中国联通北京公司数据机房UPS系统设计方案

伊顿电源（上海）有限公司 张阳

 

一． 项目概述
    通信业重组、3G正式运营、电信日的临近，2009年国内的通信行业加大了各类网络建设的力度，如各类机房、基站的更新换代与全面的改扩建拉动了投资的快速增长，行业前景显现出勃勃生机。在这挑战与机遇并存的历史时刻，关于如何构建“绿色、安全、稳定”的通信网络，就成为社会各界争相关注的焦点。
    中国联通于2009年在原中国网通和原中国联通的基础上合并而成，是中国唯一一家同时在纽约、香港、上海三地上市的电信运营企业。截至2008年底，资产规模达到5266.6亿元人民币。中国联通为能更好的利用资源拓展商机，在提升自身竞争力的同时，为大众提供更周到全面的服务，将原IDC数据机房进行了全面的改造升级，并对机房中起保护作用的UPS不间断电源设备，采用公开招标选购。中国联通北京分公司更要求所需产品必须性能安全稳定、“绿色”节能、便于安装、调试、使用、维护，更重要的是要具有方便的扩展功能，以应对未来业务的需求。

    在此次招标中，伊顿公司作为全球第二大不间断电源及控制系统生产商，再次凭借过硬的产品、周到的服务、完善的解决方案，获得招标方的青睐，成功拿下该项目订单。为中国联通北京分公司提供12台300KVA 9395系列产品，为其计算机机房“书写“绿色”、安全、稳定的新篇章。
二． 数据机房UPS系统设计原则

1． 安全稳定的新型不间断电源系统

    伊顿9395采用双转换在线式结构设计，专为最关键的敏感负载提供纯净、不间断、高质量的电力保护，以确保负载处于最安全、可靠的运行状态并有效延长它们的使用寿命，足以确保数据中心持续稳定的电源供应。

2． 绿色环保

    伊顿9395在设计之初就引入使用可持续材料和高效率的制造工艺，使产品在市场上的碳排放最低，仅在使用维护中就能够节约大约80%的能源需求；而新型的无变压器设计，通过减少钢、铜等原材料，减少有害物质，使产品单位重量减轻，在运输过程中减少20%的碳排放量，降低了运输成本；小巧的机身加上独特的模块化装配构架及智能化增容设计，节省了宝贵的机房空间；而优异的节能设计更可以大大减少二氧化碳排放量，节约大量电力和制冷花费。
3． 便捷的安装与测试

    简便易行是中国联通北京公司对UPS产品的重要参考标准。9395轻便小巧的机身便于运输与安装；与生俱来的负载测试功能，避免租用昂贵的假负载做满载测试，简化了测试程序；冗余的逻辑控制电源与冗余的冷却风扇，让运行人员完全不用考虑额外的布线的问题，节约了更多的人力、物力、财力。

4． 灵活的容量升级与扩展能力

    规模庞大的工程要求灵活的扩展功能与之相适应。伊顿9395独特的模块化装配构架及智能化增容结构设计，使UPS的N+1并机冗余及容量扩展工程变得极为简单，充分满足了黑龙江国税局对未来容量升级、后备时间延长等变化的需求。同时，独有的工厂化“预置电缆连接”并联扩容解决方案，将未来扩容安装工程及调试时间减少为原来的1/5。
三．系统配置  
    在电信机房不间断供电系统设计中，为了确保重要负载不会因为UPS、电池、输入和输出配电系统出现故障造成断电现象，采用双总线UPS供电系统是一种最佳解决方案，如图1所示。

图1 双总线供电系统配置图

    双总线供电系统的高可靠性体现在以下方面：
    1. 确保在有一套UPS出故障时，仍然能够为所有负载提供不间断的高可靠的电源。

    2. 双总线供电系统带来了负载用电可靠性的显著提升，从输入配电到输出配电，每个环节均采用备份冗余方式，消除系统上的任何单独故障，为电信的安全可靠运行提供全方位的保护，并使对负载的供电可靠性达到 99.9999%甚至更高。
    对于双输入负载，采用双路电源供电，每一关键设备的输入均来自两条母线配电开关。
    对于单输入负载，将双母线上的电力经过STS自动电子转换开关，转变成单路的电源，再向负载提供精密供电。STS完成的功能是当一路输入电力故障时，STS能够在6ms内切换到另一路输入上，保障关键设备不间断运行。

    3. 在随着电信业务的不断增长，对负载设备进行扩容时，只需对现有的UPS系统进行扩容即可，为客户节省二次投资成本。

    为每套系统根据后备时间要求配置相应数量的免维护铅酸蓄电池，9395 UPS系统可以定期自动对电池组进行充放电和性能检测。

    在UPS输入端和输出端分别配置输入配电柜和输出配电柜，并在配电柜中配置相应的电压，电流和其他参数检测装置。

四．产品特点

    9395系列是伊顿爱克赛公司推出的第五代大功率UPS电源，单机容量从225KVA至1100KVA。它由伊顿爱克赛位于美国和芬兰的工厂联合研发，是美国军方指定的UPS产品。9395系列采用当今最先进的电力电子技术，充分考虑新时代用户负载的实际使用环境和使用特点，并且集其在电源系统设计方面40余年的先进技术与丰富经验，全力打造出的一款为最关键负载提供高可靠供电保护的、具有创造性的不间断电源系统。可以全面满足大型数据中心、通讯中心、机房、工厂自动化、大型医疗系统或大型办公等应用场所的电力保障要求。

1．全IGBT设计，输入功率因数>0.99，输入THDI<3%

    9395系列UPS采用了全IGBT结构，即UPS的整流器和逆变器均采用IGBT作为功率开关元件。IGBT作为当今最先进的、技术成熟的功率电子元件，已经被所有的UPS厂商用于逆变器电路，而伊顿爱克赛更是自2000年起开始将IGBT成功用于UPS的整流器，并成功造就了8~1100KVA的绿色电源系统。

    IGBT整流器所带来的结果是将UPS对电网的电力谐波污染降至前所未有的水平，9395系列UPS的输入电流谐波总失真度<3%，输入功率因数高达0.99以上，对电网而言UPS相当于纯阻性设备，电压和电流之间无任何相位差，真正实现了绿色环保电源的理念。

    而伊顿爱克赛的IGBT整流器，则是从根本上解决问题，即UPS从源头上抑制了谐波的产生源，因此也无需再进一步花费来抑制。这属于超前的主动式治理。
    图2是伊顿爱克赛UPS的输入电压电流波形。

图2

2．高达0.9的输出功率因数

    9395系列UPS的设计完全符合当今负载的实际应用要求，10年前的计算机和服务器负载功率因数普遍为0.7~0.8，而当今的主流计算机和服务器功率因数均为0.9，即新负载需要的有功功率增加了，而需要的无功功率减少了。这就要求UPS必须适应这一现实情况的改变，必须要能够提供更多的有功功率KW。

图3

    9395系列UPS的输出功率因数高达0.9，完全符合负载的实际要求。与传统的只有0.8输出而当功率因数的UPS相比，9395可以提供更多的有功输出，因而具有更强的带载能力。当负载功率因数降低时，9395同样能够提供满负荷容量的输出。

3．全球最高的整机效率，即使在半载时依然可达95%
    在当今机房供电系统中，80%的UPS带载率都小于50%。由于并机、双总线冗余
系统的大量使用，分摊到每台UPS的实际负载非常小，几乎所有的UPS的应用现状都是大马拉小车， 因此对于用户而言，UPS在半载或更轻负载时的整机效率才真正具有实际意义。

4．ABM(Advance Battery Management)：
    ABM智能电池管理系统在充电过程中采用了三段式充电方式：
    限流均衡充电
    恒压浮充
    电池自放电状态的停止充电

图4

    利用“均衡充电”及时消除位于电池组中的各个单元电池所可能发生的电池端电压的不平衡度，并缩短电池的充电时间。
    电池并非一直处于浮充状态，电池充满后从直流母线上脱开，此时注入电池的充电纹波电流为零，消除了电池极板的“钝化”和腐蚀现象。延长了电池50%的使用寿命。

图5

5．DSP数字控制技术
    伊顿爱克赛9395系列UPS采用32为的DSP数字信号处理器，比传统的CPU速度快50倍以上，大大缩短了闭环控制时间，提高UPS输出电压的精确性和稳定性及对故障的快速处理能力。

6．整流器和逆变器的一体化、通用化、模块化设计
    为了使9395 UPS 的制造、维修部件更加通用化和标准化，减少器件的数量和种类，缩短故障的分析及维修时间，9395 UPS采用了独创性的结构设计技术，其整流器与逆变器采用完全相同的电路原理，完全相同的、可互换的结构设计。

7． Hot-Sync热同步并机专利技术，模块化冗余并联设计
    爱克赛9395采用专利的热同步并机技术，彻底抛弃了传统UPS并联所需要的通讯线，消除了单点故障，提高了系统的可靠性。充分发挥了数字控制软件的功能，控制UPS的并联运行，将环流降到最小，负载的均分不平衡度<2%。

    UPS在并机时，不需要互相获取对方的实时频率、相位，电压，电流等参数信息， 就能达到同步并均匀分担负载电流。这种技术在强大的数字处理器的直接数字合成技术和自适应调控功能的支持下，只需要自己关注自己的输出电压，电流及相位，就可达到输出同步并均分负载及故障UPS快速 脱机等调控功能，将UPS并机概念提高到一个崭新的高度。

8． 风道式冷却系统，冗余风扇，风扇转速检测技术
    风扇作为易损件，在UPS各部件中占有非常重要的地位，一旦风扇出了故障，UPS主机轻则因温度过高而导致元器件老化性能下降，重则会因过热而停止工作造成负载断电。9395采用风道式冷却方式，前进风、上出风，风扇位于UPS中部，向外吹风，UPS进风口设有除尘过滤网，避免将灰尘抽入UPS机内。爱克赛9395则是利用霍尔传感器对于风扇转速进行实时检测，UPS的LCD面板可监测每个风扇故障，并通过监控系统进行声光报警。

9． 冗余逻辑电源设计
    逻辑电源是UPS的核心控制电源，一旦出现故障将会导致UPS整流逆变电路无法工作，因此每台9395 UPS都采用了两块冗余的逻辑电源板，同时采用三路取电方式，逻辑电源板的获电来自市电输入，旁路输入，逆变器输出。这种冗余设计保证了主机控制电路在任何情况下都能正常工作。

10． Easy-Load负载测试专利技术
    当UPS系统安装完毕后，通常用户需要租用昂贵的假负载对系统进行加电实验，此时会产生大量的散热和功耗。而9395采用专利的EASY-LOAD负载测试技术，
这是一种完全绿色的测试，无需外部负载箱，无需相应的电缆安装工程，UPS自己在内部即可产生一个满负载，可以对对UPS内的所有功率部件及连接件进行满载测试，测试UPS, 旁路, 电缆，开关设备上的发热现象，并可以进行满载电池放电测试。

11． 简洁方便的可操作维护性
    9395标配上进线和下进线走线方式，无需额外的上进线柜，可靠墙或并排摆放。
预置式电缆连接，在进行扩容时无需复杂的二次电缆布线，从而为用户节省了大量工程开支。