探讨：UPS电源双母线方案

摘要：本文介绍了基于台达HIFT UPS构建的双母线供电方案的组成和优点，该方案去除了传统方案中的LBS，同时采用分散式ATS配置，使系统可用性更好，更加绿色节能。

1 引言

在互联网高速发达的今天，人们的工作、办公对互联网的不间断性工作依赖性越来越大，而且对基于它的硬件数据交换、存储的服务器的动力供电系统也提出了更高的挑战。

电信运营商的数据、语音通信计费系统，金融、证券、银行的计费系统对交流动力不间断供电都要求非常高的可用性。

2 UPS电源双母线方案概述

本方案采用基于台达最先进的HIFT UPS构建的双母线方案，核心设备为2套HIFT UPS主机，中达机架式ATS(自动切换开关)。

2台UPS分别输出至各自母线，分别给双电源负载提供电源，通过ATS静态切换装置切换给单电源负载供电，ATS静态切换装置切换时间<4ms。

方案结构框图见图1。

图1

本方案的最大特点是：去掉了传统双母线方案中的LBS，并且ATS采用分散式的配置方案。

⑴ 在市电电源正常时， A路总线输出和 B路总线输出，合并组成双总线系统，向关键的设备(双电源)供电。其它单电源设备负载由ATS供电。

⑵ 若A总线出现故障，而B总线正常工作时，则：

① A总线主机中的其中一个单元出现故障时，由其余的1个单元承担负载， A总线的故障单元待修。B总线不受影响，继续供电;

② A总线并联的主机出现两个功率模块故障、或主控故障、或A总线超载，既A总线的主机无法正常工作时，该主机同时锁相不间断地跳入旁路，该总线待修。B总线并不受影响，继续供电。

⑶ 若总线B出现故障，而A总线正常工作时，则：

① B总线的任意一路市电故障，则另一路市电承担负载， B总线的故障待恢复。A总线不受影响，继续供电;

② B总线的2路市电都出现故障，则该总线待修。A总线不受影响，继续供电给所有负载。

3 UPS电源双母线方案组成

3.1 UPS系统

台达海福(HIFT )UPS, 采用N X架构设计，提高系统容错度，可按需配制可靠度等级，满足不断变化的负载需求，可随需扩容，是具备最短系统修复时间能力的高可靠、高可用的智能UPS系统。此UPS基于模块化技术设计，可实现热插拔维护和扩容，具有如下几个显著优势。

⑴ MTTR近于0，模块化热插拔在线维修，大大缩短维修时间

虽然随着科技的进步，系统可靠性越来越高，然而任何系统仍然都不是绝对可靠的，因此，客户的关注度逐渐从系统的高可靠性转向高可用性，这时，MTTR就变得至为关键了。

无论UPS的可靠性有多高，业界公认，在整个供电系统中，最薄弱的环节仍然是UPS。

客户的传统使用经验是哪怕遇到UPS的一个小零部件故障，系统也会转到旁路无法再逆变工作，从而让关键负载置于非常危险的无保护电源供电之下。

而更糟糕的是，当客户遇到问题时，并不能确定系统何时可以被修复。通常系统的修复时间，包括向厂商报修、厂商电话判断故障原因、工程师携备件赶赴现场、在现场修复UPS。这里的每一环节，都有太多的不确定因素。比如，客户遇到问题时正逢晚上或节假日，报修困难;即使与厂商及时联络，如果工程师经验不足或是电话问询不易，则故障原因很可能判断不全甚至有误;再者，客户所在地偏远和交通不便，赶赴现场完全不能控制在可满足时效内;最后即使到达现场，现场查找原因与系统修复也需要相当时间，更不用提没有拿对、拿齐备品备件而导致系统无法被一次修复好了。而如果采用HIFT UPS则不同，以上种种问题迎刃而解。因为具有模块化结构，如果出现故障，只要移出问题模块就好，UPS系统仍然能够在线运行。新模块送到，现场热接入系统，所费时间几近于0。(见图2)

图2

同时，因为系统修复采用的是简单易行的模块更换，现场维修的非标准化操作所可能导致的再次发生故障几率，被极其显着的降低了。

⑵ N X冗余，提供系统最高的可靠性

「N X冗余」通常指系统中N X台UPS单机(或模块)并联运行，当最大X台UPS单机(或模块)发生故障时，系统仍然能够逆变输出正常运行。

为了提高可靠性，传统UPS通常采用主从结构的1 1并联备份方案，虽然在一定程度上提高了可靠性，但是它不便于离线维护、扩容，同时对设备的利用不充分、缺乏灵活性。更重要的是，此时系统的冗余度仅为1。

而HIFT UPS的结构极具弹性，可实现N 1、N 2、N 3、N 4、N 5、或当并机时具有更高的N X 冗余。同时，客户还可通过定购额外的模块，来增加HIFT的备用冗余能力。

即同样的功率配置，HIFT UPS拥有更高的冗余度;而同样的冗余度，HIFT UPS拥有更经济的配置方案。(见图3)

图3

通常UPS带载不会超过70%，因此在实际应用中，N X冗余具有最高的系统可靠性，见表1。冗余度越高，可靠性与可用性越高，参见表2。

⑶ 随需扩容，提供最灵活、最经济的投资、配置策略

快速变化的业务要求企业机房和数据中心具备灵活性(Agility)。当更多的IT应用强调动态结构时，支撑这些应用的UPS供电系统是必须提前一步到位，还是可以根据需要灵活配置?

传统UPS的客户，在规划时必须满足未来可预见的最大负荷功率要求。比如，现在负载总容量虽然只有20kVA，但因将来可能会增长到60kVA，客户在初始配置时通常都会直接采购功率为达到100kVA的UPS，以避免未来因升级困难而导致的可能容量不足。

HIFT UPS因采用模块化结构，可以在20kVA到480kVA的宽广范围内，以20kVA为单位来随时随需在线扩容，客户不再需要仅是为未来的可能性而提前投入大笔费用。(见图4)

图4

HIFT UPS的这种灵活性，即允许配置容量最贴近实际需求容量的能力，不仅降低了UPS的初始购置成本，更减少了配套设备(如空调)的配置与能耗支出，有效防止了基础设施超前超大规模设计导致的不必要开支。

⑷ 高效节能，提供最低的运行成本

绿色节能不仅是企业对社会的责任，更与企业运营成本息息相关。通常带载越少，UPS效率越差。而HIFTUPS，即使带载只有额定容量的15%，整机效率亦超过90%;当带载达到27%时，效率就已高达94%。效率在百分比上的每一小步提升，能耗支出的节省都是一大步。效率曲线见图5。

图5

3.2 智能ATS 系统

通过机架式ATS给配套单电源负载设备供电，灵活方便。示意图见图6。

图6

4 UPS电源双母线方案的优点

4.1 双母线供电系统去掉了外置同步控制器(LBS)

使得2台UPS真正相互独立，无任何关联，消除了传统双总线方案中LBS造成点的故障问题，供电系统可用性大大提高。与传统双总线供电方案系统图的比较见图7。

图7

与传统双母线方案相比，此方案去掉了LBS，同时STS尽量往最末端负载配置的原则来设计STS配置方案。STS配置在负载最末端，即负载机架上，直接为单电源负载提供2路电力保障，单电源供电的可靠性可达到99.999%。与集中STS供电方案相比较，即使STS故障，故障范围也可缩小到最小范围，不会导致大面积单电源负载中断。

传统双总线配置方法具有单路径故障点，如图8所示。

图8 传统双总线系统的单路径故障点

删除上图下部红色字，脚注改为小写

从上图可以看到，同步控制器R3是双路供电系统的单路径故障点，整个系统的供电可靠性决定与同步控制器R3的可靠性，实际配置中R3是没有冗余配置的。另外，由于2台UPS之间需用同步控制器来联系，则2台UPS系统间具有了不可避免的相依性问题，就像2台UPS并联时，当一台UPS故障时，也会影响到另外一台UPS。

由此可见，传统双总线方案并不是最好的供电系统，还是存在问题的。因此，我们为客户提供没有同步控制器的双母线供电系统，如图9所示。此方案消除了同步控制器单点故障的问题，同时2台UPS相互独立，也消除了UPS见相依性的问题。

图9

4.2 采用无需同步控制，也能实现不间断切换的机架ATS装置

中达ATS高度为1U，可直接安装在19英寸或21英寸机架上。并且可根据需要随时扩充。ATS采用先断后通的切换方式，可保证在无需同步的情况下，实现不间断的切换。ATS自带输出配电分路插座，可将服务器电源插头直接接入。

4.3 UPS单机可用性高

由于本系统为单机双母线，因此，每个母线是否具有容错功能显得十分必要。因为当一个母线出现问题时，若剩余的另一母线还具有容错能力，无疑会为整个供电系统带来更高的可用性。

实际上，台达HIFT UPS正是采用具有容错功能的UPS系统。其基于模块化N X冗余热插拔设计，能为客户带来能够的可靠性和最短维修时间。

4.4 整体系统的可用性非常优异

此方案的可靠性是传统方案的33倍。

⑴ 单母线内，UPS系统自身具有容错功能，坏掉一个或多个模块，UPS任可正常工作。

⑵ 就整个双母线系统来看，方案还具有系统架构上的冗余。

因此整体方案具有非常优异的高可靠性。

4.5 整个双母线系统运作效率最高，为客户带来最低的运营成本。

在双母线系统中,每台UPS带载量最大不超过总负载的量的50%，在加上UPS一般是按70%左右的带载量来配置，此时，每台的UPS的带载量不超过总负载的35%，因此，在如此低的负载情况下，一般UPS的效率是很低的，能达到86%都算是非常不错了。但台达HIFT UPS在30%负载时，效率即可达到94%，这样一年下来能为客户节省下来大量的电费。

假设功率120kVA，带载30%，UPS单台1年耗电量见表3。
(m.gDzrlj.com)

表3

我们可以看到，86%效率时，UPS的耗电量是94%效率时的2.55倍，耗电量41070度电，也就是说HIFT UPS一年能为客户节省约25000度电，而这还只是一年的电能，5年下来节省的电费便是10万度，按一度电1元计算，便是10元人民币。

4.6 UPS谐波消除装置采用最先进、高效的IGBT整流技术

采用的专利的IGBT整流技术，使HIFT具有了优异的输入特性，可为绿色产品的典范，输入功率因数≥0.99,输入电流谐波失真<3%. 是业界最高指标.该指标可为用户带来什么呢?可以使用户的输入电缆、空开、无功补偿柜、发电机的容量降低。降低了用户了整个系统的安装材料成本。一般6脉冲的UPS 需要配发电机的容量配比，按照经验值发电机容量需要比UPS大2.5~3倍之间才能正常工作。HIFT 只需要1.1∽1.3倍即可.

5 总结

传统UPS双母线供电系统中有的LBS或多或少都会对双母线系统带来故障隐患，甚至会成为供电系统的单点故障，本文所述的方案，有效去除了传统方案中的LBS，同时采用分散式ATS配置方案，将故障范围缩小到最小，大大降低了集中式STS故障面积大的风险。

另外，本文UPS采用了台达HIFT UPS，使得系统可用性更好，更加绿色节能。此方案主要有如下优势。

⑴ 母线具有冗余功能。采用高智能容错HIFT UPS 实现双母线,各母线上还有冗余功能。

⑵ 系统正常运行时,两路UPS直接向双输入负载设备供电。单电源负载则通过机架ATS切换提供一路正常UPS的电源供电。

⑶ 按实际负载容量运行,具有UPS自身还具有一定的冗余模块。

⑷ 更短的MTTR。各母线采用高智能容错UPS,具有冗余功能。

⑸ 更经济的总拥有成本。更低的运行成本,更低的扩容成本。