提高UPS供电可靠性的创新方案

1、提高UPS供电可靠性创新方案的进展报告中国移动浙江网管中心 一、现状概述：近年来，随着通信业务和通信技术的迅猛发展，通信网络规模越来越大，越来越多的数据设备在通信系统中被广泛使用。目前在网运行的数据设备中除部分设备采用48V直流供电方式外，绝大多数数据设备（包括小型机、服务器、交换机、路由器、防火墙和磁盘阵列等）均采用UPS交流供电方式。随着公司进一步深化“集中化”运维体制改革，各种业务网网元、IDC、BOSS等大量的高功率密度数据设备（按目前实际测算，部分机房的耗电功率密度已高达8001000W/m2）被集中安装在一起，单一楼层机房UPS供电所需功率达到8001000KVA的情况已开始出现。

2、同时，随着这些数据设备提供业务的重要性日益提高，其供电电源的不可用度指标要求也相应需要大幅下降，在信息产业部的通信局（站）电源系统总技术要求（YD/T1051-2000）中对通信枢纽楼的48V电源系统的不可用度指标为5×10-7，即每个电源系统平均20年内允许有累计5分钟的故障失效时间；而对UPS供电系统的不可用度指标只是要求5×10-6，即每个电源系统平均2年内就允许有累计5分钟的故障失效时间。然而，该标准中，对UPS的供电可靠性要求是在UPS供电仅用于业务支撑系统和非关键业务的背景下提出的，如果在目前各重要业务网设备（甚至关键业务网）普遍采用UPS供电的情况下，继续延用

3、该可靠性指标，则这些设备提供的业务将无法达到和48V电源供电的通信设备一样的网络质量标准，更达不到公司提出的打造卓越精品网络的要求。基于这样的通信网络现状和网络质量要求，为其提供电源的UPS供电系统，对可靠性的要求是异常苛刻的，UPS供电系统需要具有能365d×24h/d连续提供安全、稳定、可靠的50Hz无污染正弦交流电的供电能力。（一）目前普遍采用的“11”UPS冗余并机系统的特点及其问题目前在中国移动浙江公司的UPS供电系统中，几乎全部采用“11”冗余并机的供电方式：系统配置两台相同型号和相同容量的UPS单机，通过各种并机方式，将两台UPS的输出直接并联而形成并联冗余供电系统。相

4、对于单机系统，“11”冗余并机系统的可靠性得到了很大的提高，但这种供电系统仍然有不少缺陷：1. 可靠性要求达不到核心网网元设备的供电要求虽然UPS单机的平均无故障时间已经很高，目前大型UPS产品的平均无故障工作时间（MTBF）大约为（24）×105h，假设故障恢复时间为2小时（这已经是非常顺利的情况了），则单机不可用度(t)约为（510）×10-6，以Powerware 9315系列为例，MTBF为3.6×105h，即单机不可用度(t)约为5.6×10-6，显然无法达到YD/T1051-2000中对UPS系统不可用度(t)5×10-6的可靠性要

5、求，如恢复时间超过2小时则更甚。采用“11”UPS冗余并机系统后，当然将进一步提高UPS供电系统的可靠性。根据系统可靠性分析，一般“11”冗余并机系统的典型MTBF值为单机MTBF的5.5倍，即可达（1.12.2）×106h，不可用度(t)约为（0.911.82）×10-6，Powerware 9315系列“11”冗余并机系统的MTBF为1.97×106h，即不可用度(t)约为1×10-6；“N1”冗余并机系统的典型MTBF值与单机MTBF的倍数关系见表1，可以看出，采用“11”（或“N1”）冗余并机系统后（一般N应3），系统可靠性得到了提高，达到了YD

6、/T1051-2000中对UPS系统的可靠性要求，但仍然无法达到YD/T1051-2000中对48V电源系统的可靠性要求。表1：“N1”冗余并机系统的可靠性多机并机方案11并机系统21并机系统31并机系统41并机系统51并机系统61并机系统UPS并机系统的算术总输出功率余量200%负载功率150%负载功率133%负载功率125%负载功率120%负载功率116%负载功率UPS并机系统的MTBF为UPS单机的MTBF的倍数5.5倍4.1倍2.9倍2.1倍1.5倍1.05倍2. 维修期间的安全性得不到保障尽管UPS“11”冗余并机系统的平均无故障时间MTBF越来越长，但仍然不可能保证是“零故障”。当

7、“11”冗余并机系统中某台UPS出现故障时，将由单机承受所有负载功率，虽然一般使用单位都会要求负载功率必须控制在单机满容量的80以内，但从开始单机运行到维修工程师到达现场，直至维修完毕将故障机重新并入系统为止的时间段内，系统仍为危险期：一旦单机运行失败，系统将旁路至毫无“安全保障”的市电，所有关键性负载都将由低质量的市电或油机电源直接供给，这对通信网络的安全运行带来严重“故障隐患”；另外，维修后的UPS单机需要与原运行单机重新并机时，如果隐含故障并未完全排除，则在故障单机切入供电回路的瞬间，很可能出现由于两机不同步而产生的环流（交流并联需要两路交流电的电压幅值、输出相位、电源频率实时相同，三个

8、参数中任意一个出现偏差都将导致环流的产生），而一个足够大的环流就可能导致UPS逆变器损坏，并且同时可能造成输入电流异常增大而使输入开关跳闸，则UPS系统将中断所有输出。3. 仍然存在“单点瓶颈”虽然目前采用的“11”冗余并机系统在输出回路中也采用“双路由”供电，但由于其“双路由”仍由同一套“11”冗余并机系统输出，而且一般这种系统的两台UPS主机输入要求来自于同一路电源，所以一旦系统中的输入开关、输入转换开关、输出并机开关、输出配电屏等“单点瓶颈”出现故障或某种人为因素，仍可导致“双路由”同时中断而造成所供通信设备退服。4. 系统扩容所引起的割接风险无法避免随着网络规模的不断扩容，UPS系统的

9、扩容割接也不断增多，虽然我们通常用新老2套“11”UPS系统串联同步的方法来进行不断电割接，但在割接过程中若存在操作失误或施工不当，则造成供电中断的可能性会相当大；尤其在割接开始和结束时，由于需要进行逆变转旁路和旁路转逆变的状态转换，加上此时系统会遭受负荷剧变，一旦系统转换失败也将造成不可挽回的损失。由此可以看出，“11”UPS冗余并机系统仅解决了提高UPS自身的MTBF，即降低UPS供电系统由于UPS自身原因的故障率，但并没有解决由于UPS冗余并机系统的输入、输出装置及供电线路等发生的问题，如配电设备故障、断路器跳闸、熔断器烧毁、蓄电池早期失效和供电电缆故障等原因，也不能十分完美地解决UPS

10、供电系统的可维护性问题，这是“11”UPS冗余并机系统自身无法克服及完善的问题。根据美国对大型IDC机房UPS供电故障的统计，79的故障来源于UPS输出端与负载之间的供电线路（例如：熔断器烧毁，断路器跳闸或不慎“短路”等），11的故障来源于UPS机组及电池组，其它故障占10左右。显然仅仅提高UPS系统自身的MTBF对于解决UPS供电的安全问题是远远不够的。（二）UPS供电的通信设备现状及其要求根据2006年中国移动浙江网管中心对交换、智能网、短信、GPRS、互联网、支撑等专业408台套采用UPS供电的数据通信设备进行的电源配置情况调查，其中数据通信设备自身为双机系统的有220台套，占总数的53

11、.9，双机系统中有主备用电源（2路或4路）的有124台套，占双机系统设备数的56.4，双机系统中有“21”冗余电源的有8台套，占双机系统设备数的3.6；数据通信设备为单系统运行的有188台套，占总数的46.1，单系统设备中采用主备用电源（2路或4路）的有67台套，占单系统设备总数的35.6，单系统设备中采用“21”冗余电源的有3台套，占单系统设备总数的1.6，单系统设备又采用单电源供电方式的有118台套，占单系统设备总数62.8，占数据通信设备总数的28.9，而这其中网络连接设备为57台，占单电源供电方式的有118台套中的48.3。按目前的供电方式，一旦“11”冗余并机UPS系统在单点瓶颈上发

12、生中断或瞬间供电中断，将会影响该UPS供电系统下所有的负载。一般来说，绝大多数数据通信设备（服务器、交换机、路由器、网关、磁盘阵列和其它通信设备）所允许的瞬间供电中断时间为0.010.02秒左右，若供电电源出现瞬间供电中断（>0.02秒的瞬间停电）故障就会导致通信网络设备退服或莫明其妙的“开机自检”，从而导致“网络瘫痪”发生。这种情况在UPS处于市电旁路和UPS输出端出现严重过载或发生短路故障时（因分路断路器未能及时分断故障分路）会较多的出现。表2：通信设备电源配置情况统计设备备份及供电情况主备用电源供电设备“21”冗余供电设备单电源供电设备有系统备份的网络设备124888无系统备份的网

13、络设备673118小计19111206与设备总数的占比46.8%2.7%50.5%二、UPS供电可靠性创新方案及其特点本创新方案是采用了冗余式双总线“11”（或“N1”）UPS供电系统，就是指由两套完全独立的“11”UPS冗余并机系统或“N1”UPS冗余并机系统为核心，构成双总线输入、双总线输出的冗余式UPS供电系统，我建议具体结构采用如图1所示的方式。图1中，1#和2#变压器分别引自两路10kV高压，输出400V低压交流电。其中，1#变压器通过进线断路器K1连接至1段低压母线，2#变压器和备用柴油发电机组通过ATS开关切换后再通过进线断路器K2连接至2段低压母线，K1和K2与母联开关K3配合

14、（电气或机械联锁）可保障两段0.4kV配电母线上均能供出市电或备用油机电。正常情况下，母联开关K3断开，两段母线分别由两台变压器供电；当其中一路市电中断时，通过母联开关使两段母线均由1台变压器供电；两路市电全部中断时，由柴油发电机组通过ATS开关和母联开关向两段母线供电。1#和2#两套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统的主路输入和旁路输入分别通过断路器接至1段和2段母线段。分析可知，按这样的输入配置，任何一套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统出现输入过载或短路导致主路输入断路器跳闸，一般都不会导致相应的旁路输入断路器同时跳闸，即使旁路输入断路器也跳脱，甚至导致进线断路器跳闸，也不会

15、影响另一套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统的正常输入。1#和2#两套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统分别由2台（或N1台）UPS单机组成，每套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统中的UPS单机通过并机柜中的断路器进行并联输出，再由1#和2#两套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统组成冗余式双总线输出UPS供电系统。图1中，对于所有具备主备用输入电源（2路或4路）的通信设备，主用电源和备用电源分别从两套“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统的输出屏取得电源；对于通信设备本身具有备份功能的双系统单电源设备，则主备用系统的电源分别从1#或2#“11”或（“N1”）UPS冗余

16、并机系统的输出屏取得；对于采用“21”冗余电源的通信设备，则分别从1#或2#“11”或（“N1”）UPS冗余并机系统的输出屏取得两路电源，另一路电源从独立于1#或2#“11”或（“N1”）UPS冗余并机系统的另一个“11”或（“N1”）UPS冗余并机系统的输出屏上取得；对于单电源供电的单系统通信设备，则在保证负荷平衡的要求下分别从1#或2#UPS冗余并机系统的输出屏取得。这样，当其中某一个“11”（或“N1”）UPS冗余并机系统发生供电中断时，有主备用电源供电的或采用“21”冗余电源的通信设备仍能继续正常工作；有备份系统的单电源通信设备则由于分别接在不同的UPS系统下，仍有一个系统可以正常工作

17、，对业务应不产生影响；而对于重要性相对不高的单电源单系统通信设备（占数据通信设备总数的28.9），不采用通常推荐的STS切换后供电的方式，避免造成两个系统间的相互关联，降低其可用度指标，但由于机柜内有2路UPS电源，可以在很短时间内把电源插拔到正常的供电系统上，也大大缩短了通信设备的切换启动时间。从以上分析可以得出，冗余式双总线“11”UPS供电系统具有以下优点：（一）轻而易举达到核心网网元设备对供电的可靠性要求我们已经知道，一般“11”冗余并机系统的典型MTBF值为（1.12.2）×106h，不可用度(t)约为（0.911.82）×10-6；而“N1”冗余并机系统的典型M

18、TBF值可达（24）×n×105h（n为表1中的对应倍数），不可用度(t)约为（510）/n×10-6，以Powerware 9315系列“21”冗余并机系统为例，MTBF为1.48×106h，不可用度(t)约为1.36×10-6。我们也知道，对于两个完全独立的系统，同时不可用的概率是两个系统不可用度的算术积，而“11”冗余并机系统的不可用度并不符合这个规律，主要原因是两台UPS之间有很多相互关联的割集，如：同一个输入电源、有共同的并机柜、并机控制系统等等，而冗余式双总线UPS供电系统由于其2套“11”或（“21”）UPS冗余并机系统之间再无单

19、点瓶颈，相互隔离性很高，会同时影响2套系统的只有类似于自然灾害、战争、灾难性市电中断且油机不能供电、火灾等因素，虽然其同时不可用度(t)同样不能采用2套系统不可用度的算术积，目前也尚无相互间可计算的量化依据，但其MTBF与“11”冗余并机系统的倍数显然会比5.5倍高几个数量级，MTBF轻易可达到1.48×108h，不可用度约为1.36×10-8，远远超过D/T1051-2000中对48V电源系统的可靠性要求。（二）消除了存在的“单点瓶颈”，使维修、维护、割接等因素引起的安全隐患得到了保障冗余式双总线UPS供电系统消除了可能出现在从低压配电系统到UPS冗余并机供电系统的输出端

20、，再到最终的网元设备电源输入端之间的各种配电线路中由于输入开关、输入转换开关、输出并机开关、输出配电屏等各种设备、器件、线缆等因素所可能存在的单点瓶颈故障隐患，从而为核心网元能获得极高可用性的电源供应奠定坚实的运行基础。由于冗余式双总线UPS供电系统的单点瓶颈被消除，当其中一套“11”冗余并机系统中某台UPS出现故障时，除了单机仍能继续向负载供电外，另一套“11”冗余并机系统将承担起供电可靠性的保障，即使维修过程中出现冗余并机系统输出中断，也不会引起网元退服。图1 双总线UPS冗余并机系统结构图采用冗余式双总线UPS供电系统以后，UPS系统的扩容割接变得非常简单，更不需要采用新老2套“11”U

21、PS系统串联同步的方法来进行不断电割接，只要把需割接的部分负荷单侧断电割接即可，割接变得简单快速（已实践证明）。总的说来，冗余式双总线UPS供电系统具有高可靠性、高容错能力、高可用性，这些优点使其能比较完善地解决UPS系统的可维护性问题并具备了抗天灾、人祸的能力。三、目前普遍采用的“11”冗余并机UPS系统和冗余式双总线“11”（或“21”）UPS系统配置模式及投资比较（一）目前常用的250KVA“11”冗余并机UPS系统的配置模式UPS主机：Powerware 9315系列250KVA×2台UPS并机柜：Powerware 9315系列400A并机输出开关柜×1台输入配电

22、屏：输入：Asco 7ATSC31000H5×1只，输出：NS630/500A×5路输出配电屏：输入：NS400/400A×3路，输出：NS250/250×4路，NS160×2路备用电池组：GNB Sprinter S6V740×4组×70只（二）采用冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统的配置模式UPS主机：Powerware 9315系列400KVA×2台×2套UPS并机柜：Powerware 9315系列630A并机输出开关柜×1台×2套输入配电屏：输入：Asco 7AT

23、SC31250H5×1只，输出：NS800/800A×5路×2套输出配电屏：输入：NS630/630A×3路，输出：NS250/250×6路，NS160×4路×2套备用电池组：GNB Sprinter S6V740×4组×70只×2套（三）采用冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统的配置模式UPS主机：Powerware 9315系列400KVA×3台×2套系统旁路柜：Powerware 9315系列1200A系统旁路柜×1台×2套输入配电屏：输入

24、：Asco 7ATSC31600H5×1只，输出：NS800/800A×4路MT12H1×2路×2套输出配电屏：输入：MT12H1×2路，输出：NS250/250×14路，NS160×8路×2套备用电池组：GNB Sprinter S6V740×6组×70只×2套表3 三种配置模式的投资情况比较配置模式配置组成250KVA“11”冗余并机UPS系统冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统配置情况价格配置情况价格配置情况价格UPS主机P

25、owerware 9315系列250KVA×2台472790×2Powerware 9315系列400KVA×2台×2套625204×4Powerware 9315系列400KVA×3台×2套625204×6UPS旁路柜/Powerware 9315系列1200A系统旁路柜×1台×2套389850×2UPS并机柜Powerware 9315系列400A并机输出开关柜×1台78498×1Powerware 9315系列630A并机输出开关柜×1台×

26、2套90718×2Powerware 9315系列1200A并机输出开关柜×1台×2套94918×2输入配电屏输入：Asco 7ATSC31250H5×1只，输出：NS630/500A×5路183260×1输入：Asco 7ATSC31250H5×1只，输出：NS800/800A×5路×2套218260×2输入：Asco 7ATSC31600H5×1只，输出：NS800/800A×4路MT12H1×2路×2套374916×2输出配电屏输

27、入：NS400/400A×3路，输出：NS250/250×4路，NS160×2路56865×1输入：NS630/630A×3路，输出：NS250/250×6路，NS160×4路×2套80565×2输入：MT12H1×2路，输出：NS250/250×14路，NS160×8路×2套187890×2备用电池组GNB Sprinter S6V740×70只×4组，电池开关，电池架（2530×704000）×4+7000

28、15;2GNB Sprinter S6V740×70只×4组×2套，电池开关，电池架（2530×704000）×8+7000×4GNB Sprinter S6V740×70只×6组×2套，电池开关，电池架（2530×704000）×12+14000×6合计（元）200260347847027323872表4 三种配置模式下不同负载情况的带载能力及单位功率投资情况比较负荷情况250KVA“11”冗余并机UPS系统冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统冗余式双总线400K

29、VA“21”UPS供电系统投资成本（元）200260347847027323872最大允许负荷KW（100%为双电源设备）160304576单位功率投资（元KW）125161573912715单位功率投资增加率0%26%2%最大允许负荷KW（75%为双电源设备）160347658单位功率投资（元KW）125161378911130单位功率投资增加率0%10%-11%最大允许负荷KW（66%为双电源设备）160366693单位功率投资（元KW）125161307310568单位功率投资增加率0%4%-16%最大允许负荷KW（50%为双电源设备）160405768单位功率投资（元KW）125161

30、18149536单位功率投资增加率0%-6%-24%（四）投资产出分析表3是三种UPS供电系统的配置情况和设备投资情况，其中250KVA“11”冗余并机UPS系统为实际采购价，冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统和冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统为根据配置情况的估算价，需要说明的是冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统和冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统的价格已经是各包含了两套400KVA“11”（或“21”）冗余并机UPS系统的价格。根据各种不同配置的情况，三种UPS供电系统的带载能力也是完全不同的。为保证UPS系统能可靠稳定的运行，一般规定250

31、KVA“11”冗余并机UPS系统的最大允许负荷为160KW，主要考虑为通信设备负荷功率因数为0.8，单机工作时的容量冗余度为0.8。而采用冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统时，通信设备负荷功率因数0.8仍需照常考虑，但是，单机工作时的容量冗余度可以考虑到0.95左右，即单侧“11”冗余并机UPS系统的最大允许负荷可达到304KW，因为，出现同时3台UPS主机宕机的概率已经非常非常小。采用冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统时，考虑到最小正常运行模式是单侧的2台UPS主机正常运行，则工作时单机的容量冗余度可以考虑到0.90左右，即单侧“21”冗余并机UPS系统的最大允许负荷

32、可达到576KW。那么，冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统和冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统的实际带载容量是不是就是304KW和576KW呢？答案是不！因为对于由2套“11”冗余并机UPS系统组成的冗余式双总线“11”UPS供电系统来说，只有在所有负荷通信设备都是双电源（或四电源）时，其系统总带载容量才等于单侧“11”冗余并机UPS系统的带载容量（因为双电源设备在一侧电源中断后，所需功率需由另一侧来提供）；如果实际负荷中有一部分是单电源设备，则系统总带载容量就会超过单侧“11”冗余并机UPS系统的带载容量，其原因就是，单电源设备在一侧电源中断后，所需功率不会转嫁到另一

33、侧UPS系统上去。例如：假设负荷中有50的单电源设备，其余为双电源设备，并且单电源设备均匀分布在冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统的两侧，则实际上系统单侧可带202KW的负载，即101KW的双电源负载和101KW的单电源负载，即正常情况下，两侧各带202KW的负载，当其中一侧“11”冗余并机UPS系统供电中断时，仅有101KW的双电源负荷转到了另一侧，即一侧的负荷总量达到303KW，这显然是小于单侧“11”冗余并机UPS系统的最大允许负荷的（304KW），此时，系统的实际总带载容量为404KW。表4是不同负载情况下，三种UPS供电系统的的带载能力及经济分析，可以看出，在目前的负荷情

34、况下（约50%66%负荷为双电源），采用冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统的单位功率投资与采用250KVA“11”冗余并机UPS系统的单位功率投资大体相当；若采用冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统模式则比采用250KVA“11”冗余并机UPS系统模式还省24%，所不同的是采用冗余式双总线400KVA“11”（或“21”）UPS供电系统的初期投资会增大，但与其提供的高可用度相比，应该是非常值得的。（五）电池后备时间分析目前常用的250KVA“11”冗余并机UPS系统的电池后备时间是按照一台UPS故障情况下，满负荷单机支撑30分钟设计的，即交流输入中断（市电中断，油机不能供

35、电）后可继续供电30分钟。实际运行中，若UPS不发生任何故障，系统可提供80分钟左右的后备时间，单机时可支撑38分钟左右。采用冗余式双总线400KVA“11”UPS供电系统后，电池延用原配置，即单侧配置4组200Ah电池；而冗余式双总线400KVA“21”UPS供电系统则单侧配置6组2000Ah电池。表5列出了系统出现UPS故障情况下，电池的后备时间（按电池容量进行计算）。可以看出，在UPS无故障或同时故障台数2台的情况下，蓄电池的后备时间完全满足原设计要求。表5 不同配置模式下电池的后备时间UPS配置模式满容量功率无UPS故障1台UPS故障2台UPS故障3台UPS故障4台UPS故障250KVA“11”冗余并机UPS系统160KW8038/冗余式双总线400KVA“