探讨信息机房UPS冗余并联供电方式的优化 本文关键词：并联，冗余，机房，供电，探讨
探讨信息机房UPS冗余并联供电方式的优化 本文简介：摘 要：总结了某单位信息机房供配电系统升级改造实施经验，深入分析UPS冗余并联供电方式优化前后供配电系统可靠性及可维护性，对信息机房供配电系统的设计及运维管理有一定指导意义。关键词：UPS并联供电;可靠性;可维护性;综合最优某单位信息机房于2006年投入使用，使用两台80kVAUPS作为机房信息设备
探讨信息机房UPS冗余并联供电方式的优化 本文内容：
摘 要：总结了某单位信息机房供配电系统升级改造实施经验，深入分析UPS冗余并联供电方式优化前后供配电系统可靠性及可维护性，对信息机房供配电系统的设计及运维管理有一定指导意义。
关键词：UPS并联供电;可靠性;可维护性;综合最优
某单位信息机房于2006年投入使用，使用两台80kVA UPS作为机房信息设备后备电源，并机运行，至2013年底，单机负载达46%，任意一台故障退出运行，另一台UPS有过载的风险，对信息设备运行造成极大威胁。2014年立项对UPS系统进行升级改造，因原80kVA UPS无法增容，且配电房已无空间摆放新增UPS，只能在原位置更换成两台120kVA UPS。
1 工程概述
经现场勘查，每台UPS输入有独立的输入开关，无独立输出开关，UPS输出通过电缆在输出开关(K6、K7)上桩并联，见图1，单台UPS退出情况下，UPS输出端一直处于带电状态，无法执行单台80kVA UPS保障的前提下逐台更换成120kVA UPS的方案。为控制作业风险，工程施工方要求将两台80kVA UPS关机，且UPS输入、输出端全部断开的前提下才可实施。这就表明在整个实施过程中信息机房所有信息设备转由市电供电，失去UPS后备保护。
图1 80kVA UPS并机拓扑(2006年)
确定最终实施方案后，信息中心在保障市电稳定、应急发电机正常情况下，通过临时开关K4将信息设备负载转移至市电供电，成功完成80kVA UPS 原址更换成120kVA UPS的工作，并根据实际负荷情况，更换部分开关，同时对UPS并联电缆进行改造，方便日后UPS检修维护，见图2。
图2 120kVA UPS并机拓扑(2014年)
此次升级改造困难重重，方案经三次现场讨论，细分至30项工作步骤，历时25小时实施，工程量堪比新建UPS系统两倍。虽然最终完成实施，但回顾10年前的UPS供配电系统设计，我们还是能发现当时的设计缺乏长远的考虑，对信息机房设备负载增长速度估算不足，对UPS整机升级、各开关检修可行性及作业安全性缺乏考虑。
2 UPS冗余并联供电组网方式优化
2006年机房UPS采用冗余并联供电方式，两台UPS的输出同时送到并联配电柜上进行直接并联，共同分担负载电流，不存在主从关系。当某台UPS出现故障时，该机将自动退出并联系统，负载电流全部由剩余的一台UPS供电，输出不间断。在故障机维修完成后，可以将修复的UPS单元在线并入，继续对负载进行冗余供电，完成并联系统的在线热维护，见图3。
图3 经典UPS冗余并联供电方式
冗余并联供电方式的设计是非常符合机房UPS供电要求的，可以实施并联系统的在线热维护，但由于并联柜(配电柜)的并联电缆连接方式(图1)，使得UPS输出端一直处于带电状态，UPS的在线热维护只能限制在对单台UPS设备内部，如整流器、电池、逆变器、降温风扇、电容、旁路开关等器件的维护，最终在实施UPS整机更换时遭遇极大困难，不得不采用双机停机实施方案。
看来并联柜(配电柜)中UPS并机线接入位置也是有讲究的，如果在2006年建设时UPS输出有一个外置旁路(K1上桩至K7下桩)，(如图4)，则本次的UPS更换工作会简单很多，并机系统双机更换、联调时，负载由市电供电，UPS调试完成后不间断切换到UPS供电(逐台更换后，需进行并机调试)。
但这样的设计又会造成一个新问题，由于32A空开在输入侧使用并联排连接，任意一个32A空开出现故障需要维修、更换或需要增加空开时，将会遭遇本次UPS更换实施时同样的问题，32A空开在输入侧将一直处于带电状态，必须对该32A空开所在并联排全部停电才可操作，该并联排所挂载的信息设备将会断电。
图4 80kVA UPS并机拓扑(设想)
由此可以得出初步结论：当UPS双机系统运行可靠性高于32A空开及信息设备电源插座可靠性时，UPS并联线在输出开关(K6、K7)上桩连接，方便对32A空开及信息设备电源插座进行维护。当UPS双机系统运行可靠性低于32A空开及信息设备电源插座可靠性时，UPS并联线在输出开关(K6、K7)下桩连接，方便UPS整机维护。
信息中心在实施前对UPS双机系统运行可靠性、32A空开可靠性、信息设备电源插座可靠性、5年内信息设备负载增长速度、32A空开扩容需求进行充分评估，见表1。
表1 可靠性与需求评估
同时结合现场实际(K6、K7下桩无空间并入新电缆且配电柜空间狭窄)，在原并联线中间增加一个250A开关(K5)，如图2所示，通过K2、K3、K5、K6、K7的开关状态组合，如表2所示，分区停电控制作业风险，实现UPS系统、配电系统的按需安全检修，整个UPS系统冗余优势得到充分发挥，达到UPS系统、32A开关、信息设备电源插座运行可靠性与可维护性综合最优。
表2 开关状态组合控制检修范围
3 并联系统优化前后可靠性探讨
本工程中，在原并联线中间增加一个250A开关(K5)，通过K2、K3、K5、K6、K7的开关状态组合，分区停电控制作业风险，实现UPS系统、配电系统的按需安全检修，但多引入一个开关对整个供配电配电系统来说就是多了一个故障点。现在假设UPS设备及所有供电配电开关失效率恒定，只考虑供电配电开关对整个供配电系统的影响，对整个系统的供电可靠性进行重新评估。
定义K1、K2、K3、K5、K6、K7、32A开关可靠率分别为rk1、rk2、rk3、rk5、rk6、rk7、r32a，则改造前A、B路信息设备供电可靠率为：
RA路= rk1*[1-(1- rk2)*(1- rk3)]* rk6* r32a
RB路= rk1*[1-(1- rk2)*(1- rk3)]* rk7* r32a
如果信息设备配置双电源模块，则该设备供电可靠率为：
R信息设备=1- (1-RA路)*(1-RB路)
并入K5开关后，A、B路信息设备供电可靠率为：
R`A路= rk1*[1-(1- rk2)*(1- rk3* rk5)]*rk6* r32a
R`B路= rk1*[1-(1- rk2* rk5)*(1- rk3)]*rk7* r32a
如果信息设备配置双电源模块，则该设备供电可靠率为：
R`信息设备=1- (1- R`A路)*(1- R`B路)
由公式可以看出，在并入K5开关后，理论上信息设备供电可靠率会有一定程度的降低，但由于本次实施过程中全部更换为更大额定电流的新开关，且新开关的可靠性极高，在实际运行过程中对最终信息设备供电可靠率的影响可以忽略不计。
4 结 语
由此可以看出，本次改造能够结合实际情况，在满足总体供配电系统可靠性前提下，未对机房供配电系统拓扑做大改动，有针对性对UPS冗余并联供电组网方式进行优化，精简工程实施步骤，有效控制了工程实施风险。同时通过开关状态组合，分区停电控制作业风险，实现UPS系统、供配电系统的按需安全检修，整个UPS系统冗余优势得到充分发挥，达到UPS系统、32A开关、信息设备电源插座运行可靠性与可维护性综合最优。
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