廣電數據中心UPS系統設計

陳 旭

（江蘇省廣電有線信息網絡股份有限公司鎮江分公司，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

隨著廣電行業的蓬勃發展，對廣電數據中心的供配電系統提出了更高的要求，其中不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統至關重要，是保證供配電系統穩定運行的關鍵，是實現廣播電視安全播出不間斷和各項業務穩定運行的重要保障。根據《廣播電視安全播出管理規定》中供配電系統的相關規定，地市級的廣電數據中心應達到3級保障要求，但是結合安全播出的重要性，一般按照2級保障來設計，即接入2路外電，主要播出負荷采用UPS供電，UPS電池組后備時間應滿足設計負荷工作30 min以上。

1 UPS系統組成

UPS中包含蓄電池組來存儲電能，為一些關鍵的負載設備提供不間斷的穩定電源。當市電因故障停電時，UPS立即切換至蓄電池組直流供電，可以提供一定時間的電源，通過逆變轉換輸出交流電向負載維持供電；當市電正常輸入時，部分UPS還可以對市電質量進行優化，同時給蓄電池組進行充電。

UPS系統主要由5部分組成，即輸入電路、整流器、逆變器、靜態開關以及蓄電池組。UPS的輸入電路主要包含市電主路輸入、市電旁路輸入、電池組直流輸入。整流器是交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換的裝置，將交流轉換為直流，并進行穩壓。整流器可以在市電輸入變化時控制輸出幅度，保持輸出的整流電壓基本不變。逆變器是直流 /交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉換的裝置，將直流電源轉換成穩壓穩頻的交流電為負載供電。逆變器是UPS的核心部件，其性能直接決定了UPS的輸出效率和性能指標。靜態開關作為主電源逆變輸出和旁路電源的電子控制裝置，能夠實現不間斷自動切換。當逆變器故障或過載時，能夠零延時自動切換至旁路輸出。蓄電池組是UPS用來存儲電能的裝置，是UPS系統不間斷供電的重要組成部分。當市電正常時，蓄電池組處于充電狀態；當市電故障時，蓄電池組將電能釋放供給逆變器。蓄電池組由若干節電池串聯組成，電池的容量與數量決定了其持續放電的時間，目前應用最多的是閥控式密封鉛酸蓄電池。

2 UPS選型

按照結構和工作原理，可以將UPS分為后備式UPS、互動式UPS以及雙變換式UPS。不同類型的UPS分別應用在不同的使用場景中，需要根據實際情況來合理選用。

2.1 后備式UPS

顧名思義，后備式UPS通常作為后備電源使用。市電正常時，直接向負載供電，逆變器處于等待狀態；當市電故障時，UPS會立即切換至逆變狀態，此時負載由UPS逆變器供電。后備式UPS是最簡單、成本最低的UPS，工作效率高，但是不能對市電進行調節，輸出功率較低，切換時間稍長，對于精密度高的設備可能會出現瞬間掉電的情況，適用于一些辦公場景，不能用于數據中心的供電系統。

2.2 互動式UPS

互動式UPS指逆變器并聯在市電與負載之間，處于熱備份狀態。當市電正常時，直接向負載供電或通過UPS電源內部穩壓線路優化市電輸出，逆變器反向工作作為充電器對電池組進行充電；當市電故障時，立即切換至逆變狀態，由電池供電。互動式UPS具有結構簡單、可靠性高、效率高等特點，比后備式UPS的保護功能更強，但抗干擾性不強，同樣存在切換時間的問題，適用于服務器和小型機房，不適用于數據中心的供電系統。

2.3 雙變換式UPS

雙變換式UPS指逆變器串聯在市電與負載之間，處于供電持續狀態，電源經過AC/DC、DC/AC這2次變換提供給負載。當市電正常時，市電經過整流器一方面向逆變器供電，另一方面給電池充電，逆變器輸出向負載供電；當市電故障時，能夠無延時切換，由電池輸出經逆變器向負載供電。雙變換式UPS是目前UPS的主流形式，具有性能好、抗干擾強、無切換時間以及輸出高質量的交流電等優點，但是價格昂貴，正常工作時整流器和逆變器都要消耗電能，效率稍低。廣電數據中心對安全播出和業務穩定有嚴格的要求，因此機房供電系統要選用雙變換式UPS[1]。雙變換式UPS系統原理如圖1所示。

圖1 雙變換式UPS系統原理

3 UPS供電模式

在廣電機房UPS系統供電應用中，需要考慮UPS系統的可維護性和可用度，提高故障容限，可以采用冗余的UPS系統。常見的冗余UPS供電模式有串聯熱備份供電模式、并聯冗余供電模式以及雙總線供電模式。

3.1 串聯熱備份供電模式

串聯熱備份是將UPS備機的輸出端接到UPS主機的旁路輸入，當主機在正常工作模式時，由主機逆變器對負載進行供電，備機處于空載狀態；當主機出現故障時，自動切換到旁路模式，由備機逆變器對負載進行供電；當主備機同時故障時，主備機均處于旁路模式，此時由市電進行供電。此種UPS供電模式為“1+1”冗余，消除了電源單點故障，實現簡單。不同品牌型號的UPS都可以方便組成串聯熱備份，但是其同一時間只有1臺UPS帶全部負載，因此存在超載能力差、主備機老化程度不一樣等問題，目前已經較少采用。串聯熱備份系統工作原理如圖2所示。

圖2 串聯熱備份系統工作原理

3.2 并聯冗余供電模式

并聯冗余是2臺及以上相同品牌型號的UPS通過并聯模塊將輸出端連接在一起，同時對負載進行供電，一般按照“N+1”冗余（N為正常工作時所需的UPS數量，1為額外增加1臺UPS作為備用）。正常工作時，每臺UPS均分負載功率，同時由逆變器進行供電；當其中1臺UPS故障時，負載功率由剩余UPS均分承擔。并聯冗余供電方式最大的好處是可以均分負載，并且可以根據負載量通過新增UPS的方式實現系統容量擴充，但是每臺UPS輸出的波形、幅值以及相位必須嚴格一致，這樣才能保障系統的可靠運行[2]。并聯冗余系統工作原理如圖3所示。

圖3 并聯冗余系統工作原理

目前還有一種更簡便的并聯冗余模式是模塊化UPS，由UPS機框、功率模塊、控制模塊以及靜態開關等組成，每個功率模塊都包含了整流器、逆變器以及獨立控制器，相當于1個小型雙變換UPS，這樣由若干個功率模塊并聯疊加就構成了1個整機模塊化UPS。整機UPS容量由功率模塊的數量決定，通常為所有功率模塊容量之和，每個功率模塊均分整機UPS地負載功率。模塊化UPS運用并聯冗余技術，功率模塊支持熱插拔，可以在線更換擴展維護，通過增加模塊能輕松實現“N+X”冗余，每個模塊故障或插拔均不會影響其他模塊正常工作。其控制模塊也具有主備冗余，具有高可靠性、高靈活性、易維護以及易擴展等優點。雖然模塊化UPS比普通UPS價格更貴，但相比整機并聯所占用的空間和投資成本更小，可以為數據中心的安全運行提供有效保障。

3.3 雙總線供電模式

串聯熱備份和并聯冗余供電模式可以消除電源單點故障，但是UPS輸出至負載供電線路只有單路，而大部分供電故障來源于此，包括保險燒毀、斷路器跳閘、負載短路等，由此引入一種雙總線供電方式，由雙路UPS組成雙母線供電系統，也稱為“2N”冗余。此UPS供電方式最大的特點是同時供應2路供電母線，2條線路相互獨立、互不干擾。正常工作時，2條線路同時向負載供電，可以供給雙電源負載或者通過靜態轉換開關再供給單電源負載。當其中一條線路任意一點出現故障時，可以由另一條線路承擔全部負載，系統的運行不會受到影響，很好地消除了整條線路單點故障，擁有更高的容錯能力，也提升了在線維護、在線擴容的便利性。由于此方式容錯能力更強，逐漸成為對安全播出要求較高的廣電數據中心的最佳供電方式。雙總線系統工作原理如圖4所示。

圖4 雙總線系統工作原理

為了進一步提高UPS供電系統可用性，還可以將雙總線供電模式和并聯冗余模式結合運用，或者采用雙路模塊化UPS的雙總線供電模式[3]。

4 UPS容量

UPS系統設計時，應從供電范圍、供電方式、用電規模等方面綜合考慮UPS容量。一般地市級廣電數據中心按照雙總線供電方式配置2臺UPS，雖然2臺UPS可以分攤負載，但要考慮到如果一路出現故障，另一路必須承擔全部負載，因此需要按照單臺UPS容量來計算。供電負載主要是機柜設備，還有一些門禁設備、消防設備、智能化設備等小功率設備，在計算UPS容量時應留有余量。

廣電數據中心按照150個42U機柜為例，每個機柜平均負載約為1.5 kW，總負載功率約為225 kW。根據UPS基本容量公式計算得出至少要選用300 kVA的UPS，鑒于后期擴容需要，可以選擇500 kVA的模塊化UPS。由于負載是分攤在2臺UPS上，每臺UPS實際負載在20%～30%。負載率對UPS運行效率有較大影響，在60%～70%負載時UPS的運行效率能達到最大，但為了安全運行，每臺UPS負載率不能超過50%。前期配置2臺500 kVA的模塊化UPS，每臺可先配置6臺50 kVA的功率模塊，這樣既能提高UPS的運行效率，避免資源浪費，降低采購成本，后期還能根據需要增加模塊，實現靈活擴容[4]。

5 UPS后備電池配置

在UPS運行過程中若發生市電中斷的情況，UPS所帶的蓄電池組需要立刻開始向逆變器提供直流電能，以保證負載的不間斷運行。UPS后備時間長短由電池數量、電池容量、負載功率、電池工作環境以及電池損耗情況等多種因素決定，要結合具體情況正確配置蓄電池的實際容量，保證蓄電池持續供電時間滿足市電恢復或啟動后備電源的要求。與此同時，注意必須選擇同一品牌、同一種類、同一型號以及同一性能的電池。

5.1 電池電壓

單節電池電壓主要有2 V和12 V，對于機房UPS系統而言，UPS電源的直流工作電壓較高，因此選用12 V電壓的電池在成本和空間利用上更具有優勢。

5.2 每組電池串聯節數

電池串聯節數可根據UPS要求來配置，一般不宜配置為最小數量，會影響電池使用壽命。以UPS要求40～44節電池為例，可以配置成44節電池。

5.3 電池截止電壓

12 V單節電池截止電壓根據UPS要求設置，一般設為10.5 V。12 V單節電池中由6個2 V單體串聯組成，2 V單體截止電壓為1.75 V。

5.4 后備時間

根據《廣播電視安全播出管理規定》中供配電系統的相關規定，后備時間應滿足設計負荷工作30 min 以上。

5.5 電池容量

蓄電池容量計算一般有安時法、恒功率法、恒電流法等，考慮到UPS系統的應用工況，通常采用恒功率法。UPS所帶負載功率是恒定的，電池需要提供恒定的功率來支持負載運行。在UPS系統放電過程中，電池組輸出功率恒定，電壓逐步降低，則電池的放電電流持續增大，直到電池電壓下降至截止電壓。恒功率法在電池容量計算中比較準確，在成本控制、性能上能夠實現合理配置[5]。

5.6 查表選型

根據電池恒功率放電數據表，選擇在相應后備時間和截止電壓下性能滿足要求的電池規格。電池恒功率放電數據表如表1所示。

根據表1，選擇12 V/200 Ah電池,在終止電壓1.75 V 時，30 min 放電恒功率為 368 W，當 300 kVA UPS滿載輸出時，配置3組并聯（每組44節）共132節12V/200Ah規格的電池即可滿足UPS系統后備時間30 min以上的要求。

表1 電池恒功率放電數據表

為了保證UPS系統安全使用，需要確保UPS設備所在的配電室和電池室溫濕度、潔凈度、防雷接地、消防、安防、承重以及空間布局等滿足要求，同時還要配備相應的動環系統、視頻監控系統、火災報警系統以及安防系統等智能化系統，制定相應的冗余和應急預案。

6 結 論

穩定的電源保障是廣電數據中心開展安全播出工作和其他業務的前提，合理的UPS系統設計能保證機房安全穩定運行，提高廣電節目播出容錯能力，降低運營成本，提高經濟效益，同時便于后期維護，方便靈活擴容，為后期發展預留擴展空間。