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1、UPS供电系统现状与发展趋势供电系统设计理念的变化 张广明2005年4月 UPS供电系统的现状与存在的问题 存在的问题决定着技术发展的趋势没有问题 或者不知道问题所在 就不可接受新的观念和新的产品 现状与问题一 使用UPS以便提高供电系统的可用性的观念已被绝部分用户接受 预示着我国UPS市场已趋于成熟 当前IT业不停电保护系统现状 现状与问题二 对UPS的认识水平各个厂家生产的各种型号规格的UPS的输出电性能指标基本上都能满足对负载供电的要求 用哪家哪个型号的都行 输出电压稳定精度输出电压波形失真度输出电压频率稳定精度输出电压幅值的三相不平衡度三相负载不平衡能力市电掉电时输出电压的切换时间输出
2、电压的动态响应特性双向抗干扰能力 UPS的各项输出电性能指标 已经不再是影响负载正常运行的因素和购置时衡量性能优劣的主要标准了 先进UPS产品的技术标志 输入有功率因数校正 输入功率因数 0 99有冗余并机功能和可热插拔在线维护功能先进的智能管理技术强劲的输出能力和可靠性 设备和系统的可用性 可管理性 可扩展性 可适应性 现状与问题三 供电系统的故障还是要发生的 用户在选用 维护 运行故障反馈的问题中 80 90 与安全性和可靠性有关设计者在设计供电系统和选购UPS设备时 把注意力从对UPS一般电性能指标转移到对输出能力和可靠性等指标的考察上来 安全性和可靠性是当前UPS供电系统最主要的问题
3、可靠性量化指标AC AC效率输出电流峰值系数输出电流浪涌系数 启动 输出过载能力输出负载功率因数三相负载不平衡能力 现状与问题四 系统故障总数中的50 70 是由于配电系统中其它环节和设备的质量问题 安装问题 人为操作和维护问题引起的 或者由于这些问题而诱发UPS产生误动作乃至发生故障 UPS仅仅是涉及供电系统可靠性问题的因素之一 仅仅提高UPS设备的可靠性 是不能从根本上解决整个供电系统的安全性和可靠性的 现状与问题五 用户感到最困惑的事是 供电系统故障后 修复时间长且困难 系统过于复杂 产品供应商反应速度 维修人员的技术水平和工作经验 备件储备和提供情况 故障原因的查找和分析 各种设备供应
4、厂商之间的互相推诿 使系统得不到及时迅速地修复 甚至找不到引发故障真正原因的结论 现状与问题六 UPS已经具备的智能管理和通讯管理功能没有得到充分的发挥 在实际的运行维护中 对UPS的智能管理和通讯功能的应用率大概只有20 当今的UPS已经从原来所谓的独立电源设备发展成今天具有多种通讯方式管理和与IT系统无缝集成地网络设备 现状与问题七 系统多供应商 给系统安装 运行 维护带来不利因素 系统中所有设备和环节都是串连的 形成多个单路径故障点 系统中各相接的设备输入输出阻抗不匹配 相互影响或者不得不降容使用 系统中因配置了输入谐波电流大和启动冲击电流大的设备 不仅污染电网 而首先是在系统内部形成严
5、重的相互干扰 系统中电力传输线 包括数据传输线 过长和布局零乱而易产生干扰和发生人为事故 系统中配置了大量的断路器 由于产品质量问题 或者配置得不合理 使系统有时发生不明的故障 系统中零地电压差过大 零 地线系统设计和线缆选用不符合标准等 很多已经在运行的特别是在原系统基础上改造的UPS供电系统在设计上不规范 系统配置不尽合理 存在着诸多隐患 现状与问题八 确定选用UPS的性能标准时 不是全方面对其进行全面的考察 而是把厂家宣传的产品能达到的最高指标做为自己选用的标准 简单地以UPS电路结构形式定优劣 忽视UPS对电网的适应能力和电力污染问题等 采购配置UPS设备时仍然存在着一些错误的观念和误
6、导 现状与问题九 在UPS供电系统各类故障的起因中 人为原因造成的故障占很大比例 人为故障的原因可归结为 维护人员对所配置的UPS的基本性能了解不够 对UPS监测监控信息和显示功能不熟悉 选用配置UPS时的选型不当 对UPS运行时的常规维护要求执行不严格等 提高使用维护水平与提高UPS技术水平同等重要 现状与问题十 预算投资和可用空间造成UPS容量的浪费 一次装机容量带载量仅为装机容量的百分之九左右 在第五年时实际负载量也只达到装机容量的28 由于传统的系统设计方法和所选用设备的匹配 安装等问题 使系统的建设周期过长 一般要三个月到十八个月 由于企业的决策者对未来业务可能发生变化的不可知性 以
7、及供电系统设计和所选用设备对环境和功能要求变化的适应性很差 就使得对UPS系统的投资存在风险问题 电力基础设施需要大量投资 但没有可变通及灵活的变更 扩充和退出策略 当前已建和正在设计建造的UPS供电系统中 普遍存在着资源浪费和生命周期成本问题 扩容困难 引起初期过度规划 UPS容量利用率的分布 UPS供电系统设计理念的变化 新的设计理念是随着问题出现而产生的科学发展规律 存在的问题 发展趋势是共性的在技术先进的国家和地区发生的变化 在我们这理也发生着不同的理念有不同的先进内容 设计理念变化一 一个完整的系统中除了UPS系统外 还可能有变压器 瞬态电压浪涌抑制器 电网进线开关柜 负载配电柜 柴
8、油发电机 交流稳压器 变压器 电池系统 各种开关 断路器 保险 转插 上百乃至几百个级连接点和相应的传输线 由于这些部件和环节在可靠性模型中的串联特性 以及它们之间的相互影响 就使得系统可靠性大幅度降低 UPS厂商和供电系统设计者意识到 研究工作从单台UPS设备向整个供电系统变化 系统中各种设备和环节的相互匹配和可靠性问题 系统可靠性和冗余配置问题 可修复和降低修复时间问题 UPS设备的模块化冗余系统结构问题 各种设备和环节连接技术的研究和规范化问题 供电系统的布局 集中式 区域式 分散式 问题等 对系统研究的问题包括 供电系统的基本类型区分方法 对各种供电系统 要掌握的基本问题包括 系统结构
9、形式对关键负载是否是不停电系统对非关键负载是否是不停电系统系统的可靠性水平系统的可用性水平 设计理念变化二 越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识 UPS系统经过多年发展 在其性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下 真正能为用户带来价值的是其可用性 对系统可靠性的研究向可用性研究变化 系统在使用过程中 可以正常使用的时间与总时间之比 可用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MTTR表示 在概念上它包含了系统中设备的可靠性 可管理性和可维护性 可用性高意味着给用户更多的正常使用时间 把故障后不可用时间降到最低限度 可用性定义为 不停电 观念的变化 市电故障后延时10 15分钟供电 保
10、证计算机数据存储并安全关机 系统要求可靠性 不停电保护系统 市电故障后保证系统不间断继续供电 系统要求可用性 不停电供电系统 失效率 式中 ns试验开始时正常工作的样品数 n在运行 t1 t2 时间间隔内出现故障的样品数 可靠度 平均无故障时间 平均维护时间 可用性 UPS的可靠性与可用性 提高可用性的措施之一 提高薄弱环节可用性的基本措施 1 提高设备的额可靠性 MTBF先进电路技术可靠性电路设计智能管理功能可靠性热设计电磁兼容性设计生产工艺生产管理 2 降低故障维护时间 MTTR模块化插拔维护 电路板 功能电路 功能模块模块化冗余热插拔维护智能管理与通讯功能可维护性 提高维护水平 提高设备
11、的可用性 提高设备的MTBF 提高功率器件的规格和档次 IGBT等 改进控制技术 提高逻辑控制电路规格和档次 CPU DSP 采用更先进的主电路结构 Delta变换技术 严格生产工艺 加强质量管理 ISO9000 此方法有效 但是困难大 效果有限因为 组成UPS主机的上千个元器件和几千个接点 在可靠性等效图上是串连的 整个系统的可用性是这上千个元器件和几千个接点可用性的乘积受其它元部件工艺和技术革新和发展的限制 系统不可用时间比例 提高可用性的措施之二 冗余配置 可在线维护整机模块 集成模块冗余把UPS整机做为一个模块冗余 提高可用性的措施之三 单机模块化UPS 保证计算机和网络IT设备正常运
12、行的条件除了配置UPS供电设备外 还必须有与之配套的完整的供电系统 空调及通风系统 机架及IT设备线缆的支撑系统 消防及门禁系统 基建及装修装饰等 统称为网络关键物理基础设施 即NCPI NetworkCriticalPhysicalInfrastructure 这些设施都会在一定程度上影响信息系统的可用性 所以研究工作自然地就由单纯的电力供应扩展到空气调节 包括IT机架微环境 IT设备机械支撑 系统的集中管理 从UPS设备到一体化供电系统 再到NCPI 是供电系统设计思维模式的重大变化 设计理念变化三 从对单纯的供电系统研究向整个IT基础物理设施 NCPI 变化 Environment 环境
13、 电力供应系统空气调节 制冷系统IT设备机械支撑系统安全系统智能楼宇系统基建 NetworkCriticalPhysicalInfrastructure NCPI 系统 相互关联 实质 IT微环境是终极目标 NCPI概念 IT微环境的组成 NCPI与整体机房 Ceiling天花 Grounding接地 Decoration装修空调 RaisedFloor地板 Shielding屏蔽 消防 动力配电 机房 机架 微环境系统管理 IT设备厂商 NCPI 为什么机架是NCPI的重要因素之一 机柜 架 数据中心中与IT设备直接发生联系的基础物理设施要解决的问题 对不同厂家不同型号设备的兼容 机架级电源
14、分配和线缆管理 机架微环境通风散热问题 机架电源状态和环境 温度 湿度 烟雾等 状况的监测和管理 空调系统的功能 把负载设备产生的热量有效地带走 保证IT设备有一个理想的工作环境气流产生气流配送流移动 返回 NCPI对热量管理的要求 过去的状况 W m 平均主义 的设计方式 提高UPS供电系统的 适应性 设计理念变化四 当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时 就会对设备的适应性提出要求 由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性 要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的 经济形势的变化 IT设备技术革新和功率密度的变化 维护人员操作水平的变化 组织管理模式的变化 设备运行场
15、地的变化等 非机架式 机架式 刀片式 台数 IT 服务器 设备机架化现状及趋势 刀片式服务器 标准机架 42U 4 45cm U每机架上下10排每排15个最多可插150个每个功耗200W每个机架耗电30KW 高 13 5cm3U厚 4cm 1U UPS X综合供电主接线系统 铁信通科技发展有线公司 机房动力环境一体化 整体 解决方案 艾默生 中兴 北京动力源 厦门科华 集成化UPS供电系统 美国APC公司 设计理念变化五 集成化 一体化 设计理念是UPS供电系统新的发展趋势 以上四点系统设计思维模式的变化 导致了UPS集成化设计理念的产生 在这种设计理念下产生的典型的产品是APC公司的 英飞集
16、成系统 ISX 该产品在设计中遵循了以下四点原则 集成化 一体化 设计理念是UPS供电系统新的发展趋势 ISX是实施NCPI理念的具体方案 是一个完整的UPS供电系统 它由四个子系统组成电力供应 空气调节 IT设备机械支撑 系统管理 供电设备制造和供应渠道的统一化 设备结构的一体化和连接的规范化 各设备和环节状态管理的集中化 各设备和环节结构的模块化 冗余配置和连接的热插拔功能 集成化UPS供电系统结构框图 机房基础实施与供电环境 强电系统配电 温 湿度调节 防静电功能 防雷系统 新风净化 安全系统 消防系统 环境监测系统 ATS1 柴油发电机 ATS2 市电1 市电2 模块热插拔冗余n 1UPS 模块热插拔冗余n 1UPS STS 变压器 变压器 输出配电 输出配电 服务器 服务器 单电源负载 ATS PDU 输入配电ATS 输入配电ATS STS 双电源负载 PDU 双总线UPS供电系统 高可用UPS供电系统与数据中心机架式一体化结构 集成化UPS供电系统 InfraStruXure模快化设计冗余设计高集成度集中管理监控 价值 可用性 适应性 总拥有成本 NCPI的商业价值 集成化
