信息网络机房用超大型UPS供电系统的技术发展的新动向

3）配制带Z－Z绕组的隔离变压器或专用的K型隔离变压器

为用户的IT设备提供一个局部净化接地系统，在这里，配置Z－Z绕组的隔离变压器的重要目的之一是：消除由单相IT设备所产生的3次电流谐波及其奇数倍电流谐波分量，从而达到大幅度地降低IT设备的输入电源的零线对地线的电位的目的。这样一来，就可以向用户提供出计算机级的接地系统。

此外，我们也可采用配置K型变压器的办法来削弱由整流滤波型非线性负载所反馈回到UPS输出端的高次谐波电流所产生的热损耗所可能带来的负面影响（变压器的异常温升），从而达到有效地保证UPS始终处于安全的工作状态之下。按照UL1561标准，K型变压器的K值定义为：

K=（∑In2×n2）/（∑In2） 式中：In为n次谐波电流的幅值。

在这里，K型变压器的K值越高，则表明它处理谐波电流的能力越强，如表1所列。

表1 K值同它所能处理的由非线性负载所产生的谐波电流的关系

K型变压器的典型技术参数有：采用220℃的H级绝缘（允许的最高工作温度150℃）；短路阻抗：4％～5.5％；为降低趋肤效应，采用的是多股扁平铜导线绕组窗双层屏蔽设计方案，并采用1.5～2倍相线截面积的零线系统设计方案等的高品质的制备工艺。

2.3 零线对地线的电位

由于高档的IT设备(例：小型机、服务器等)的输入电源所允许的零线对地线的电位很低(典型值<1V)，只能设计/选用零线对地线的电位低的UPS电源。

对于关健性的信息网络机房而言，不宜选用不带输出隔离变压器的UPS电源来供电。虽然这种UPS具有输入功率因数高、体积小、重量轻和价格便宜等优点。然而由于它所具有的自身的缺点，将会对信息网络所运行的数据的安全造成严重的威胁。所以，一般说来，这种UPS只宜被用于非关键性的信息网络的供电系统中(在这里，万一发生网络瘫痪故障时，它只会给用户带来工作效率的下降或者工作时间的浪费，而不会造成重大的经济损失或者公司信誉度的下降或损伤)。

一台典型的不带输出隔离变压器的UPS的工作原理图被示于图4中，由三相全波整流电路、升压储能电感L＋和L－、IBGT管S1和S2、二极管D1和D2、滤波电容C3和C4共同构成它的高频IGBT脉宽调制型整流器。由它分别向后级的三相半桥式电SPWM型的逆变器(注：为简化计，在图中仅画出三相半桥式逆变器电路中的A相逆变器回制电路)提供它所需的正、负直流总线电压Vdc＋和Vdc－。由正、负直流总线电压Vdc＋和Vdc－，IGBT管S3和S4，高频滤波器(由L1和C1组成)所组成的A相逆变器在SPWM型调制脉冲的控制下，就能直接向外送出50Hz的逆变器电源。对于采用这样的三相高频脉宽调制型IGBT整流器和三相半桥式SPWM调控型逆变器设计方案所制备的频UPS来说，可能会对IDC机房中的信息网络设备带来如下网络瘫痪故障隐患：

图4 不带输出隔离变压器的UPS（高频机型UPS）

1）UPS输出电源的零线对地线电位偏高，如图4所示，在＋SPWM调制脉冲的调控下，调制频率为15～20kHz的正SPWM交变电流将会沿着电解电容C3正极→S3功率管→高频滤波电感L1→高频滤波电容C1→UPS的内部零线→电解电容C3负极形成正向高频交变电流通道。类似地，在－SPWM调制脉冲的调制下，频率为15～20kHz的负PWM交变电流将沿C4正极→UPS的内部零线→S4管→C1→L1→C4负极形成负向高频交变电流通道。正是在这种高频交变电流的作用下，就会在这种UPS的输出端上形成带高频尖峰干扰型的幅度偏大的零线对地线电位输出波形。它同带输出隔离变压器的UPS相比，由此所带来的零线对地线电位输出特性的恶化程度(见表2)表现为：

表2 不同类型的UPS的零线对地线电位的输出特性

（1）零地对地线电压的频率从50Hz上升到15～20kHz，众所周知，干扰源的工作频率越高，它对信息网络设备安全运行的危害程度也越大，从而导致网络所运行的数据的误码率增大或者IT设备的发生误操作的几率增高；

（2）零地对地线电压的幅值的有效值从带输出隔离变压器的UPS的零点几伏上升到不带输出隔离变压器的UPS的几伏，显然，高频干扰源的幅值越高，它对信息网络设备安全运行的危害程度也会越大。

为确保由信息网络所运行的数据的安全，由于在目前新建的IDC机房中，对于已大量使用高档服务器和小型计算机等IT设备而言，它们均要求其输入电源后零线对地线的电位小于1V。显然，在此条件下，再选用不带输出隔离变压器的UPS是难于满足上述要求的。此时，有的用户厂家试图采取将这种UPS的输出端的零线同地线直接短接起来的办法来降低零线对地线的电位。然而，相关的电源安全操作规程及大量运行实践表明：这不仅会导致加大流过逆变器IBGT管的工作电流和失效率。而且，它也无法完全消除可能出现在UPS输出端的零线对地线电压波中的高频尖峰干扰。因此，宜优选带输出隔离变压器的UPS电源来为关键核心的信息网络设备供电。

2）由于在不带输出隔离变压器的UPS所输出的逆变器交流电源中，常包含直流偏置分量，从而对N＋1型UPS冗余并机系统的安全运行带来严重威胁。这是因为在这种UPS的长期运行中，很难保证由它的三相高频脉宽调制型IGBT整流器所输出的正、负直流总线电压和由三相半桥式逆变器所输出的交流电源的正、负半波的幅度始终处于完全相等的理想状态之中，从而为N＋1型UPS并机系统的均流和环流的调控操作带来更大的难度。

3）在不带输出隔离变压器UPS电源中，由于没有输出隔离变压器对来自非线性负载端的尖峰干扰和浪涌电流的缓冲隔离作用，从而导致UPS的故障率增大。此外，在带相同的整流滤波型非线性负载的条件下，同带输出隔离变压器UPS电源相比，其负载电流的峰值比也会有所增大。

4）对于不带输出隔离变压器的UPS来说，当因故致使UPS中的逆变器的IGBT管被短路击穿时，来自它的直流总线的±400V高压就可能会被直接送到用户的负载上，从而对IT设备硬件的安全运行带来严重的威胁。

2.4 电磁兼容（EMC）

在当今的高档IT设备中的CPU芯片所采用的直流辅助电源的电压有逐年下降趋势(5V→3.3→1.7V)。这意味着，必须采取必要的技术措施来降低可能串入到UPS的各种干扰的幅值。为此，应从UPS的设计和制备工艺入手、解决UPS的抗空间电磁辐射干扰及抗传导性干扰问题，以便提高其电磁兼容性。对于那些可能使用对电磁干扰特别敏感的设备的用户而言，应该选用符合EN50091-2 ClassB级的UPS产品，不宜选用普通的ClassA级的产品。

近年来，艾默生公司在其它所生产的Hipulse系列UPS中采用下述措施来提高UPS的抗干扰能力。

1）对所有的关键性控制板（整流器，逆变器，静态开关板）均采用双层金属电磁屏蔽罩的保护措施，从而大大提高UPS的抗电磁干扰能力及抗灰尘侵入的能力。显然，后者对确保UPS能长期地、安全地运行创造出一种极为有利的工作条件。长期的运行实践表明：大量的灰尘在UPS的各种控制板上的堆积，必然会导致UPS的使用寿命的缩短。

2）在UPS的输入端，交流旁路端和输出端都配置有高功率的滤波器，从而大大提高UPS的抗传导干扰的能力和电磁兼容性能。

此外，接地系统必须设计合理，以确保位于同一网络中的各IT设备的地线尽可能地具有等电位的运行特性。

2.5 输出功率因数

UPS的输出功率因数有从0.8逐渐上升到0.95以上的发展趋势。

众所周知，在IDC机房中所使用的服务器中，需要利用一种AC/DC变换型的开关电源来为它的CPU和各种控制器提供各种低压直流辅助电源。在过去的多数计算机和服务器的开关电源的设计中，它们的输入功率因数都比较偏低(0.7～0.8)。然而，近年来，已有越来越多的服务器生产厂商，在他们所制备的产品的设计和生产中，普遍地采用输入功率因数校正技术。在此背景下，使得目前的新型服务器的输入功率因数从0.8左右被逐渐地提高到趋于1。为适应这种变化趋势及能有效地利用UPS的输出功率，艾默生公司新推出一种X-Treme型UPS输出功率因数的调控选件。当用户在为传统的UPS(输出功率因数0.8)选配上这种部件后，就可以将UPS的输出功率因数细调到完全同服务器或其它的IT设备的输入功率因数相匹配的最佳运行状态。目前可提供两种产品：一种为PF的调节范围为：－0.8～1；另一种为PF的调节范围为：＋0.9～1。

2.6 输出特性

为了能更有效地利用输入电源的能量，尽可能地降低UPS的输入电流谐波分量。目前，最常用的办法是，在中、小型UPS中、配置IGBT脉宽调制功能的整流滤波器(输入功率因数>0.95～0.99，输入电流谐波分量THD<3％～5％)；在大、中UPS中配置带11次谐波输入滤波器＋12脉冲调控的整流滤波器(输入功率因数>0.95，输入电流谐波分量THD<4.5％)。对于这些UPS来说，它们都能满足输入电流谐波分量THD<5％及输入功率因数PF=0.95～0.99的优异输入性能的要求。

2.7 双总线输出系统

宜选用UPS双总线输出系统的设计方案，来尽可能地适应高档IT设备所具有的多路交流输入电源的技术需求。

由于在目前的IDC机房中，越来越多的关键服务器和通信设备的产品设计中，采用双路甚至多路交流输入电源的工作体制，以便确保这些网络设备能获得尽可能高的可利用率。因此，在为信息网络机房配置供电系统时，宜选用双总线输出型的UPS供电系统设计方案，以便达到同后级的IT设备相匹配和确保在信息网络所存储、处理和传送的数据的安全和可靠的运行的目的。

2.8 热插拔功能

在承担向末级IT设备供电的末级输出配电柜中，配置具有热插拔功能的小型断路器开关。

对于关键性的信息网络来说，UPS一旦被开启后，希望就能永远不停地运行下去。为此，在目前的新建IDC机房中，有越来越多的用户在他们的末级配电柜中，选用不仅具有热插拔功能的小型断路器开关，而且，还能通过用户的集中监控系统对这些开关的通断状态或是否处于过流工作状态进行检测。由此所带来的明显优点是，用户不仅可以随时了解为各台网络设备供电的小型断路器开关的实时工作状态。而且，在万一遇到某个小型断路器开关因故损坏时，只需要通过对这个开关执行热插拔的操作，就能进行相关的更换操作，而无需关掉末级配电柜中的总开关，从而达到尽可能地降低因执行开关的更换操作所可能带来的负面影响。

在这里需特别说明的是，艾默生公司的负载自动切换开关(STS)具有如下优异的特性。

1）配置有独特的选择性自动切换调控功能

当后接负载发生严重过载或短路故障时，STS开关不仅能将未发生短路故障的负载迅速地切换到备用逆变器电源上，而且，还能将己发生短路故障的负载同其它的处于正常工作状态的负载之间执行电隔离操作，从而达到将输出短路故障所可能造成的损失或者负面影响限制在最小的范围之内；

2）采用超快速的先断后通方式来执行切换操作

切换时间短(4～5ms)，在此需说明的是，用户是不能选用切换时间为零的STS开关的。否则，它会留下短路故障扩大或者因切换突变浪涌电流过大，而导致断路器开关误动作的故障隐患；

3）具有高达65kA/100kA的抗短路分断能力 它可确保STS开关本身运行的高可靠性；

4）内置抗瞬态浪涌抑制器 它能有效抑制STS开关在切换操作时，所可能产生的尖峰干扰对IT设备的危害；

5）优异的人-机对话式的操作显示屏 提供模拟流程显示图形和提供大屏幕彩色LCD显示屏。通过LCD显示屏可以观察它的运行状态、实时运行参数和历史记录数据（电压、电流、频率、kVA、kW、切换次数等）；

6）提供RS232通讯接口 7个继电器连接通讯接口；

7）内置维修旁路 万一负载自动切换开关因故需维修时，可在旁路供电条件下，进行热更换操作，从而达到既可提高STS的可维护性，又能确保用户的负载始终获得高质量的UPS逆变器电源供应的目的。 3.3.2 负载同步控制器(LBS)

因为在该IDC机房中所配置的两套互为冗余输出供电关系的800kVA的"2＋1"型UPS冗余并机系统A和B的输入电源，是分别来源于两个相互独立的输入变压器，为确保分别位于这两套UPS冗余并机供电系统的输出端之间的各个负载自动切换开关（STS开关）都能安全和可靠地执行切换操作，必须要求从这两套UPS冗余并机系统所输出的两路UPS电源必须时刻处于同频率和同相位的同步跟踪状态之中。在此条件下，只需将来自UPS电源A和UPS电源B的两路输出电源分别送到STS开关的两路输入端上。然后，再将配电柜/列头柜（负责向带有单交流输入电缆的IT设备供电）的输入端连接到相应的STS开关的输出端上，就可确保用户的关键负载获得100％的高可利用率的电源供应。在这里需说明的是：由于在艾默生公司所生产的负载同步控制器(LBS)的设计中，采用了独特的冗余式的多同步信号输入源调控的设计方案，在LBS的动态调控下，就能确保在各种不同的UPS的运行条件下，从两套"2＋1"型UPS冗余并机系统所输出的两路电源始终处于高精度的锁相同步跟踪的工作状态之中。在安装这种LBS之后，就可确保从两套UPS并机系统所输出的两路UPS电源之间的相位差<3°。这样一来，就能为负载自动切换开关的安全运行创造出极为有利的运行条件。

此外，艾默生公司所生产的负载同步控制器(LBS)不仅可以应用于需要在本公司所生产的各种系列UPS产品之间的锁相同步跟踪调控的场合，而且，还可以应用于需要在本公司的UPS产品与其它公司的UPS产品之间实施锁相同步跟踪调控操作的场合。

3.4 UPS供电系统的集中监控系统及网管功能

在该IDC机房中是利用ModbusRS485网络通信方式来实现对两套800kVA"2＋1"型冗余UPS并机系统和1套600kVA"1＋1"型冗余UPS并机系统运行状态的集中监控的。利用Modbus系统就能对整个UPS供电系统实行远程监控操作，并将其纳入用户统一的IDC机房的智能化楼宇集中监控系统中去。按Modbus软件设计方案，它可同时监控32台UPS电源。在此配置下，我们就可对UPS供电系统执行如下远程监控操作：

• 观察UPS的各种实时运行参数；
• 调阅UPS的历史事件记录数据，检查值班人员对UPS执行过什么操作，UPS发生过什么样的故障或者报警信息；
• 调阅电池测试记录及其电池的实时后备供电时间数据；
• 根据用户的不同需求和配置，可通过远程的声光报警、手机发短信息、发Email、网络广播等方式来完成各种远程报警信息，以便通知值班人员能及时地采取必要的应对措施。

4、为3电源输入的服务器提供UPS冗余电源的设计方案

在当今的IDC机房中，为了确保承担着关键性的网管调控功能的服务器或者小型机等IT设备能绝对安全、可靠地运行，还在这些服务器中配置带有两条交流输入电缆的"1＋1"式的直流辅助电源冗余供电系统和3条交流输入电缆的"2＋1"式的直流辅助电源冗余供电系统。对于这样的服务器而言，正常工作时，由它的3路AC/DC变换型的开关电源所产生的3路低压直流辅助电源来共同分担服务器所需的负载电流。为确保服务器能正常工作的基本条件之一是，必须至少有1路交流输入是处于正常的工作状态的。也就是说，在它的运行中，如果仅在它的1路交流电源的输入端上因故发生停电故障时，服务器仍会正常工作。然而，如果在它的2路的交流电源的输入端上同时出现停电故障时，就会出现因服务器停止工作而导致网络瘫痪的故障发生。因此，在此条件下，如果仍然采用如图5所示的UPS双总线输出供电系统来供电的话，则只能采取将服务器的两条输入电缆连接到UPSA供电系统上，将另一条输入电缆连接到UPSB供电系统上。显然，这样会给信息网络的安全运行带来严重的威胁。为了能消除这种网络瘫痪故障隐患的出现，可采用如图6所示的UPS冗余供电系统。

在这里，由市电1、市电2、备用发电机、UPS并机系统1、UPS并机系统2、中小功率的负载自动切换开关和LBS（负载同步控制器）共同组成，能输出两路相互处于同步互锁状态UPS逆变器电源。从它们的输出配电柜A和B所输出的两路交流电源按以下3种方式向各种网络设备供电。

1）经双电源供电列头柜A和B分别向带双电源输入端的网络设备供电(注：在当今的新建的IDC机房中，这种设备约占70％～90％)；

2）经STS开关和单电源列头柜所组成的供配电系统向带单电源输入端的网络设备供电；

3）分别来自UPS输出柜A、UPS输出柜B和STS开关输出端的3路交流电源被送到3电源输入列头柜上。然后，再利用这种列头柜来向带3电源输入端的网络设备供电。在这里，由于从STS开关柜所输出的电源是一路具有由UPS并机系统1或UPS并机系统2电源供电的，带或门输出特性的第3路UPS电源。因此，它完全能确保按"2＋1"式冗余交流电源供电方式运行的高端IT设备的供电需求。

5、IDC机房的动力设备和环境集中监控系统

以动力设备和环境集中监控系统（PSMS）为管理平台的IDC机房的新型管理和维护模式，已经广泛地被金融和电信行业的运营商所认可和采用。这种监控系统能对各种动力设备(例如：输入/输出配电柜、ATS开关、UPS电源、负载自动切换开关STS、备用发电机组、电池组等)，空调机组及其它的机房环境监控设备进行实时监控，统一管理。在此条件下，IDC机房的维护人员可以随时随地对各种电源设备的实时运行情况，历史记录数据及各种故障和报警信息等重要运行参数及时地进行观察和了解(例如：UPS的输入/输出电压和电流、频率、功率因数、零线电流，备用发油机启动电池电压、油箱液位、开关电源的系统参数、电池组总电压等)，从而就可免除维护人员去执行各种繁杂的、低效的人工实测操作，极大地减少了他们的日常工作量。与此同时，利用从监控系统上所采集到的各种动力设备的实时的、准确的运行数据和故障报警信息(注：它们还被保存在服务器的数据库中备份)，再通过监控软件对统计数据的分析和处理，就可准确地确定重点维护目标和维护项目，从而有助于提高对设备的潜在故障的发生率的预知能力。此外，监控系统根据自动上传的实时故障告警提示及声光告警信息，自动生成检测报表和时间变化曲线图等多种手段，实时地向用户提供被监控设备的异常情况，从而可确保维护人员能够及时地发现各种故障隐患，避免发生电源供电中断等不幸事故。这样一来，就可大大地提高了值班人员对发生故障的设备维修的及时性，从而有助于提高了企业管理的工作效率。如果企业管理人员还能充分地利用该系统所提供的大量的历史数据、报表等所形成的详细的统计资料的话，它还可为将来的IDC机房的管理和筹建工作提供坚实的、可靠的技术基础和决策依据。

艾默生公司所提供的典型动力设备和机房环境监控系统被示于图7中。

图7 动力设备及机房环境等集中监控系统的典型配置

如图7所示，可将被监测的设备分为3类：

1）带RS232，RS485或RS422通信接口的智能化设备，例如，带RS232接口/RS485/RS422接口的输入/输出配电柜、UPS、－48V通信电源、ATS开关、精密配电中心（PPC）、负载自动切换开关(STS开关)、备用发电机组、空调机组、门禁系统等。由于不同厂家所生产的上述智能设备可能使用着不同的通信协议，为此，有必要在监控系统中配置专用的智能协议处理器（OCE）。这种OCE处理器的主要调控功能有以下两种。

（1）将各种智能设备所配置的RS232/RS485/RS422通信接口统一转换成标准RS422通信接口，以便在归一化的RS422通信总线上传送数据；

（2）将在各种智能设备中所可能用到的各种不同通信协议(大约有500多种通信协议)转换成归一化的通信协议。

2）不带RS232，RS485或RS422通信接口的非智能化设备，例如，不带RS232接口/RS485接口的输入/输出配电柜、浪涌抑制器、非智能化的空调机、蓄电池、温度、湿度、漏水报警、桥架报警系统等。为此，有必要在监控系统中配置一体化采集器（IDA）。利用这种IDA数据采集器将来自上述各种的非智能化设备的模拟量（例：电压变送器、电流互感器、频率变送器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、红外线传感器、早期烟雾信号等)和各种开关量转换成可提供RS422通信接口，并具有归一化的通信协议的数据传送通道，从而为被监测的设备提供标准化的软件运行环境。

3）远程图像监控系统，它采用先进的数字图像压缩、编码解码技术将来自摄像头和录像机的视频信号经录像机、视频切换矩阵、协议转换器、画面分割器、远端处理器等处理后，向用户提供一个集图像、语音、数据于一体的多媒体监控平台。

为节省互联网的传输资源，常推荐采用2M抽时隙式的组网方式，它是利用时隙复用设备（例如DCM2000）从2M的传输线上抽取1个时隙(64K)实现组网传输工作，采用此设计方案的好处是：每个监控过程只需分别占用一个数据传输通道就能实现同监控中心的联网操作，节省网络的传输资源，数据的传输速率选择灵活等。采用2M抽时隙（1：30收敛）式的组网方式，则可将来自30个监控端局的数据传输量所占用的时隙(30×64K)首先经交换机进行半永久性的连接处理，将它们转变为1个收敛为2M的传送通道后，它再经数据上网器（DCU）就能同监控中心的局域网进行数据通信了。

6、结语

近年来，为了确保位于IDC机房中的各种网络设备均能实现365×24小时的高效、可靠和安全的运行，网络能源设备供应商及其相关的设计院采用了多种新技术和措施来不断地完善其端到端的一体化UPS供电系统的设计方案。在此基础上，所建设的某IDC机房用智能化UPS供电系统是由以两套800kVA"2＋1"型UPS冗余并机系统和1套600kVA"1＋1"型UPS冗余并机系统为核心的，采用双总线输入和双总线输出式的供配电体系的，带局部净化接地系统的设计方案所构成的，具有世界先进技术水平的超大型的，具有高可利用率的UPS供电系统。正常工作时，它的冗余式供电能力为3800kVA，其最大供电能力可高达6000kVA。在这种端到端的一体化UPS供电系统中，它不仅可消除在整套UPS供电系统中所可能出现的各种单点瓶颈故障隐患，确保馈送到各IT设备的输入电源的零线对地线的电位<1V。而且，还具有向位于IDC机房内的各种IT设备提供365×24小时不间断的、高品质的UPS逆变器电源的能力，允许机房维护人员在逆变器电源连续供电的条件下执行不带电的安全维护和维修操作，允许机房值班人员通过智能化的楼宇监控系统随时远程监控其运行状态及调阅各种运行参数和相关的报警信息。此外，它还能确保用户的输入电源始终处于绿色电源运行状态之中，以便最大限度地降低UPS供电系统的运行维护成本。