随着供电企业深入推进集约化、标准化、精益化、信息化的管理,计算机技术和网络技术在电力调度生产、电网自动化控制、电力优质服务及电力信息资源处理等领域使用日趋广泛,电力企业对计算机及网络系统的依赖程度越来越高,与此同时,也对电力中心机房等信息设备较为集中的重要场所提供稳定电能的UPS供电系统(简称UPS)的可靠性提出了更高的要求。

1   双机冗余单总线供电系统

云和县电力局中心机房建于2007年,位于电力局行政大楼十层,为满足设备可靠性方面的要求,机房核心设备均具有双电源输入能力。目前,机房由两台容量为20kVA的UPS并联供电(在线式UPS)。理论上,整个机房动力系统能提供2×20kVA供电容量,在日常情况下,机房平均总负载为11.8kVA,UPS并机负载率在30%左右。信息中心机房UPS并联方式和配电接线如图1所示。

图1  云和县电力局信息中心机房UPS配线图

云和县电力局中心机房的整个动力系统是由独立变压器输入的市电1、市电2、ATS(自动切换开关)、TVSS(防雷击、抗浪涌抑制器)，两台UPS和输电配电柜共同组成的“双输入，单输出”供电系统，属于典型的双机冗余单总线输出供电系统。

正常情况下,两路市电输入中有一路作为主输入电源,旁路开关闭合,UPS1和UPS2输入开关闭合,市电经过两台UPS后输出波形良好的220V电源。在输出方面,单电源设备直接连接在输出总线上,而双电源负载设备则通过并联方式连接在两路总线的分线上。如果主路市电发生故障,ATS能在比较短的时间内(80～100ms)自动执行切换操作,同时UPS的输入电源会出现短暂的停电,但由于UPS设备能在短时间内(4ms)对设备恢复供电，对于机房负载来说并无任何影响。倘若某台UPS出现故障时，在UPS并机逻辑控制板的调控下，通过执行选择性脱机操作，还能将故障的这台UPS从并机系统的输出总线中脱离出来，由剩下的一台UPS不间断地向负载供电，提高了系统的供电可靠性。

根据“1+1”UPS冗余并机系统的工作原理,不难发现其优点:

(1)由两台UPS平均分担负载电流,减轻供电系统设备负担,提高系统稳定性;

(2)过载能力强,容量是单台UPS的两倍,能提供更大的设备负载和过电流能力;

(3)虽然UPS单机的MTBF(平均无故障时间)普遍已达到了几十万小时,但并机系统仍能大幅提升系统可靠性。

应用“1+1”UPS冗余单总线供电系统的确带来了不少的好处,但通过仔细的分析,还是可以看到该系统存在的一些问题:

(1)市电输入。以来自不同变压器的双路市电输入为例,双机冗余并联时一般是利用ATS将双市电互投为一路输出,两台UPS共用一条输入总线,从而在输入端形成了“单点瓶颈”故障隐患,如图2所示。例如,原来以市电1为主电源,市电2为备用电源,此时ATS通常就接通市电1到UPS组。当市电1停电时,ATS断开市电1而将市电2转为UPS组输入。正常情况下，只要有一路市电正常，ATS通过电源切换都能保证UPS组输入正常。但如果ATS发生故障，无法实现转接功能时，其后的UPS组失去输入电压，UPS在电池组放电终了后因低电压保护自动关闭运行，最终将导致机房负载全停。

图2  双机冗余并联ATS连接

(2)电源输出。由于双机冗余的单总线输出结构,无论是单电源输入的负载,还是双电源输入的负载都被连接在同一条UPS的输出总线上,并没有其它的冗余供电通道,从而在输出端形成了“单点瓶颈”故障隐患。特别是UPS设备运行当中,如果出现设备或其他故障,影响到并联输出端时,致使UPS并机系统出现闪断甚至停电情况,那么也将导致设备负载全停。

2   提高系统可靠性的措施

为了提高信息机房供电系统的运行可靠性,一般采用的方法有两种,即供电系统的冗余连接和负载设备的双电源或三电源冗余输入。这可从可用性表达式中看出
               (1)

式中的A(Availability)表示的是可用性,其含义是在整个规定运行时间中,可靠供电时间的比例;MTBF是表示设备可靠性的平均无故障时间,其含义是平均多长时间不出故障;MTTR表示的是平均修复时间,其含义是电源所有故障维修时间之平均值。

从式(1)中可以看出,提高系统可用性有两个途径:提高电源的平均无故障时间和缩短平均修复时间。经过分析总结,可以通过以下几个方面提高UPS可靠性。

(1)元器件的选用;

(2)UPS的拓扑结构;

(3)UPS的制造工艺;

(4)冗余技术。

一般情况下,当机器的质量达到一定程度后,再增大平均无故障时间的代价较大,而且效果也不太显著(因为不能将平均无故障时间做到无穷大)。然而缩短平均修复时间的效果却比较明显,如果平均修复时间缩短为零(这种可能性是存在的,而且也不难实现),那么可用性就是100%。

3   优化方案

对于云和县电力局中心机房供电系统而言,UPS设备已存在,实际使用过程中,通过升级UPS元器件和提升设备制造工艺来提高系统的可靠性已不现实,如果能从UPS的冗余技术入手,适当调整系统配线结构,设计更佳的配电拓扑方案,使设备在发生故障时尽可能地缩短平均修复时间,甚至具有一定的“自愈”能力,那么整个UPS系统的可靠性将得到进一步提高。

3.1   双机双总线供电系统

通过上述分析，不管在市电输入端还是在UPS输出端，双机冗余单总线供电方案中的“单点瓶颈”主要原因还是由于只有一条总线，如果能合理地增加一条冗余通道，提高系统关键点的复用性，那么问题就可迎刃而解。

(1)市电输入。在原有设备的基础上,增加一组ATS转换设备,即使在一组ATS发生故障不能转接的情况下,另外一组ATS也能照常工作,至少能为一台UPS提供市电输入,如图3所示。

图3  两种供电方案ATS连接原理图

(2)UPS输出。考虑到云和县电力局机房UPS供电系统总体负载不大,可以将两台并联的UPS分开,使其单独出线,形成两条总线为设备供电,即所说的双机双总线供电系统。

从图中可以看出，系统总供电容量未发生变化,依旧为2×20kVA，双机双总线供电方案具有两条系统总线，很好地解决了双机冗余单总线供电方案的“单点瓶颈”问题，但分开单独供电之后，两台UPS各以20kVA的容量向连接到各自输出端的负载供电，设备在失去并机大容量负载能力的同时，也使得连接在UPS一端的单电源负载设备显得更加脆弱，一旦其中一台UPS故障，另一台UPS将不能提供并联供电输出能力，所以故障UPS将不得不通过市电旁路来为连接其后端的设备供电，由于旁路引自于非主电源输入的市电，其输入的不稳定性将直接影响到后端负载的供电可靠性。

那么如何通过更好的拓扑设计使得在一台UPS故障情况下,能由另外一台UPS继续向其后端负载供电呢?如果能有一种类似于ATS的装置并能在短时间内对UPS两路输出电源进行切换而不影响设备运行,那么问题也将得到很好的解决。而静态转换开关STS的出现,使电源的不间断切换变成可能。

静态转换开关STS原本是为了代替自动转换开关ATS而出现的。由于ATS具有切换时间长、寿命短、切换声音大和有火花干扰的缺点,使用上存在一定程度的不便。现在所说的STS实际上已经是DSTS,即数字式静态开关,其整个切换时间小于4ms,其切换方式是先断后合,因此两电源在切换时的相位差甚至可以大于180°。图4为DSTS的电路原理图,右边是其电路符号。

图4  DSTS的电路原理图

DSTS的确具备ATS所无法做到的一些性能，比如DSTS的切换时间比ATS要快上一千多倍，而且没有声音、没有火花，对一般电子设备来说，这种两个电源之间的切换间隔几乎是没有感觉的。

通过将STS安装在负载设备前端,利用其不间断切换的功能来弥补市电的不稳定性,从而提高单电源设备的供电可靠性,如图5所示。

图5  带STS设备双机双总线方案图

3.2   双开关三单机双总线供电系统

通过对双机双总线供电方案进行改进,能够得到另一种同时具有双市电输入和两路独立UPS输出电源的供电方案,双开关三单机双总线结构如图6所示。

图6  双开关三单机双总线结构

这个电路结构的特点在于每台UPS有两个输入开关,一个普通断路器和一个ATS转换开关。普通断路器供UPS主电路使用,ATS供两台UPS的旁路用电,这样一来从输入开关上就增加了一层冗余保障,即使其中一路市电故障断电,仍能保证双电源设备的双路供电。这里只用了一个较大容量STS为单电源设备供电,与双机并联冗余相比,增加设备不多。如果采用分散小型STS结构方案,即采用容量和体积均较小且可安装在机柜内部的小型STS为设备切换供电,那么功耗、价格和占地面积还可以降低。

正常情况下,三台UPS中只有UPS1和UPS2工作,当一路市电故障(比如市电1)断电时,断电的这一路UPS1的输出就是通过ATS送过来的旁路市电(Bypass1),这样一来,双电源设备的两个输入就有一路是市电,有可能引入干扰。此时,UPS3开始显现其重要性,其作用就是排除由市电旁路带入到系统中的干扰,提供稳定的旁路输出,此结构同时也具有了串联热备份的功能。

从系统的拓扑结构中发现,双开关三单机双总线系统具有更佳的系统扩展性。一旦系统容量不能满足要求时,系统可以不用改变现有配线结构的情况下,通过增加UPS设备,可以平滑地扩展系统容量,如图7所示。

图7  多机双总线冗余方案

无论是双机双总线方案还是双开关三单机双总线方案，都为机房负载提供了两路独立的输入电源，两者都能有效地解决双机冗余单总线系统中的“单点瓶颈”弊端，较大程度地提高了系统的供电可靠性。

从成本上考虑,由于双机双总线的结构与云和县电力局中心机房现有配线结构相类似,在实际实施过程中只要做较小改动即可完成,在工程量和实施进度上都能得到很好的保证。相对而言,双开关三单机双总线系统却要复杂得多,不但需要根据系统的容量增加UPS设备,同时还需要根据系统的结构对设备接线方式和配电线路进行调整,同时系统的实施工程量和难度也进一步增加。
在系统后期维护方面,由于双开关三单机双总线方案具有更高的供电可靠性、更多的设备冗余,更完善的网络结构,所以在后期运行维护方面能得到更大的优势。同时,更完善的网络结构也给系统容量平滑升级带来了很大的便捷。

4   结束语

由于电力企业“SG186”一体化应用平台的深化应用,其信息化步伐进一步加快。电力企业对计算机系统及网络系统的依赖越来越强,UPS作为各机房的基石,其重要程度不言而喻。在此讨论的两种优化方案都是以云和县电力局中心机房的动力系统为原型进行的改进。我们有理由相信随着时代的进步和行业的发展,UPS系统将会更加先进、稳定和高效,同时也将为保障电力行业的生产做出更大的贡献。■