2、數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在的問題

1、現(xiàn)代通信機房（IDC)UPS及供電系統(tǒng)現(xiàn)狀主講人：杜秋18918033303@189.cn,1,2024/3/22,一、IDC機房中UPS供電系統(tǒng)現(xiàn)狀和值得思考的問題二、當前UPS供電系統(tǒng)設(shè)計和配置中存在的若干問題,目錄,2,2024/3/22,一、UPS供電系統(tǒng)現(xiàn)狀和值得思考的問題,3,2024/3/22,當前UPS供電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖,4,2024/3/22,（1）系統(tǒng)可靠性問題：系統(tǒng)復(fù)雜、單路經(jīng)故障點多、設(shè)備可靠性差、

2、維護難度大等。（2）系統(tǒng)電流諧波干擾問題：系統(tǒng)中存在兩個諧波源-負載開關(guān)電源和UPS。對電網(wǎng)和系統(tǒng)本身形成干擾、增加濾波設(shè)備、降低輸入功率因數(shù)和能源利用率、對地線系統(tǒng)提出苛刻要求等。（3）系統(tǒng)成本和能源消耗問題：能源兩次轉(zhuǎn)換降低了效率、系統(tǒng)復(fù)雜性提高了購置成本和運行成本、電流諧波的存在增加了濾波設(shè)備、輸入功率因數(shù)的低下降低了系統(tǒng)設(shè)備容量利用率。（4）系統(tǒng)標準化問題：系統(tǒng)復(fù)雜為標準化帶來困難，系統(tǒng)設(shè)計建造停留在手工業(yè)階段。（

3、5）系統(tǒng)的靈活性和可擴展、變更問題：以計劃容量一次性投入、難以變更和擴展，縮短了生命周期。 （6）系統(tǒng)使用維護難度問題：要求較高的維護水平，多供應(yīng)商和非標準化使故障修復(fù)困難。,當前UPS供電系統(tǒng)存在的問題,5,2024/3/22,與安全有關(guān)的兩大問題決定了傳統(tǒng)UPS技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)的可用性：可靠性低，造成系統(tǒng)不可預(yù)見的突發(fā)性故障；諧波干擾：造成系統(tǒng)隱性故障；,6,2024/3/22,諧波電流對系統(tǒng)和電網(wǎng)的污染,1、諧波電

4、流是UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因：,,2、輸入功率因數(shù)低是降低電能利用率和系統(tǒng)工作效率低的原因之一： 在電壓是正弦波的情況下，所有的諧波電流形成的功率都是無功的,,4、電流峰值因數(shù)對供電設(shè)備和傳輸導(dǎo)線容量的影響： 增大傳輸損耗；,5、諧波電流對供電系統(tǒng)的污染：1）、使設(shè)備和元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電效率；2）、加速電纜絕緣老化，縮短使用壽命；3）、干擾由同一

5、電網(wǎng)供電的其它電氣設(shè)備的正常工作；4）、引起局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大；5）、導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表計量不準確；6）、對通信和計算機系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；,7,2024/3/22,UPS供電系統(tǒng)的諧波治理：諧波治理是UPS設(shè)備性能改進和供電系統(tǒng)配置研究的重要的課題。治理措施：增大電力系統(tǒng)的供電容量和傳輸電纜、開關(guān)等設(shè)備容量；改變變壓器的配置和不同的方式聯(lián)接方式； 在系統(tǒng)中和設(shè)備內(nèi)部配置無

6、源濾波器； 在UPS設(shè)備輸入端采用輸入功率因數(shù)校正電路-PFC 在系統(tǒng)或設(shè)備輸入端配置有源濾波器,8,2024/3/22,,9,2024/3/22,,10,2024/3/22,11,2024/3/22,提高系統(tǒng)可用性方法之一：單機冗余并機系統(tǒng),12,2024/3/22,提高系統(tǒng)可用性方法之二：雙總線冗余并機系統(tǒng),13,2024/3/22,提高系統(tǒng)可用性方法之三：單機模塊化UPS,14,2024/3/22,提高系統(tǒng)可用性方

7、法之四：集成化UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,供電設(shè)備制造和供應(yīng)渠道的統(tǒng)一化；設(shè)備結(jié)構(gòu)的一體化和連接的規(guī)范化；各設(shè)備和環(huán)節(jié)狀態(tài)管理的集中化；各設(shè)備和環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的模塊化、冗余配置和連接的熱插拔功能。,15,2024/3/22,提高系統(tǒng)可用性方法之五：,智能監(jiān)控與管理：是提高管理水平的輔助手段，可提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，減少故障發(fā)生的概率，防患于未然。,自檢功能：定期的自檢功能，以防患于未然；UPS遠程診斷與維護功能：遠程檢查UPS狀態(tài)、查詢預(yù)警

8、信息； 自動關(guān)機功能：UPS執(zhí)行定制化的數(shù)椐保護功能；自動報警功能：UPS系統(tǒng)故障時，通過電子郵件、尋呼、彈出式信息等方式實時通知系統(tǒng)管理員。,16,2024/3/22,當前UPS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,17,2024/3/22,值得思考的問題：,傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)方案已經(jīng)走過了50年，IDC供電系統(tǒng)設(shè)計建造的現(xiàn)狀和趨勢是：系統(tǒng)不斷復(fù)雜化；設(shè)備堆積、結(jié)構(gòu)臃腫；成本不斷攀升；效率難以再有效提高；五花八門，難以標準化。運

9、維難度越來越大系統(tǒng)可靠性差是造成以上現(xiàn)象的根本原因,18,2024/3/22,值得思考的問題之一：可靠性問題,3、用戶感覺到UPS系統(tǒng)故障的頻率不亞于市電掉電故障的頻率； 平均每年一次市電掉電有UPS系統(tǒng)保護； 而UPS系統(tǒng)故障由誰保護呢？！,,1、負載對系統(tǒng)可靠性要求提高，是因為UPS系統(tǒng)的可靠性不高,2、在系統(tǒng)正常的情況下，市電掉電時可保護負載不間斷地繼續(xù)供電； 市電掉電和系統(tǒng)故障發(fā)生在同一時刻的可能性不大；

10、 但市電正常，系統(tǒng)本身故障卻沒有確有把握的保護！,19,2024/3/22,值得思考的問題之二：諧波源治理問題,系統(tǒng)中的諧波是負載和UPS設(shè)備自身產(chǎn)生的， 而不是電網(wǎng)帶來的；供電系統(tǒng)為治理電流諧波付出的代價是巨大的；有沒有更有效的消除電流諧波源的辦法呢？,17,20,2024/3/22,值得思考的問題之三：建造成本,系統(tǒng)建造和運行成本還要繼續(xù)升高嗎？！,治理諧波電流要增加有源或無源濾波器；要提高設(shè)備可靠性，冗余并機使UP

11、S設(shè)備購置成本加倍；要提高系統(tǒng)可靠性，雙總線冗余配置使設(shè)備購置成本 再加倍；要降低零地電壓差，需要再配置隔離變壓器，提高電 纜規(guī)格；,,21,2024/3/22,值得思考的問題之四：能源效率,系統(tǒng)運行的能源效率還有提升的余地嗎？！,提高設(shè)備工作效率、降低系統(tǒng)中電流諧波形成的無功 功率，對提高系統(tǒng)能源效率起到了一定的作用；但設(shè)備輕載工作、UPS冗余配置、系統(tǒng)雙總線配置等提 高可靠性的措施，又明顯地提高

12、了系統(tǒng)消耗的功率；,系統(tǒng)復(fù)雜性本身造成了系統(tǒng)能源消耗不斷增大的趨勢,22,2024/3/22,值得思考的問題之五：維護使用難度,系統(tǒng)維護難度大的原因是： 系統(tǒng)復(fù)雜； 可靠性差； 沒有標準化；,系統(tǒng)故障總數(shù)中的50%以上是由于系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)和設(shè)備的安裝問題、人為操作和維護問題引起的！,23,2024/3/22,值得思考的問題之六：適應(yīng)性,系統(tǒng)的適應(yīng)性有多大討論的空間呢？！,當經(jīng)濟環(huán)境的變化周期小于設(shè)備的生命周期時，就會對設(shè)備的適應(yīng)性

13、提出要求。但由于技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟環(huán)境的不確定性和不可預(yù)測性，要求一臺設(shè)備能夠自動而有準備地適應(yīng)新的需求是根本不可能的。,24,2024/3/22,值得思考的問題之七：標準化問題,難道系統(tǒng)標準化永遠是句口號嗎？！,其他行業(yè)中標準化的觀念已上升到一個新的高度，成為了一種富有創(chuàng)造性并具有突出戰(zhàn)略意義的企業(yè)哲學(xué)。,IDC機房的標準幾乎沒有什么進展。還停留在手工行業(yè)階段：將來自不同供應(yīng)商的不兼容的設(shè)備進行定制化設(shè)計，組合成一個獨特的大型基礎(chǔ)設(shè)施系

14、統(tǒng)。因而產(chǎn)生了難以設(shè)計、部署、維護和管理的系統(tǒng) ；,所有應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品最終都是用商業(yè)價值決定優(yōu)劣的；,標準化對提高可用性、提高適應(yīng)性和降低總擁有成本起著重要的作用；,25,2024/3/22,值得思考的問題之八：正確地選用配置UPS,根據(jù)需要確定選用標準；計算機對UPS電性能指標要求并不高；任何高指標都是要以提高成本和降低可靠性為代價的；屏蔽和排除廠家的誤導(dǎo)；,26,2024/3/22,一、IDC機房中UPS供電系統(tǒng)現(xiàn)狀和值得思

15、考的問題二、當前UPS供電系統(tǒng)設(shè)計和配置中存在的若干問題,目錄,27,2024/3/22,二、UPS系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中存在的若干問題,計算機類負載對UPS電性能指標要求不高；先進UPS 的性能指標是什么；如何衡量設(shè)備的可靠性；可靠性與可用性的區(qū)別；系統(tǒng)的模塊化與標準化；關(guān)于系統(tǒng)模塊化的概念討論；隔離變壓器在供電系統(tǒng)中的功能-無輸出變壓器UPS的優(yōu)缺點；系統(tǒng)零地電壓差的產(chǎn)生與治理；UPS 供電系統(tǒng)方案的選擇；,28,202

16、4/3/22,二、UPS系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中存在的若干問題,雙輸入電源負載特性；雙總線系統(tǒng)的單路徑故障點與新的配置方法；高可用級別的雙總線系統(tǒng)；冗余系統(tǒng)中再冗余對可用性的影響；低成本的雙總線系統(tǒng)；油機再冗余對可用性的影響；UPS輸出功率因數(shù)與實際帶載能力；關(guān)于UPS輸入阻抗性質(zhì)（PF≠1、容性還是感性）； UPS輸入電流諧波污染與抑制方法；,29,2024/3/22,二、UPS系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中存在的若干問題,機房接地問題；

17、油機與不停電系統(tǒng)；關(guān)于UPS輸入電壓變化范圍；數(shù)據(jù)中心輸入消耗能源分布與節(jié)能問題；IT系統(tǒng)交流輸入環(huán)節(jié)不能加漏電保護器；隔離變壓器啟動短路問題；關(guān)于參數(shù)穩(wěn)壓器在系統(tǒng)中的配置問題；,30,2024/3/22,1、計算機類負載對電性能指標要求不高,性能指標 計算機類負載的要求電壓穩(wěn)定精度

18、 +15%，-20% +20%，-35%波形失真度 有效值峰值變化=穩(wěn)壓精度范圍三相電壓不平衡度 <5%頻率變化

19、范圍 +200%/-10%市電掉電時轉(zhuǎn)換時間（ms） <20,31,2024/3/22,上部軌跡：電源低電壓 DC 輸出中間軌跡：輸入電壓和電流,斷開 AC 后，承擔(dān)大容量負載的計算機電源輸出延遲一段時間后才開始下降。,輸入掉電后，計算機內(nèi)部直流電壓變化情況,32,2024/3/22,允許

20、在與 SMPS 設(shè)備連接的 UPS 輸出中出現(xiàn)大小和持續(xù)時間位于綠色“區(qū)域”中的電壓擾動（“瞬變電壓”）；,摘自 IEC 標準 62040-3：SMPS 負載兼容的可接受 AC 電壓異常的大小和持續(xù)時間,計算機輸入電壓變化與持續(xù)時間的關(guān)系,33,2024/3/22,后備式方波輸出UPS是不穩(wěn)壓的,穩(wěn)壓精度：額定值±11.25%,34,2024/3/22,UPS輸出電壓的穩(wěn)頻問題,一、計算機負載對頻率范圍的要求：-10%，頻率

21、過低時，會使整流濾波后的紋波加大，影響計算機直流電源的工作；+200%，在低頻整流濾波正常工作范圍內(nèi)二、市電輸入正常時，UPS輸出頻率必須跟蹤市電頻率：當輸出過載或逆變器故障時，可保證逆變—旁路正常轉(zhuǎn)換；在并機系統(tǒng)中，可保證所并各臺UPS逆變器同步，減少因不同步而形成的各臺之間的環(huán)流，提高并機均流度和系統(tǒng)可靠性。三、只有在電池逆變時才有輸出電壓穩(wěn)頻問題：,35,2024/3/22,可靠性和輸出能力成為最重要的指標； 輸入

22、功率因數(shù)是否做到0.99和輸入電流諧波成分是否小于5%；在系統(tǒng)配置能力上它必須有多臺輸出均流冗余并機的能力；為了提高系統(tǒng)的可用性，它必須是可修復(fù)和可快速修復(fù)的設(shè)備,因此在體系結(jié)構(gòu)上采用模塊化可在線熱插拔技術(shù)；UPS具有更強大的智能管理功能，將電源管理系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)集成開始成為最重要的技術(shù)內(nèi)容之一；,UPS的性能要求和評估選用標準發(fā)生了明顯的變化,2、先進UPS的性能指標,36,2024/3/22,3、如何衡量設(shè)備的可靠性,

23、MTBF是科學(xué)的，但由于不可測量而不可信；可量化的設(shè)備可靠性指標： 工作效率； 過載能力； 輸出功率因數(shù)； 輸出電流峰值系數(shù)； 輸出不平衡能力；,37,2024/3/22,失效率：式中：ns試驗開始時正常工作的樣品數(shù)；n在運行（t1-t2）時間間隔內(nèi)出現(xiàn)故障的樣品數(shù)；可靠度：

24、 平均無故障時間：MTBF= =當考察的工作時間 t <<MTBF時 通常t=1年，將平均故障時間（即維護時間定義為MTTR，則其可用性A表示為：可用性：,4、可靠性與可用性的區(qū)別,,,,,,λ=常數(shù),38,2024/3/22,“不停電”觀念的變化,市電故障后延時10—15分鐘供電，保證計算機數(shù)據(jù)存儲并安全關(guān)機。系統(tǒng)要求---可靠

25、性；,不停電保護系統(tǒng),市電故障后保證系統(tǒng)不間斷繼續(xù)供電。系統(tǒng)要求---可靠性+可用性；,不停電供電系統(tǒng),39,2024/3/22,MTBF與失效率及產(chǎn)品壽命的關(guān)系,MTBF與產(chǎn)品生命周期無關(guān)以 50 萬個 25 歲的人作為抽樣，在一年的時間內(nèi)，收集這些人口的“故障”（死亡）數(shù)據(jù)。這些人口的生活時間是 500000 x 1 年 = 50 萬人年；在這一年當中，有 625 個人“出現(xiàn)故障”（去世）。故障率為 625 個故障 / 50

26、萬人年 = 0.125% / 年。MTBF 是故障率的倒數(shù)，即 1 / 0.00125 = 800 年；,,故障率的浴缸曲線,MTBF≠故障時間間隔如果MTBF=10萬小時；失效率λ=0.00001；如果在產(chǎn)品生命周期內(nèi)， λ為常數(shù)，則在任意一個時間段內(nèi)，產(chǎn)品都有失效(故障)的可能性；,40,2024/3/22,系統(tǒng)不可用時間比例,冗余配置的可用性,,,,,,系統(tǒng)運行總時間=1,系統(tǒng)可用時間比例A,,,兩個系統(tǒng)串聯(lián),兩個系統(tǒng)冗

27、余并聯(lián),,（空間狀態(tài)圖）,,,,,,41,2024/3/22,（1+1）并聯(lián)可用性計算公式：,,,式中：A—可用度 n—n個模塊的額定容量之和等于UPS實際輸出負載容量（n≥2）； m—冗余的模塊數(shù)；,,多機并聯(lián)（模塊化）可用性計算公式：,并機系統(tǒng)可用性計算,42,2024/3/22,可靠性模型及計算舉例：4+1冗余并機系統(tǒng),(1)、輸出滿載，任意兩臺故障都會造成系統(tǒng)故障,(2)、輸出75%額

28、定負載，系統(tǒng)為3+2冗余，任意三臺故障都會造成系統(tǒng)故障,,RS(3+2)={ 1- [1- R]3}10,RS(4+1)={ 1- [1- R]2}10,冗余并機對可用性的影響,43,2024/3/22,負載量對可靠性和可用性的影響,44,2024/3/22,現(xiàn)代信息系統(tǒng)對基礎(chǔ)設(shè)施的一個基本要求是：該系統(tǒng)必須能連續(xù)工作,一個能連續(xù)工作的系統(tǒng)必然是一個能夠修復(fù)和可快速修復(fù)的系統(tǒng),一個能修復(fù)和可快速修復(fù)的系統(tǒng)要求組成該系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)都必須

29、有模塊化功能,5、系統(tǒng)模塊化與標準化 ---構(gòu)建信息系統(tǒng)基礎(chǔ)物理設(shè)施的最基本的法則,,,45,2024/3/22,,模塊化的基本特征：模塊是系統(tǒng)中一個可獨立運行的單元；結(jié)構(gòu)上整體安裝、拆卸、更換、移動；相同單元可冗余并機運行；,系統(tǒng)模塊化要考慮的內(nèi)容設(shè)備安裝空間：可在線維護、拆卸、設(shè)備擴容、移動、更換PDU及線纜鋪設(shè)：可在線擴容、更換、重組（不允許帶電操作）；制冷與通風(fēng)：出風(fēng)口風(fēng)量調(diào)節(jié)和位置變動,冗余模塊和在線維護；

30、,一個螺帽，一條電纜，它們都有獨立功能，但系統(tǒng)運行后，由于工具和物理空間原因，無法再對其拆卸，則該螺帽就不具備模塊化功能；一臺復(fù)雜的UPS設(shè)備，它有冗余并機功能，可在線維護、拆卸、擴容、移動、運進運出更換，則這臺UPS具備模塊化功能,46,2024/3/22,6、關(guān)于系統(tǒng)模塊化的概念討論,設(shè)備、線纜、開關(guān)等可獨立運行且結(jié)構(gòu)上可整體裝、拆、換、移動的單元,,（N+1）UPS、 （N+1）空調(diào)及其它有冗余配置功能的模塊化子系統(tǒng),,擴容模塊

31、化UPS、保險絲、無工具安裝線纜及其它有可插拔安裝功能的模塊化子系統(tǒng),,（N+1）模塊化UPS及其它有同樣功能的模塊化子系統(tǒng),,47,2024/3/22,系統(tǒng)模塊化設(shè)計,系統(tǒng)模塊化設(shè)計,48,2024/3/22,7、隔離變壓器在供電系統(tǒng)中的功能 ---無輸出變壓器UPS的優(yōu)缺點,UPS輸入12脈沖整流必須配置隔離變壓器輸出DC/AC全橋逆變器需要隔離變壓器系統(tǒng)零地電壓差大時需配置隔離變壓器普通隔離變壓器抗干擾能力不強半橋

32、逆變器可去掉輸出隔離變壓器,49,2024/3/22,UPS輸入12脈沖整流必須配置隔離變壓器,50,2024/3/22,十二脈沖整流電路形式,51,2024/3/22,TNS,TNS,TNS,TNS,逆變器變壓器,零地電壓,,UPS的內(nèi)置逆變變壓器不隔離中線，零地電壓是系統(tǒng)原有特性。,,,,,,,,零地電壓,,不真實的理由：逆變變壓器實現(xiàn)輸入—輸出的隔離；真是的理由：產(chǎn)生輸出中線，提升輸出電壓；,機內(nèi)輸出隔離變壓器沒有系統(tǒng)隔離功能,

33、53,2024/3/22,系統(tǒng)零地電壓差大時需配置隔離變壓器,54,2024/3/22,系統(tǒng)零地電壓差大時需配置隔離變壓器,55,2024/3/22,缺點：輸出三相電路不能單獨控制調(diào)整； 逆變器帶變壓器工作頻率難以提高（不符合高頻化小型化趨勢）； 必須用隔離變壓器（升壓、產(chǎn)生零線）輸出，體積大而重，整機成本高、效率低； 輸出三相不平衡對逆變器工作狀態(tài)影響大；

34、 當產(chǎn)生正負開關(guān)波的信號不對稱時，變壓器存在著磁化不平衡問題，嚴重時會使輸出變壓器進 入飽和狀態(tài)； 輸入電流諧波成分高，輸入功率因數(shù)低。（2）半橋逆變器不帶輸出隔離變壓器的優(yōu)缺點： 正好 與全橋逆變器帶輸出隔離變壓器相反（3）系統(tǒng)配置的共同點： 系統(tǒng)零地電壓差大時，都需要單獨配置隔離變壓器；,半橋逆變器可去掉輸出隔離變壓器,從

35、電路技術(shù)的角度講，去掉變壓器是UPS電路技術(shù)的一種進步！,（1）.全橋逆變器帶輸出隔離變壓器優(yōu)點：交流輸出與直流母線電壓隔離； 對開關(guān)管（IGBT）靜態(tài)耐壓 （380V）和dv/dt要求低；,56,2024/3/22,去掉工頻變壓器是UPS設(shè)備電路技術(shù)進步的標志,半導(dǎo)體技術(shù)進步 電路技術(shù)改進 設(shè)備技術(shù)性能提高,,,57,2024/3/22,,半導(dǎo)體器件的進步帶動電路技

36、術(shù)和性能的進步,你的可靠性期望值是多少,,58,2024/3/22,8、系統(tǒng)零地電壓的產(chǎn)生與治理輸入電壓存在時系統(tǒng)零線是不能斷的,,零線斷對負載的影響,59,2024/3/22,說明:兩臺IT設(shè)備分別接在三相電源的兩相上，每個IT設(shè)備的輸入都是220V,而兩相之間的電壓差是380V；負載由兩相分別供電，輸入電壓都是220V，互不影響。在交流輸入線電壓正常的情況下，斷開零線，UA>UB時，電流的途徑是： UA---D1---

37、--負載1----D2---D3---負載2---D4—UB于是，UAB 380V電壓加在負載1和負載2上，結(jié)果：1、負載1和負載2相等，分別加電壓380V/2= 190V ；2、負載1和負載2不相等，380V按阻抗比分配電壓；3、負載1和2極端不平衡， 380V加在一路負載上，直流母線電壓由310V升高至540V，此路可能因過壓燒毀。,60,2024/3/22,零地電壓的產(chǎn)生：不平衡負載基波電流；高次諧波電流：主要是3次和

38、3的整數(shù)倍諧波；零地電壓的測量： 有效值，包括不平衡基波電流和高次諧波電流峰值，是有效值的3-4倍；零地電壓標準限值： 有效值1V或2V，是衡量零線是否接好的方法，而非是否影響負載正常工作的限值，1V可能有問題，5V也許沒有問題；零地電壓治理：平衡三相負載；降低諧波電流；降低零線傳輸阻抗：加大導(dǎo)線截面、減小節(jié)點阻抗、縮短零線傳輸距離；加隔離變壓器(位置)；,線路阻抗：Z=ρL/Sρ =22.5mm

39、78;/mL：mS：m2,18,19,61,2024/3/22,如果零地電壓主要是系統(tǒng)諧波電流造成的，那么較大的諧波電流可能會在形成諧波電壓后再通過濾波器增大注入地線的電流,而零地電壓差并不直接影響負載工作，因為機內(nèi)開關(guān)電源的輸入輸出是通過高頻變壓器隔離的。,62,2024/3/22,,UPS輸入端，UPS工作正常,UPS輸入端，UPS轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路,UPS輸入端，UPS電池逆變,UPS輸出端，UPS工作正常,UPS輸出端，U

40、PS轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路,UPS輸入端，UPS電池逆變,(平衡負載下的UPS輸入輸出諧波電壓),63,2024/3/22,9、UPS 供電系統(tǒng)方案的選擇選擇配置方案的原則：“N”系統(tǒng)串聯(lián)“N+1 ”冗余系統(tǒng)并聯(lián)“N+1”系統(tǒng)分布式（Distributed）冗余雙總線冗余系統(tǒng)2(N+1)、2N+2、[(N+1) + (N+1)]、[(N+1)+AC ](STS)配置雙總線系統(tǒng)應(yīng)注意的其它問題,64,2024/3/22,實際的可用性數(shù)

41、值的分類等級屬性（TIA-942標準）,65,2024/3/22,第I等級：基本型配有電力分配和冷卻系統(tǒng)，有或不一定有活動地板、UPS 、發(fā)電機。在這些系統(tǒng)上的關(guān)鍵負荷能達到N的100%。設(shè)備是單模塊的系統(tǒng)，有很多的“單點故障”點。預(yù)防性檢修和修理時需要停機。器件故障、操作錯誤，以及自然災(zāi)害等都會造成系統(tǒng)中斷。電力和冷卻都是單通路，沒有冗余，可用性99.671%,第1級硬件保護,66,2024/3/22,第 II等級：部件冗余

42、型場地內(nèi)有活動地板；一臺UPS 和發(fā)電機，供電的能力設(shè)計是N+1，全部有單一的分配路徑。關(guān)鍵負荷能達到N的100%。關(guān)鍵線路的維修需要一次處理性的中斷停機。供電路徑上的故障可能引起系統(tǒng)停機電力和冷卻分配都是單通路，有部分冗余，可用性99.741%,第2級硬件保護,67,2024/3/22,第III等級：可同時維護型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是冗余的；有計劃的維護活動不會影響系統(tǒng)的運行。無計劃的活動，可能會引起數(shù)據(jù)中心的運行中斷。在一個系

43、統(tǒng)上的關(guān)鍵負荷不超過N的90%。具備“同時可維護性”功能，由多條電力和冷卻通路組成冗余功能，可用性99.982%,BYPASS,,,,N+1冗余,1+1冗余,等級3：增加系統(tǒng)可用性,68,2024/3/22,第IV等級: 故障容錯型故障容錯功能，通常是針對雙電源輸入系統(tǒng)配置。無計劃的故障或者事件不影響關(guān)鍵的負荷。電力系統(tǒng)供應(yīng)為每個有N+1冗余的兩個單獨的UPS 系統(tǒng)。 嚴格的故障容錯監(jiān)測，無計劃故障停機或者運行錯誤時不會

44、發(fā)生計算機程序中斷的能力。由多條電力和冷卻分配路徑組成，具有各個部分的冗余，并且是故障容錯的，可用性99.995%。,等級四:負載從不停電,69,2024/3/22,選擇配置方案的原則停機成本的影響 ：每分鐘的流動現(xiàn)金有多少？故障后系統(tǒng)恢復(fù)時間？停機成本（直接成本：設(shè)備更換和損失的處理時間；間接成本：事故處理人員、會議、規(guī)劃等）；風(fēng)險承受能力：風(fēng)險承受能力越弱，要求可靠性更高、故障恢復(fù)能力更強；可用性要求：一年內(nèi)能忍受的

45、停機的時間？可能要求決不能停機，或每天晚上 10 點之后以及大多數(shù)周末可以停機。每年計劃在維護方面所花的時間越少，系統(tǒng)需要的冗余設(shè)計組件就越多；負載類型：單電源負載與雙電源負載；使用環(huán)境：電網(wǎng)環(huán)境、負載環(huán)境、物理環(huán)境；成本預(yù)算：,70,2024/3/22,（1）、“N”系統(tǒng)N 系統(tǒng)定義：1、與關(guān)鍵負載規(guī)劃容量相等的單臺UPS 模塊或一組并聯(lián) UPS 模塊構(gòu)成的系統(tǒng)；2、N 配置是關(guān)鍵負載供電的最低要求；3、為了系統(tǒng)維護,需要外部

46、維護旁路；優(yōu)點：1、設(shè)計概念簡單，硬件配置成本低廉；2、由于 UPS 工作在設(shè)計滿負荷條件下，因而其效率最高；3、具備高于市電的可用性；4、可進行并機擴展增容（并聯(lián)多個額定值相同的 UPS 模塊）；缺點：1、可用性有限，因為如果 UPS 模塊出現(xiàn)故障，負載將轉(zhuǎn)換到旁路供電，從而處于無保護電源下；2、UPS、電池或下游設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源下（持續(xù) 2-4 小時）；3、缺乏冗余，限制了在 UPS 發(fā)生故障時對負載的保護能力；

47、4、存在多個單故障點，這意味著系統(tǒng)的可靠性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。,71,2024/3/22,（2）、串聯(lián)“N+1 ”冗余系統(tǒng)定義：串聯(lián)冗余 “N+1”系統(tǒng)，正常情況下由 “主”模塊供電?！按?lián)” 的 UPS 模塊為“主” UPS 模塊的靜態(tài)旁路供電。該配置要求“主” UPS 模塊的靜態(tài)旁路具有單獨的輸入電路。輸出仍存在單故障點，因此，維護旁路是一項重要的設(shè)計功能。優(yōu)點：1、產(chǎn)品選擇靈活，可以混用不同制造商不同型號不同容量的產(chǎn)品（系統(tǒng)

48、能力取決于小容量的UPS ）；2、不存在要求兩臺UPS均分負載的問題，對UPS單機的頻率同步跟蹤特性要求不高； 3、具備 UPS 容錯功能；4、對于雙模塊系統(tǒng)（1+1）而言，相對比較經(jīng)濟。,缺點： 1、依賴于主模塊靜態(tài)旁路是否能從冗余模塊正確接收瞬變負載； 2、如果電流超出逆變器容量，則要求兩個 UPS 的靜態(tài)旁路都必須能正常運行；3、輔UPS 必須能夠處理突然的負載變化；4、開關(guān)裝置及相關(guān)控制部件不僅復(fù)雜，而且昂貴；5、“輔助” UP

49、S 工作于 0% 負載情況下，運營成本高；6、每個系統(tǒng)一條負載總線，因而存在單故障點；7、空載運行的UPS蓄電池一直處于“浮充”狀態(tài)，縮短壽命和實際使用容量；8、沒有擴容功能；,72,2024/3/22,定義：輸出直接并機，“備用的”電量至少等于一個系統(tǒng)模塊的容量；要求采用同一制造商生產(chǎn)的相同容量的 UPS 模塊。優(yōu)點：可用性要高于“N”配置；可根據(jù)需求的增長進行擴展。硬件布置不僅設(shè)計概念簡單，而且成本低廉；缺點：并聯(lián)模塊必須采用

50、相同的設(shè)計、相同的制造商、相同的額定值以及相同的技術(shù)與配置；UPS 系統(tǒng)的上游與下游仍存在單故障點；在 UPS、電池或下游設(shè)備維護期間，負載處于無保護電源下；由于各個 UPS 設(shè)備的利用率均低于額定用量，因此運營效率較低；所并各臺需要一個邏輯控制總線，因而存在單路經(jīng)故障點；并機臺數(shù)增多時，需要外部靜態(tài)開關(guān)和并機控制柜，系統(tǒng)仍需要一個公共的外部維修旁路。,（3）、并聯(lián)“N+1”系統(tǒng),73,2024/3/22,（4）、分布式（Di

51、stributed）冗余分布式冗余設(shè)計和雙總線系統(tǒng)設(shè)計相似。將單路徑故障點減至最少。可同步維護 ；區(qū)別在于，UPS 模塊的數(shù)量不同，以及從 UPS 到關(guān)鍵負載的配電結(jié)構(gòu)不同。此方案可解決雙總線同步的問題優(yōu)點：1、可同步維護（如果所有負載均為雙電源負載）；2、與 2(N+1) 設(shè)計相比，UPS 模塊較少，因而成本較低；3、對于雙電源負載，兩條獨立的供電線路自入口處便提供了冗余；4、無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式（負載將處于無保護電

52、源下），即可對 UPS 模塊、開關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進行維護。所以不需要維護旁路電路；缺點：1、大量采用開關(guān)裝置，因此成本相對比較高；2、采用 STS 設(shè)備即意味著存在單路徑故障點以及復(fù)雜的故障模式；3、配置方案復(fù)雜。要保證各個 UPS 系統(tǒng)均分負載并了解哪些系統(tǒng)為哪些負載供電，是一項艱巨的管理任務(wù)；4、無法預(yù)計運行模式。各UPS 系統(tǒng)之間存在多種可能的轉(zhuǎn)換模式。要在預(yù)先定好的條件和故障條件下對所有這些模式進行測試，以檢驗控制

53、策略和故障清除、設(shè)備是否正常運行，是不切實際的；5、由于未達到滿負荷工作狀態(tài)，UPS運行 效率低下。,74,2024/3/22,75,2024/3/22,（5）、雙總線系統(tǒng)冗余定義：雙總線系統(tǒng)、多路并聯(lián)總線、雙輸入、2(N+1)、2N+2、[(N+1) + (N+1)] 以及 2N 等都指的是該配置的變體。其基本設(shè)計概念，是允許每一個電氣設(shè)備都可以在無需將負載轉(zhuǎn)換到市電的條件下出現(xiàn)故障或手動關(guān)閉。優(yōu)點：1、兩條獨立的供電線路，無單

54、路徑故障點，容錯性極強；2、該配置為從電力入口到關(guān)鍵負載的所有線路提供了全方位的冗余；3、在 2(N+1) 設(shè)計中，即使在同步維護過程中，也仍存在 UPS 冗余；4、無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式，即可同步維護；5、更容易使各 UPS 系統(tǒng)均分負載，并了解哪些系統(tǒng)為哪些負載供電；6、在設(shè)計中無需再面對 STS 設(shè)備及其復(fù)雜的故障模式，從而使系統(tǒng)可用性得到了顯著提高。缺點：1、冗余組件數(shù)量多，成本高；2、由于未達到滿負荷工作狀態(tài)，UPS 效率

55、低下；3、一般的建筑物不太適合采用可用性極高的雙總線系統(tǒng)，因為這種系統(tǒng)需要對冗余組件進行分開放置(實現(xiàn)更高級別的隔離)。,2(N+1) UPS 配置,76,2024/3/22,更關(guān)心配置是否具備高可用性，而不是其實現(xiàn)成本；位于專門設(shè)計的獨立建筑物中，基礎(chǔ)設(shè)施（包括 UPS、電池、制冷系統(tǒng)、發(fā)電機、市電和配電室）占據(jù)與數(shù)據(jù)中心設(shè)備同樣大小的空間，同時要考慮以下幾個因素：物理加固問題：能抵擋自然破壞，能免受電力系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障影響，

56、建筑物能夠隔離并控制住故障。例如，兩個 UPS 系統(tǒng)不應(yīng)放置在同一個房間內(nèi)，電池與 UPS 模塊也不應(yīng)位于同一房間中。電路斷路器的匹配問題： 建筑物加固：建筑物可抵抗颶風(fēng)、龍卷風(fēng)和洪水的破壞，應(yīng)當讓建筑物遠離 100 年的洪泛平原、建筑物上空應(yīng)避開航線、采用厚實的墻壁以及無窗 戶設(shè)計；去掉靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān) (STS)：應(yīng)避免STS 設(shè)備及其復(fù)雜的故障模式，對于可能存在的單電源負載 ，要充分利用雙總線系統(tǒng)設(shè)計方案的冗余優(yōu)勢，應(yīng)當將為單電

57、源負載供電的轉(zhuǎn)換開關(guān)（小功率ATS）配置在機架中。,配置雙總線系統(tǒng)應(yīng)注意的其它問題,77,2024/3/22,各種供電方案系統(tǒng)功能比較,78,2024/3/22,10、雙輸入電源的負載特性,Dell PE6650服務(wù)器雙電源測試結(jié)果:,79,2024/3/22,11、雙總線系統(tǒng)單路徑故障點與新的配置方法,80,2024/3/22,,,市電1,市電2,油機,ATS2,ATS3,,,,,配電1,配電2,UPS1,UPS2,,,配電3,配電4

58、,,,,雙電源90%,,,,,機架ATS,單電源10%,,,,完全隔離,,12、高可用級別的雙總線系統(tǒng),,,,防火、防災(zāi)、防戰(zhàn)爭,,,,ATS1,,,,,,,,,,,,81,2024/3/22,,,13、冗余系統(tǒng)中再冗余對可用性的影響,UPS再冗余對可用性的影響,Aa=At×[1-(1-A1×Au×A1)2]×As=0.9999799857Ab=At×〖1-{1-A1

59、15;[1-(1-Au)2]×A1}2〗×As=0.99997999949輸入輸出配電柜1-4，A1=0.99999；UPS，AU =0.9999，（MTBF=10萬小時， MTTR=8小時）；STS,As=0.99999電網(wǎng)輸入冗余系統(tǒng)，At=0.99999；,82,2024/3/22,14、低成本的雙總線系統(tǒng)（可用于舊系統(tǒng)改造）,優(yōu)缺點：？,83,2024/3/22,,ATS ： At=0.99999；油機 ：

60、Ay=0.999；市電：Ai=0.999；（在電網(wǎng)環(huán)境較好的地區(qū)）；,15、油機再冗余對可用性的影響,(a),(b),,,Aa=*At2=0.99998998901,Ab=*At3 =0.99998999989,84,2024/3/22,16、UPS輸出功率因數(shù)與實際帶載能力,UPS的實際輸出功率因數(shù)完全由負載功率因數(shù)決定，當UPS的設(shè)計輸出功率因數(shù)PF1與負載功率因數(shù)PF2不匹配時：PF1> PF2 UPS輸出能

61、力由負載無功功率決定；PF1< PF2 UPS輸出能力由負載有功功率決定；UPS可在與負載功率因數(shù)不匹配情況下工作，但逆變器脫離最佳工作狀態(tài)，可靠性降低；UPS帶單臺負載時，負載功率因數(shù)低，帶多臺負載時，負載功率因數(shù)高；,22,85,2024/3/22,在不同實際負載功率因數(shù)下UPS的輸出計算容量,86,2024/3/22,UPS的實際帶載能力,輸出功率因數(shù)傳統(tǒng)表達形式：,輸出功率因數(shù)完全是由負載電壓與電流的相移決定

62、的； 對輸出100KVA、PF=0.8的UPS，可帶80KW 純電組性負載；,對計算機類型的負載，輸入為整流濾波電路，功率因數(shù)的表達形式為：,輸出電流不是正弦波，而是脈沖波； 輸出電壓與電流相移不明顯，COSΦ接近1； 輸出電流波形嚴重失真，富含高次諧波成份； 在電壓為正弦波的情況下，無功功率主要由高次電流諧波形成； 電流峰值系數(shù)為3-5，而正弦波峰值系數(shù)為1.41； UPS輸出能力主要由過載能力

63、決定，高峰值系數(shù)可能造成逆變器過載； 所以，輸出100KVA、PF=0.8的UPS，不保證可帶有功功率80KW、PF=0.8的 計算機負載 ；,87,2024/3/22,瞬時狀態(tài)下的起動電流必須知道每個負載的起動電流及其持續(xù)時間。如果所有負載有同時起動的可能，則必須將所有的起動電流相加，以此來確定UPS的過載能力（幅值和延時時間）,注意：負載應(yīng)該一個一個地起動，或者按功能區(qū)域或以機架 為單元啟動，盡量避免起

64、動電流的疊加； 負載配電的順序是：先上游后下游,計算機系統(tǒng) : 起動電流為 8 In； 持續(xù)時間 80毫秒；,變頻調(diào)速器 起動電流為4 In 持續(xù)時間100毫秒；,隔離變壓器 起動電流為2-15 In 持續(xù)10-200 毫秒。,23,88,2024/3/22,17、關(guān)于UPS輸入阻抗性質(zhì)（PF≠1、容性還是感性）；,

65、,,,功率因數(shù)定義：,線性電路：功率因數(shù)降低是由于基波電壓與基波電流產(chǎn)生相移造成的，電容性負載產(chǎn)生超前電流，電感性負載產(chǎn)生滯后電流，有功功率與視在功率的夾角等于有功電流與視在電流的夾角，用Φ表示，則功率因數(shù)表達式為：,,非線性電路：,電路中，除了與基波電流之外，還存在大量高次諧波電流，在電壓為正弦波的情況下，所有高次諧波電流產(chǎn)生的功率都是無功的，如果以Φ表示基波電流與基波電壓之間的相移，則電路的功率因數(shù)表達式為：,,式中，r定義為電

66、流因數(shù)，在UPS輸入整流電路中，基波電流相移很小，cos Φ ≈ 1，低功率因數(shù)主要是由r 造成 的；,,結(jié)論：在低功率因數(shù)UPS電路中，討論是容性還是感性是沒有意義的。,89,2024/3/22,18、UPS輸入電流諧波污染與抑制方法,諧波的類型:,90,2024/3/22,諧波的問題:1、諧波形成無功功率,2、諧波電流是UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因。對計算機類型的負載，輸入為整流濾波電路，功率因數(shù)的表達形式為：,(輸入電壓為正

67、弦波),91,2024/3/22,,3、三次諧波在零線中疊加（形成零序電流）,92,2024/3/22,4、輸入功率因數(shù)低是降低電能利用率和系統(tǒng)工作效率低的原因之一P∝I2R ∝CSC2Φ(CSCΦ是COSΦ的倒數(shù)）,5、電流峰值因數(shù)對供電設(shè)備和傳輸導(dǎo)線容量的影響 對UPS容量的影響 對傳輸線和開關(guān)觸點的影響,93,2024/3/22,6、系統(tǒng)自污染，系統(tǒng)污染有兩個途徑：1、經(jīng)濾波器形成地電流而形成地線污染；2、諧波

68、電流通過傳輸阻抗形成諧波電壓污染；,銅線阻抗：Z=ρL/Sρ =0.01707mm²/m（Ω）L：mS：mm2,94,2024/3/22,當前UPS供電系統(tǒng)諧波抑制措施,,無源,無源,有源,有源,95,2024/3/22,設(shè)置輸入濾波器是為整流器添加一個諧波陷阱，使UPS輸入電流中的諧波成分在這里分流。調(diào)節(jié)電感L2和電容C使該分路的諧振頻率與待取消的諧波頻率相同。L1用于換向目的，并確保市電基波電流不被分流，