3.3   供电系统设计与应用中存在的误解和错误观念

尽管各种方案都曾有过大量的使用案例并且运行实践表明是可行的,但是,由于在方案选择和设计过程中存在着很多错误的观念和误解,使这些已在运行的系统中不断暴露出各种各样的问题,究其原因,设备选用的质量并不是最主要的,更多的是由于规划设计不当造成的,或者是忽视IT技术进步对数据中心提出的新的要求,使用传统的陈旧的技术造成的,更有甚者是对新技术新设备的误解和错误观念造成的。本文将扼要地提出以下问题供数据中心规划设计者讨论。

(1)对UPS性能指标的重新审视

UPS设备的出现和应用已经经历了半个世纪之久,人们对它应具备的性能指标已经耳熟能详并有广泛的共识。但是随着数据中心对供电系统要求的提高,供电系统设计理念发生了巨大的变化,这些变化极大地影响着UPS技术的研发方向、评价标准、配置方法和用户选用倾向,这些变化主要体现在UPS输出电性能已经不再是研发、测试、选用的主要指标,数据中心设计者更关注的是UPS设备的可靠性和系统配置功能,UPS的可用性、冗余并机能力、模块化可插拔结构设计、容量和不停电运行时间的可扩充能力、智能管理和网络通信功能等,都是用户考察UPS性能的主要指标。

(2)对可靠性MTBF指标的误解

对MTBF指标的误解是,MTBF不等于设备实际可连续运行的时间,也不等于设备的生命周期。MTBF是一个概率指标,指设备可连续可靠工作的概率,MTBF是失效率λ的倒数,一个“年失效率”λ为0.1的设备,其年平均无故障时间MTBF等于87600h。但是根据年失效率,还可以推算出月失效率、日失效率,也就是说,一个年失效率为0.1(MTBF=87600h)的设备,随时都可能发生故障。

使用MTBF指标时第二个要注意的是,MTBF可用理论计算、试验验证、故障统计3种方法得出,而在设备选用阶段,这三种方法都是没有条件实现的。一个不可测量的指标自然是不可信和不可作为衡量设备优劣依据的。

(3)对系统可靠性和设备故障率的错误认识

在选用模块化UPS或者对单机做“N+1”配置时,人们发现设备越多故障率也越高(规律是对的),因此得出系统可靠性必然差的结论。这种观念的错误之处在于,在当代数据中心供电系统冗余容错设计中,设备故障不等于系统故障,设备故障率也不再等于系统可靠性。用户关心的是供电系统能否确保IT设备是否能连续不中断地运行,这就是他们宁可选用设备多(故障率高)“N+1”和“2N”系统,而不考虑设备少(故障率低)的“N”系统的原因。更何况模块化UPS最关键的优势是系统可快速修复,这是提高系统可用性的最有效的关键措施。

(4)“高频机”将成为现代数据中心UPS设备的首选机型

自从15年前高频机(包括Delta变换UPS)问世以来,就出现了高频机与传统工频机谁优谁劣的广泛而激烈的争论,争论的问题包括隔离问题、抗干扰问题、对零地电压的影响、安全可靠问题。在这些问题中,有些是电路结构的差别带来的,有些则是错误的观念和无知造成的。相对于传统工频机,高频机在输入功率因数、效率、体积、重量、成本等方面都有无可比拟的优势,如今已经被更多的用户认识和接受,成为现代数据中心UPS设备的首选机型。

(5)模块化机型是UPS设备发展的必然趋势

系统模块化设计成为供电系统设计的基本原则,模块化UPS是最高可用级别的模块化系统。他不仅具备了高频机结构、系统冗余容错设计、系统集成化架构的所有优势,它的可快速修复更是独有的特殊功能,因此模块机已经成为UPS设备的最重要的发展趋势。

(5)有关备用柴油发电机的配置和使用问题

越来越多的用户和供电系统设计者已经建立起现代数据中心必须配置交流输入备用能源--柴油发电机的观念,但是,对油机在市电故障时是否能准确无误的投入运行感到无限忧虑,并在数据中心供电系统设计和设备配置时充分考虑了这一情况,例如延长UPS电池备用时间。其实这是个观念和认识问题。传统的观念是把备用油机作为公共电力环境的一部份,像市电一样是由数据中心所在地区或建筑物的公共电力供应部门提供和维护的,数据中心的维护人员无法随时掌握油机的状态。要解决这一问题,就必须改变传统的观念,既然油机是现代数据中心必须具备的设备，就应该把油机作为数据中心供电系统的一个设备，像UPS、配电柜一样，纳入数据中心供电系统中，统一管理维护。

(6)对备用电池容量的选择

UPS备用电池决定了市电掉电后关键IT负载继续正常运行的时间。但是,在现代高功率密度数据中心中,市电掉电后IT设备需要持续的供电和制冷两个条件才能继续运行。持续制冷是由后备油机保证的,而油机又同时给UPS供电系统提供交流能源。油机起动时间在15s左右,在油机工作状态正常和转换无误的情况下,这无异于可把交流输入电源的故障时间控制在15s左右,那末又何必把电池备用时间扩大到30min甚至几个小时呢?

(7)STS静态开关设备的配置问题

在双总线(2N)供电系统中,特别是存在单输入电源负载的系统中,传统设计者的习惯做法是在两路UPS供电系统的输出端配置STS静态开关设备。但是STS在两个交流输入电源同步的情况下才能实现在规定的时间内不间断地转换,否则其转换时间会变成一个不确定的数。为此就必须在两路供电系统中配置UPS同步控制电路,其结果是“2N”系统的两路供电系统失去隔离功能,UPS同步控制电路本身就是个单路径故障点,又由于不隔离的两路UPS的相依性关系,一路UPS故障可能诱发另一路同时故障,最终是使“2N”系统的功能不能充分发挥,可用性降低。正确的做法是,如果系统中存在单输入电源负载,应使用小功率机架式ATS,ATS是靠机械式触电转换的,转换时间可控制在10ms之内,不影响IT负载的工作,但却保全了“2N”系统的功能。

(8)要重视谐波的影响和谐波抑制

谐波产生和抑制始终是传统供电系统存在的最棘手的问题,其影响除了会污染电网之外,供电系统设计者更应关注谐波对供电系统本身的影响。其中包括:
①谐波电流是UPS输入功率因数低和输入能源利用率低的主要原因;
②谐波是供电系统零线电流增大的主要原因;
③导致UPS前端设备无功损耗增大、线缆发热,因此必须加大设备和导线容量;
④增加谐波抑制设备会增加系统成本(购置成本、占地空间、能耗);
⑤影响油机的正常运行,必须增大油机与系统的容量比;
⑥如果配置无源滤波器,在负载量较小的情况下,滤波效果会变差,还可能放大谐波甚至引发线路震荡。

为了解决这些问题,最好选用输入IGBT整流的模块化UPS或单机,其原理是从根本上抑制谐波的产生,输入功率因数高达0.99,谐波成分降到3%以下。

(9)供电系统零地电压问题

在数据中心供电系统中,吵得沸沸扬扬的另一个问题是零地电压问题。在三相系统中,由于不平衡的相电流和谐波电流的存在,零地电压增高是很正常的。但是,因为IT设备输入开关电源是隔离的,零地电压增高并不会影响IT设备的正常运行。在三相供电系统为单相设备供电时是不允许零线浮空的,所以IT设备厂家在设备开机前先要测试零线与地之间的电压,是在空载的情况下判定零线与地线是否接好接牢。应该说零地电压≤1V是衡量零线是否接好的标志,而不是影响IT负载正常运行的限值。

(10)数据中心的接地系统

机房接地系统不仅涉及到设备和人身安全问题,也是影响IT设备是否能正常工作的一个重要因素。由于地线设计不规范或接线错误而造成IT系统不能正常运行的问题,主要是在系统运行后才显现出来,此时再更改地线系统变得非常困难,所以在规划设计阶段就对地线方案给以足够的重视是非常重要的。   (未完待续)

（御风）