论通信机房端到端双电源交流输入的相关设计问题-4535

1、论通信机房端到端双电源交流输入的相关设计问题（江苏省邮电规划设计院有限责任公司 唐为民、徐钦）摘要：随着通信数据机房设备的逐渐增加和单位面积功耗的增加，设备宕机导致的成本逐渐增加，这就必然要求交流供电的可靠性进一步提升。目前各通信机房UPS也由双机冗余并联系统升级到UPS双母线工作方式，不但如此，还在UPS输入端采用了双电源自动切换（ATS）来实现UPS输入电源的可靠性，从该套系统的可靠性来讲，其可靠性可达到99.99999%，但不可避免任何系统可靠性的提升也是建立在设备的可靠性和系统配置方案可靠性基础上，本文针对数据机房采用端到端双电源输入的系统方案存在的一些问题进行分析。关键词：UPS双母

2、线，ATS切换一、 前言随着数据机房特别是大功率数据机房（IDC、BOSS机房）的逐渐增加，对电源系统提出了更高的安全需求，需要交流UPS系统能够提供安全的、稳定的、可靠的365天×24小时“全天候”的无中断的、优质的电源服务，为此各运营商也在执行相关的管理规定和标准规范，制定了如双母线UPS供电方式，输入采用ATS切换等要求，这些管理规定的制定有利于大楼供配电系统的安全稳定运行，但在运行同时也带来了一些相应问题，本文就UPS双母线系统运行中可能碰到的相关问题进行探讨，希望有利于提高系统的安全运行。二、 UPS双母线的工作原理和使用UPS双母线的提出得益于大功率数据设备的启用，其故障

3、宕机的成本逐渐增加，特别是目前用户对数据设备的可靠性提出了很高的要求，哪怕是很短时间内的宕机也会导致较多的经济损失。此外，数据机房设备的增加导致UPS增加较多，包括输入配电屏、电池开关柜、UPS输出屏等系统越来越复杂，给用户的操作维护带来很多的问题，也是对现有双机冗余并联UPS的可靠性提出质疑从而催生了UPS双母线的诞生，双机冗余并联UPS主要的问题有以下集中：（1） 本身元器件的可靠性得不到保证，特别是静态旁路的可靠性得不到保证；（2） 串联电路的可靠性，我们知道双机冗余的UPS的输出屏和输入屏都是采用单路输入，都不可避免存在单点故障；（3） 人为操作失误，这点在实际维护越来越重要。上述所有

4、问题的发生都可能导致系统宕机和设备故障，为此提出了UPS双母线的工作方式，其工作原理图如下图：在UPS双总线系统中，系统I由UPS1供电，系统II由UPS2供电。平时，系统I与系统II分别带自己的负载，对UPS供电的负载而言，共存在着二种情况：（1） 双电源输入的设备负载双电源负载由系统I和系统II共同承担供电任务，当某一套UPS出现故障或者其对应的输出屏、输入屏出现故障时，另1套UPS可单独对设备供电，从而保证设备的不间断运行。（2） 单电源输入的设备负载对于单电源负载，由于其设置的原因（可靠性要求较低，否则应设置双电源），可提供两种供电解决方案，第一种就是将该负载直接接到某一套UPS上，不

5、能提供双总线UPS交流电源，其可靠性稍微有所降低；第二种就是在设备输入端增加STS开关（静态开关），STS提供2个输入，分别接到系统I和系统II，当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆发生故障或需要维护时，其负载可经静态转换开关切换至另一个系统供电，由此，做到了点对点的冗余，极大增加了整个系统的可靠安全性。考虑到数据设备的重要性，目前运营商在重要数据机房优先采用了上述方案，对于双电源负载的供电可采用2个交流列头柜来分别取电，而对于但电源输入往往会采用一路供电方式，较少采用STS工作方式。其优点不言而喻，提高了系统的可靠性。三、 UPS输入ATS的原理和使用上述讲到UPS双母线只是对于双电源负

6、载的一点建议，实际上对于UPS输入如果还是采用1个交流屏分配输出至2套UPS的话，其输入端还是存在单点故障的发生，不能是完全意义上的端到端双电源输入，从而就产生了双电源柜（需要从不同的两路市电引入），不论是采用手动切换还是自动切换，其功能是一样的，本文以下所讲内容均是以自动切换方式为例来分析，其优点主要有：（1） 提高了UPS输入的主备用，保证了输入端供电的可靠性；（2） 结合UPS双母线的工作方式实现了从大楼市电到供电设备端的真正意义上的端到端供电；（3） 对于多套双母线UPS的供电有利于平衡2台大楼变压器的负载；（4） 关键的是可以有利于大楼配电系统的改造，随着通信机房设备的增多，在设计过

7、程中往往碰到大楼变压器低压端端子容量的情况，需加以改造或更换，而单输入的配电屏给配电改造带来了很多弊端，系统的后备时间不一定能够满足改造需求，而相反如果采用了ATS切换即使1台变压器改造的话，可以将该负载倒到另一台变压器，可以有足够的时间进行改造。从大楼的整体系统可靠性角度，ATS作为楼层的一个重要环节同时也作为低压配电的最后一个分支就显得异常关键，在运营商的系统设计中楼层总配电柜均采用了双电源输入。四、 系统中存在的问题正规的一个完整可靠性较高的系统可如下图：其可靠性可提高的99.99999%，但是我们不可否认，在实际设计和维护中会碰到一些问题，如下进行分析：（1） 双电源切换元器件（ATS

8、）的可靠性从上述图纸可看出，楼层的可靠性最关键的部分是ATS的可靠性，它起到承上启下的作用，其可靠性直接决定系统的可靠性，虽然各厂家提出各种有力数据来佐证其可靠性，但据了解还是有这样和那样的问题（零点切换等问题），特别是对运营时间较长、质量欠缺的产品运营商的动力主管更是担心其可靠性。但即使存在这样和那样的担心，但也没有一定的办法来解决，只能寄希望其可靠性。（2） 双电源UPS的负载平衡性从上述UPS系统图可看出，对于双电源负载可分别从两套不同的UPS引入电源，对于单电源输入的数据设备就接到一套UPS上，这样就必然导致2套UPS系统负载不平衡，而往往在设计阶段UPS容量会放大，对于早期运行的UP

9、S系统可能看不到这些问题，但对于后期随着设备的逐渐增加，系统负载率不断提升，每套UPS负载能够达到80%左右，假设有2套UPS系统（简称A系统和B系统，容量均为200KVA），后期各套UPS负载为80%和70%（假设UPS负载预警线为80%），则A系统负载为160KVA，B系统负载为140KVA（实际情况因为负载的不平衡造成），这是可能导致以下两个情况的发生： 后期新增负载（双电源负载）敢不敢接入系统中，怎么接入到系统中？因为假设新增负载10KVA，如果双电源是平衡的话，则A和B套系统各新增5KVA，而此时A套系统已经超过预警线，而B套确可以再增加10KVA，这就必然带来一定的问题，可能就不会

10、新增。但是如果将该负载直接加到B套UPS中虽然能够满足容量的需求，但又不能起到真正意义上的UPS双母线供电。 假设此时A系统宕机，此时A系统所带负载将会转移一部分该B系统，虽然目前没有一个详细的数据转移多少（各厂家的数据也不尽相同），如果转移负载超过10%的话，B系统负载率达到预警线，如果转移更多的话B系统将超载（虽然短时间内B系统UPS容量可以达到400KVA），但是在系统设计中包括前端的UPS输入屏容量和后端的UPS输出屏容量均是根据200KVA来设计的。（3） 数据机房改造UPS的负载平衡性问题我们对于新建的数据机房采用双母线UPS方案基本上采用的是两套容量一致的UPS，但如果是改造的数

11、据机房需要采用UPS双母线，由于前期建设的UPS容量都不一致，对于UPS的负载平衡性更需要关注，一旦1台大容量UPS宕机话，该套UPS负载进行转移，可能会导致另一套小容量UPS也跟着宕机，系统可靠性反而下降。（4）2套UPS后备电池的互用在系统中往往UPS后备电池是根据每一台单机来选择，如后备时间为30分钟也是表示每一台单机满负载后备时间半小时，但实际上考虑到系统的负载率和容量系统，其实际系统放电时间要达到2小时以上。而如果系统中1套UPS系统出现宕机，能否将该套UPS的后备电池挪到另外一套UPS中呢?五、 设计中应解决的问题和解决方案针对上述双母线UPS存在的这些问题，提出如下的解决方案：（

12、1） ATS可靠性问题根据ATS和UPS输入之间的配置可以提出如下两个方案： 针对ATS输入屏带双母线UPS的情况，为避免ATS的故障，可将UPS的静态旁路接到ATS输入端，当ATS出现故障时，即时电池后备时间有限，也可即时倒到旁路工作。但是该旁路需要保证接入同一个电源系统，可极大提高系统安全性，可参照下图： 针对大容量的双母线UPS系统，机房可能会采用2架ATS输入总屏，其中每个ATS总屏给1套UPS系统。如果采用（2）的方案，则大楼配电房可能又需要再增加几个输出分路，针对目前分路较为紧张的配电房其方案有待商榷。本方案将2套UPS系统主输入和旁路输入分别从2架不同的ATS输入屏引接电源，具体

13、配电结构图如下图：但考虑到本系统一旦某一个ATS出现故障时，剩余的ATS需要将2套UPS系统负荷全部带起来，这就必然需要ATS的容量和ATS输入电缆、开关需要增大一倍。（2） UPS负载平衡问题这个问题在实际工程中会经常碰到，也是困惑运营商一个重要的因素，特别是对于多套UPS同时运行的情况，必然会导致一套UPS负载大，另一套UPS负载小的情况，而往往我们在关注UPS运行负载时会更多关心的是负载大的UPS，导致负载小的UPS剩余容量也不能充分使用。针对这些问题我们也结合工程施工和维护方面的经验提出以下几个解决办法： 要求重要负载均采用双电源输入，避免单电源输入和三电源输入设备的较多使用：针对重要

14、负载各厂家在设计电源供电时往往也会考虑到其冗余性，配置2端口的输入，而对于非重要负载可能会存在单电源输入的情况，可结合配套使用，2个单电源输入的数据设备成套一对，分别接到A系统和B系统，可有效缓解2套UPS负载平衡问题。 针对每一期工程要做好详细备案，查勘时要针对2套UPS系统实际负载率提出合理设计方案：虽然可能每一期工程数据项目上马设备较少，对2套UPS的容量和系统结构不会产生多少影响，但以少积多，当后期设备增加较多时，2套UPS的负载率将感觉明显差异，而此时及时调整也调整不起来了。所以在每一期工程的设计中，特别针对单电源负载一定需要和其他单电源负载一起成套接入系统中。 针对1套UPS故障后

15、会转移负载的问题建议早期配置UPS容量适当加大，或者其预警线负载适当降低，现在各运营商在UPS负载的预警线一般为70%左右，即使转移负载为20%，剩余1套非故障的UPS系统负载也能满足需求，至少不会超载，对UPS的输入端和输出端都不会产生特别的影响。（3） 改造UPS双母线负载不平衡的问题针对目前各运营商在改造现有UPS双母线中存在2套UPS容量不一致的情况，可能一旦大容量UPS出现故障时其转移负载将导致另一套小容量UPS宕机，从而导致整个系统崩溃。所以我们在2套不同容量UPS进行改造双母线工作过程中时要以小容量UPS的负载预警线作为双母线UPS的容量，即A套系统容量为40KVA，B套系统容量为80KVA，则提供双电源输入的负载最大容量不能超过40KVA的预警线值，假设预警线为80%,则双电源输入的负载不超过32KVA。（4） 2套UPS系统后备电池之间的互换问题当1套UPS出现故障时可迅速通过调节电池开关来实现电池的倒换，当然前提是需要保证2套UPS系统容量、后备电池数量、厂家、时间一致，至少起到延长正常UPS后备时间的目的。六、 结论本