同，以图12为例：
（a）为双开关二单机双总线结构
这个电路结构的特点在于每台UPS有两个输入开关，一个普通断路器和一个ATS转换开关。普通断路器供UPS主电路应用，ATS供两台UPS的旁路用电，这样一来从输入开关上就加了一层冗余，即使其中一路市电故障断电，仍能保证双电源设备的双路供电。这里只用了一个STS为单电源设备供电，与双UPS并联冗余相比，增加设备不多。如果采用分散小型STS结构方案，功耗、价格和占地面积还可降低。
（b）是双开关三单机双总线冗余结构
从前面的分析可知，当一路市电故障（比如市电1）断电时，断电这一路UPS1的输出就是通过ATS送过来的市电，这样一来，双电源设备的两个输入就有一路是市电，有可能引入干扰。为此可用第三台UPS来代替图（a）中的市电，如图所示，此结构同时也具有了串联热备份的功能。
（c）为多机双总线同一冗余结构方案
在多机双总线的情况下，除去前面的冗余方案外，还可采用该图的结构方式。以后双电源的设备越来越多，不用大型STS的双总线结构越来越多。那时双总线与并联冗余的设备量就非常接近了，甚至相同。
3. 采用双总线进一步的节能方案
对于一个大的信息中心机房而言无疑有大量的设备，但核心机器只是一部分而不是全部；即使是核心机器，这些机器的功率容量一般不会很大，当然刀片服务器的情况除外，这样一来就给供电方案的节能措施提供了方便。
对于那些不是重点的机器可直接由双总线的一路提供就可以了，如果仅对那些重点的机器供电进行多重保护的话，就可节约相当大的一部分能量。这里不妨介绍一个实际的例子：某系统配置了600kVA×2作1+1冗余的UPS，本来作1+1冗余直接并联即可满足可靠性和容量要求，但在实际方案中却给出了如图13（a）的电路结构。这里两台600kVA UPS分成两路后分别送到10台60kVA容量的STS上，该10台STS各带自己的负载。开始有UPS1供电，一旦UPS1故障，STS就可以自动将UPS2切入来替换UPS1，以达到双电源冗余供电的目的。从前面的讨论中可以看出，在这里的可靠性与容量并未发生矛盾，两个单台UPS在容量上尚有极大的空间，如果不直接并联冗余首先就丢失了双倍过载能力的优点，直接隐患就是多了一个故障点。在过载能力上就走到串连热备份的路子上去了。并暴露出了如下的问题：
（1）增加了功率损耗
为了有一个量的概念，拟作如下计算，以满负荷为例，首先计算出UPS的输出电流： I=600kVA/220V=2727A
静态开关是由三个PN结的可控硅构成，导通压降设为U=1.5V，于是在这些可控硅管上的消耗功率就是：
P=IU=2727A×1.5V»4091W
每年消耗能量： Q =4091W×8765h»35857kWh=35857度
即每年仅仅STS就消耗掉35857度电能，有资料显示每kWh电的煤燃烧后可向大气中排放2.72kg的二氧化碳，35857度电的煤就向大气中排放35857×2.72kg=97531kg的二氧化碳。如果采用图12（b）的电路结构方案，就可将这些功率节约下来，将煤省下来，将二氧化碳的排放量降下来。
（2）增加了投资
按照当时用户的反映说，每台60kVA的STS价格为50万元人民币，10台就是500万元。采用了图13（b）的电路结构方案后，每台msts仅3000元，即使100台也才30万元，何况用量不足100台。该项投资不到原设计的十分之一，节约了投资。
（3）增加了占地面积
10台60kVA的STS按照Cyberex公司的介绍其占地面积S=（61cm×76cm）×10=4636cm2，近5m2。考虑到柜子不是放在一起，至少一面要预留出活动的空间，所以占地面积约10m2，这就是一个小机房的面积。而当时的msts（minists）仅有1U的高度，可以放到19²的标准机柜中，一般可不另外放置，直接放到IT机柜内即可，即使另外放置，最多占两个柜子的面积，不到1平方米。
对于刀片服务器而言也可用此方案，因为一般刀片服务器一组合模块为单位，即使一个IT机柜可达到20kW或更多，但一个组合并不是这么多，更何况现在已经出现了针对刀片服务器的模块UPS电源，可与刀片服务器放在一起，这就给使用节能的msts提供了更大的空间。如图14所示就是刀片服务器电源与msts的连接示意图。
（全文完）
王其英简介:
毕业于电子科技大学（原成都电讯工程学院），高级工程师，多年来主持并参加了多项国防工程计算机供电系统的研制与实施。主持设计了我国第一颗远程运载火箭和第一颗人造地球同步卫星等多个基地机控系统的供电设备和系统、导弹陀螺专用UPS等的设计、施工和保驾运行，并多年从事UPS工程的各项工作。在各有关杂志上发表论文数百万言，出版了多册电源和UPS专著，现为中国电源学会理事、高级会员、专委会副主任、计算机机房协会专家，交流电源委员会专家组组长、全国专业标准化技术委员会委员、“电源技术应用”杂志主编、 “UPS应用”和“机房技术”杂志副主编及多个杂志的编委与顾问。并被团中央和中华学生联合会聘为“中国大学生实用科技发明大奖赛”评委，被多个政府和系统聘为产品采评标专家。并被推荐载入原中科院院长卢嘉锡署名出版的 “中国专家人名辞典”第九卷。 |
