一体化机房供电系统的新理念

1 一体化机房供电系统的新理念 1.1 电力不足与电力灾难 2003年8月14日下午美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积停电，这次持续29个小时的大面积停电，不仅给5000万美国人和加拿大人的生活带来极大不便，而且造成300亿美元以上的直接和间接经济损失。 我国也面临着电力供不应求的尖锐矛盾与事故频频发生的严峻形势。今年6月我国电力部门已宣布，今年将发生严重的“电荒”，决定对24个省市自治区采取拉闸限电的措施来保证基本的电力供应。我们应从北美发生大停电的教训中得到警示，意识到自身电网存在的问题和隐患。 随着中国信息化建设的成熟，信息系统已经涵盖了各种系统，其中包括航空、气象、金融、通讯以及交通等重点行业，这些系统无疑是国家的关键基础设施，而电力系统则是维持这些基础设施不间断运行的必要保证。 显然，用户不可能左右整个电网的可靠性，但可以积极地做好自身小环境的电力保护，因此，用户自我保护是当前解决企业电力问题的现实之举，而UPS能够有效地解决停电事故和电力质量不稳定的问题，在美国、日本以及西欧等国家UPS已得到广泛应用。 现在用户已经认识到UPS和备用发电机(油机)的重要性。我国用户多采用长延时UPS，而国外用户多采用“UPS＋油机”的方式。事实上，UPS的电池与油机的初始成本相差不多，但油机后期维护成本更低一些，而UPS的电池则需要定期充放电，每隔几年需要更换，并且供电维持时间很难超过8h，而出现电力事故时，UPS的任务主要是承担从电力中断到柴油发电机起动的这段时间内的供电，保证电力供应不出现中断，而此后的供电应当交给发电机。 双路供电也是企业实现小环境电力保护的一种有效方式，但双路供电必须有来自不同配电站的电源供给。并且，机房的UPS还要有冗余的备份设备。 对企业小环境电源保护系统的配置，用户应考虑关键设备的主次之分。首先应保护最重要的关键设备，然后是相对次要的负载。并根据设备的重要程度选择适当的电力保护措施，避免不必要的投资，造成浪费。 1.2 不间断供电系统 自从计算机问世以来，对其供电系统的研究就成为保证计算机系统正常运行的重要课题。计算机类(计算机及其它IT设备等)设备对供电系统的要求是比较苛刻的，它不仅要求供电系统提供高质量的电源，保证供电的连续性，还要求提供相应的环境物理条件和必要的系统安全保证措施，供电系统应有很高的“可维护性”和“可管理性”，以及能够适应计算机和网络系统不断发展变化的“可扩展性”。 计算机和网络系统的供电以市电为主。影响供电质量的客观因素一方面是一个国家或一个地区的发电机总装机容量和配电水平、供电网络结构和配电设备以及维护管理自动化水平的落后，是供电质量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各种不同性质的负载，特别是一些大容量感性、容性、冲击性、非线性的负载，对电网造成污染，使电网电压的幅值变化、波形畸变、频率漂移；另外，自然或人为的原因，如地震、雷击、输变电系统断路或短路等，都会危害电力的正常供应，从而影响负载设备的正常运行。 当前，从全球经济模式及商务运作形式一直到人们的日常生活方式都在发生着巨大的变化，其中最明显的莫过于Internet(互联网)和E－Business(电子商务)的迅猛发展，全球网络、全球通讯、信息实时处理以及一年365天（8760h）的贸易，将逐渐变成日常生活中不可或缺的组成部分。在计算机网络系统中，所有的硬件加在一起的费用也只是全部网络费用的一小部分(约20％)，而大部分费用用在检查错误，服务器的重新启动，维护和更新以及数据重建等上面。从某种意义上讲，保护用户的数据比保护用户的网络设备更为重要。一个大型企业，深知自己成功与否取决于计算机，即使供电系统出现很短时间的故障，就可能出现如下的致命后果：有损形象；丢失合同；丢失客户；中止客户服务；产品积压；丢失运行的数据。一个网站宕机，一个潜在的用户在8s内离开，一个路由器宕机，局域网上可能有几百个用户无法工作；一个光纤室宕机，可能有几千个用户断开网络连接。 供电系统除了要向负载提供高质量的电源外，保证供电的连续性已经成为重要的不可缺少的功能，不间断供电系统(UPS)就是在这种形势下应运而生的。UPS供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程，在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，图1显示了这个变化过程。1993年以前着重追求对硬件的保护，1993年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。 1.3 一体化网络系统 随着网络应用的深入和用户需求的个性化，对UPS的应用要求呈现高可靠性、可管理性以及经济性并重的趋势，集不间断电源、机柜、电源管理、散热、电力电缆和数据布线为一体的全套电源供应与管理的“整体方案”可以大大便利用户的选购、安装、维护和扩容，降低日常管理、维护的成本。这种应用趋势演变为厂商之间综合实力的竞争，包含产品技术、方案提供以及现场服务等多方面的因素。 当前所说供电机房已不再是传统意义的UPS设备，而是网络关键物理基础设施的体现，它是一套集成系统，UPS设备只能说成是该系统的核心部件。 由于UPS和EPS（应急电源）等电源保障系统是支持大型电脑、电子设备、电机设备系统的，这些系统要有集中测控的设备来监控整个过程的运行。10年前电源保障比较简单，只是单机单元进行监视与维护。后来随着系统愈来愈大，所用的UPS容量也愈来愈大，并要求高可靠性。例如民航导航与空管站的UPS，要求有两套来自不同电网的功率均分并机系统，两台UPS再并机，即用双总线系统来保证高可靠性与高可用性。如一台UPS出故障，可由并机的另一台承担。一路市电出问题，还有另一路市电来承担。与此同时还要求能监控每一块电池，对发电机组也需监控，对电机的起动电池也得监控。于是电源就成了一个与负载——电脑设备、电子设备、机电设备同等重要而复杂的系统。当然，技术上是可以解决的，但最终受限于成本和价格。于是电源网络化与IT化结合起来，形成“电源、发电机、电池及被保护的电脑、电子、机电”网络一体化的系统。也就是把UPS、EPS、电池、发电机，与被保护的电脑、电子、机电系统看作是一个整体。即“电源、电池、电机、电脑、电子、机电”的“六电一体化网络系统”。 只顾眼前利益忽视安全要求是非常危险的。近来报道的一些厂矿事故、城市火灾、坍塌事故等乃是这种意识的严重后果。对于“六电一体网”的建设绝不是一个把UPS、EPS、电池、电机与被保护的电脑、电子(如雷达、导航、通信)、机电设备(自动化系统)简单地接在一个Ethernet（以太网）上就行了。还要保证物流、能流、人流与信息流能够充分地流动起来。 2 UPS与EPS的应用特点 2.1 常用型UPS的特点及功能 U PS按其设计原理与工作方式可分为离线式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS三种。 离线式UPS亦称后备式UPS，以小功率（5kVA以下）为主，主要对市电进行滤波、稳压调整，以便向负载提供更为稳定的电压，同时通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内，一旦电力中断、电网电压或电网频率超出UPS的输入范围，可在极短的时间内(几ms)开启自身的储备电源，向负载供电，此类UPS的特点是转换效率高、易于维护且价格低廉，为绝大多数中小功率用户电源保护的首选。 在线式UPS以中大功率(5kVA以上)为主，逆变器始终处于工作状态，与用电设备同时运行，在供电状态下的主要功能是稳压和防止电压波动和干扰，避免负载遭到长期低品质电力的侵害，一旦市电中断，UPS中的逆变器会利用机内蓄电池所提供的电能来维持负载的正常运转，供电转换时间为零，真正实现了不间断供电。该类UPS供电质量高，但价格昂贵。 在线互动式UPS以网络使用为主，它结合了离线式效率高和在线式供电质量高的特点，与离线式UPS相比切换时间短。 一台UPS应该包括传统意义上的以下环节和功能：能在各种复杂的电网环境下运行；在运行中不会对市电产生附加的干扰；输出电性能指标应该是全面的、高质量的，能满足负载的各项要求；UPS本身应具有很高的效率，有接近实际市电的输出能力；是一台智能化程度很高的设备，有高度智能化的自检功能，自动显示、报警、状态记忆功能，以及通讯功能；UPS不仅向由它直接供电的各种硬件设备提供全面的保护，在互联网时代，还应该向他们所运行的软件以及数据传输途径提供安全可靠的保护，可配置相应的电源监控软件，使其具有远程管理能力，使用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控和数据通讯操作。 2.2 UPS与网络和数据密切相关 随着技术的发展，现在的UPS，特别是中大型UPS，不只是一台停电后可以继续向负载供电的整机产品，而且已成为一个小型的，或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。在网络化时代，UPS已经成为一个高度智能化的设备，它对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面的保护，使之成为不间断网络。 它具有如下技术特性。 2.2.1 高可靠性 具有能在365天(每天24h)连续提供高质量输出电压的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断或停电事故，也不允许出现由市电经交流旁路直接向负载供电的局面。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求： 1）UPS单机本身的故障率低，目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)可达（2～4）×105h； 2）采用具有高度容错功能的“N＋1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性〔“1＋1”型冗余并机系统的典型MTBF值可达