配電
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大型數(shù)據(jù)中心 UPS 四母線冗余供電方案設計
牛廣鋒
（中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心，北京100190）
摘 要：不間斷電源（uninterruptible power system，UPS）是數(shù)據(jù)中心供電連續(xù)性的重要保障。根據(jù)三母線
供電方案原理，提出了四母線冗余供電方案，UPS負載率從三母線方案的66.6%提升至75%，同時具備雙總線
系統(tǒng)的可靠性等級。文章提出一種大型數(shù)據(jù)中心UPS四母線冗余供電方案，該方案在不降低可靠性等級的前
提下降低了建設成本，為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設計提供借鑒和參考。
關鍵詞：UPS負載率；UPS供電方案；系統(tǒng)可用性；大型數(shù)據(jù)中心
中圖分類號：TM73 文獻標志碼：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2017.06.010
0 引言
突變到100%。備用UPS需要強大的加載能力，甚至會短
數(shù)據(jù)中心具有投資大、耗電量大、供電可靠性要求 時過載，對UPS品質要求高。Catcher Bus方案使用大量
高的特點，當前部分城市用戶供電可靠性指標已進入高 STS設備，設備投資額外增加，系統(tǒng)復雜性增加，可靠
可靠性階段［1］，仍無法滿足數(shù)據(jù)中心的要求。根據(jù)標準 性降低。
GB 50174—2008《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》［2］，數(shù) 直接并機供電方案（簡稱并機方案）是把多臺
據(jù)中心供電系統(tǒng)通過設備冗余提高可靠性。冗余增加可 UPS設備的供電能力匯聚在一起，統(tǒng)一對外輸出。圖集
靠性，也增加了設備成本和維護成本。UPS是供電系統(tǒng) 09DX009［4］介紹的“N＋x”并機方案是“并機方案”
中的核心部分，采用合理的UPS供電方案設計可提升可 的進一步具體化。為保證可用度，參與并機的UPS設備
用性，降低建設和維護成本。 數(shù)量比負載需求多x臺。當某臺UPS設備故障時，則從
《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術白皮書》［3］對雙母線供 系統(tǒng)中切除，不影響負載需求，可靠性提高，UPS設備
電方案、三母線供電方案、Catcher Bus供電方案和直接 初始投資降低，且擴容相對方便，可消除UPS設備的單
并機供電方案進行了比較。雙母線供電方案（簡稱雙母 點故障。然而為了實現(xiàn)并機，必須確保各UPS單機的逆
線方案）通過完整地1套冗余系統(tǒng)來提高供電可靠性， 變器輸出電壓處于同幅度、同頻、同相位狀態(tài)［5］。這
在線維護方便，然而UPS負載率低于50%，初始投資高， 些參數(shù)需要UPS相互通信來保持同步，一旦出現(xiàn)偏差就
設備運行能耗大。三母線供電方案（簡稱三母線方案） 會引起系統(tǒng)的紊亂，甚至使整個UPS系統(tǒng)宕機而中斷電
采用3組獨立的UPS供電，兩兩配合向負載供電，任何1 力輸出。并機方案需要UPS具備高性能的并機能力，系
組UPS出現(xiàn)故障，其他2組都可負擔全部負載，具備雙母 統(tǒng)的復雜性給后期維護帶來一定困難。因UPS并機技術
線方案的可靠性等級。三母線方案提升UPS負載率最高 復雜，并機的數(shù)量有所限制，UPS負載率一般維持在
可達66.6%，雖然負載率比雙母線方案高，但仍然比較 66.6%~80%。因并機UPS輸出到同一個輸出配電柜，會
低，導致設備初始投資高。 存在單點故障。
Catcher Bus供電方案（簡稱Catcher Bus方案）由N 本文提出的四母線冗余供電方案（簡稱四母線方
臺UPS做主用，1臺UPS備用，出現(xiàn)故障的UPS不能超 案）有4條母線同時對外輸出電力，在任意1條母線故障
過1臺。任意1臺主用UPS出故障，靜態(tài)轉換開關（static 時，仍可保證負載的電力供應，不存在單點故障，可保
transfer switch，STS）負責切入備用UPS。Catcher Bus 持高可靠性。UPS等設備負載率可高達75%，初始投資
供電方案有效提升了UPS負載率，可做到75%~90%，高 也有所降低，并且四母線方案采用的技術比較簡單，便
負載率可降低UPS初始投資。不過備用UPS平時使用率 于運行維護，可為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)設計提供借鑒和
為0，只有在主用UPS出故障時才突然啟用，即電流從0 參考。
DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用電 2017.06 57配電
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UPS設備在高負載率條件下效率更高，損耗所占比例相 案與四母線方案的可用度差值為：R -R =3(A A )2(1-
3 4 1 2
對低。與雙母線方案和三母線方案相比，四母線方案的 A A )2。雙母線方案與四母線方案的可用度差值為：R -
1 2 2
負載率更高，可節(jié)省設備投資，降低設備能耗。 R =[2A A +3(A A )2](1-A A )2。A 、A 的數(shù)值非常接近
4 1 2 1 2 1 2 1 2
并機方案要求UPS具備并機能力，并機UPS之間通 1，兩者的乘積同樣接近1，因此四母線方案與雙母線方
過通信線互聯(lián)，在1臺UPS退出后，其余UPS提供冗余補 案的可用度之差約等于5(1-A A )2。因(1-A A )已是非
1 2 1 2
充。并機UPS一般是同廠家、同型號的UPS，不利于降 常小的數(shù)值，又進行平方，所以5(1-A A )2的數(shù)值極小。
1 2
低維護成本。并機方案中的UPS互相關聯(lián)，1臺UPS退出 “N＋x”并機方案要求所有UPS的輸出匯聚到專用
或加入時會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，帶來額外風險，降低 配電系統(tǒng)。“N＋x”臺UPS在N臺UPS正常時仍能正常輸
可靠性。在四母線方案中，所有負載由2組不同UPS供 出電力，屬于N/（N＋x）表決系統(tǒng)，“N＋x”UPS并機
電，任意1組UPS停機都不會中斷負載的電力供應，便于 子系統(tǒng)的可用度Rl ［7-9］為：
N+x
停機檢修維護。每組UPS之間沒有電氣和邏輯聯(lián)系，便 N/+x
Rl = CN+xAk(1- A)N+x-k
N+x k 1 1
于維護保養(yǎng)。 k=N
(k= N,N+ 1,N+ 2,g ,N+ x)
Catcher Bus方案增加STS設備，在1臺常用UPS故障
（4）
時，通過STS把備份UPS切換到常用狀態(tài)。多臺常用UPS
輸出配電柜與“N＋x”UPS并機子系統(tǒng)串聯(lián)，串聯(lián)
共享1臺備份UPS，減少備份數(shù)量。Catcher Bus方案使用
系統(tǒng)可用度為各組件可用度的乘積，“N＋x”并機方案
大量STS設備，增加設備空間占用和設備能耗，增加維護
整體可用度R ［7-9］為：
N+x
工作量。在UPS故障、維護等情況下，STS設備必須切換
R = A Rl （5）
N+x 2 N+x
供電電源，切換過程易于發(fā)生故障，帶來額外風險［6］。
由上式可判定R N+x的數(shù)值要小于A 2，并機方案的
2 四母線方案與其他方案的可用度分析 UPS部分可通過冗余提升可用度，但受到輸出配電柜可
用度的制約，整體方案無法超過配電柜的可用度。與四
持續(xù)的電力供應對IT系統(tǒng)是必不可少的，數(shù)據(jù)中心
母線方案相比，可用度明顯低。
的電力系統(tǒng)必須具備高可用性。供電方案中的設備主要
Catcher Bus方案包括N臺常用UPS，1臺備用UPS，N組
包括UPS、UPS輸出配電柜和STS設備，可用度分別用
STS。N+1臺UPS作為UPS子系統(tǒng)，如果1臺常用UPS出現(xiàn)故
A 、A 和A 表示，具體可用度數(shù)值見表1［7-9］。
1 2 3
障，備用UPS被STS切換到常用狀態(tài)，不會中斷供電，UPS
表1 各子系統(tǒng)和部件的可用度
子系統(tǒng)正常運行。如果2臺UPS出現(xiàn)故障，因只有1臺備用
Table1 Availability of subsystems and components
UPS，部分負載必然中斷電力供應，即UPS子系統(tǒng)出故
子系統(tǒng)或 UPS輸出配電柜
UPS（A） STS設備（A）
部件名稱 1 （A 2） 3 障。因最多允許1臺UPS故障，Catcher Bus方案的UPS子
可用度 0.999 948 839 2910.999 997 746 2410.999 993 605 157
系統(tǒng)屬于N/（N+1）表決系統(tǒng)，可用度Rl CB［7-9］為：
四母線方案在4組UPS正常工作或1組UPS出現(xiàn)故障 Rl CB(N+ 1)= (N+ 1)(A 1A 2)N(1- A 1A 2)+ (A 1A 2)N+1
的情況下不影響負載電力需求，在2組或更多UPS出現(xiàn) （6）
故障時，部分負載失去電力，屬于3/4表決系統(tǒng)［9］。在 為了解Rl CB如何隨N值變化而變化，求得Rl CB(N+ 1)
每組UPS只設置1臺UPS條件下，四母線方案可用度 - Rl CB(N+ 2)如式（7）所示。其值是正值，說明Rl CB隨