机房UPS供电系统升级改造及无缝切换研究

2022-06-16郭志玉

当代化工研究 2022年10期

＊郭志玉

（汾西矿业集团信息中心山西 032000）

引言

科技水平不断提升，使得人们对高清数字网络电视的使用需求增加。然而，原有供电中心机房的负荷大量增加，降低了运行使用的安全稳定性。为此，相关研究者应结合机房UPS供电系统实际情况，对升级改造方案的合理性进行优化，并完善实施切换的各项操作，以满足所处行业的快速发展需求。

1.研究机房UPS供电系统升级改造及无缝切换的现实意义

城市化进程的不断向前推进，三网融合需求逐渐增加。在此背景下，广电网络行业迎来了快速发展契机。然而，业务需求增加，使得中心机房设备呈现出膨胀状态。具体体现在UPS供电系统运行负荷压力增加，急需通过升级改造来满足业务大发展所带来的用电需求。为此，相关建设者从实际机房UPS供电系统升级改造工程入手，通过分析改造前机房系统的运行情况，以为后续升级改造操作与切换过程提供依据。经分析，需将UPS选型、升级改造方案确定以及切换环节作为工作重点，以促进供电系统运行的安全效果与可靠性。这是推动涉及行业发展的重要课题，研究人员应将现有科学技术运用起来，以解决负荷紧张与业务发展问题所带来的负面影响[1]。

2.改造机房UPS供电系统前的运行情况

现阶段，数字电视前端、双向数据综合业务环网、高清点拨以及时移电视等平台的开通，相关供电设施均搭建在中心机房。在UPS负荷日趋严重的情况下，系统改造提上了日程。以某地广电网络的中心机房开展的大改造为例，该广电单位中心机房的UPS系统设置在五楼中心机房旁边的小机房内。系统电池组由3台三进单出在线式的30kV UPS主机与4组12V×29节电池组成。其中2台30kV主机负责并机，配置电池为三组12V×29节电池，用于信号传输、数据互动电视以及模拟电视平台，以下简称为负载1组。据统计，负荷率高达27kV。剩余1台30kV主机负责单机工作，配置电池为一组12V×29节电池，专门用于数字电视集成平台，以下简称为负载2组。为解决上述UPS负荷压力不断增加问题，采用统一迁入前端模拟与数据中心的方式进行改造[2]。具体升级改造操作与切换过程如下。

3.关于机房UPS供电系统的升级改造及无缝切换实践

(1)明确UPS系统建设要点

首先，作为网络运行的中心，中心机房，须将系统安全性与稳定性作为关键。由于UPS电源系统可供选择的方案具有多样性特点，因此，需从适用性角度出发来确定机房电源系统建设方案。其次，严控UPS的位置与布局。具体建设过程，应着重为供电线路改造施工与维护处理提供便利条件。值得注意的是，控制好线路因传输过远导致的电平跌落。对于主机机房的散热、通风、防尘、地面承重以及电池组设备较大等问题，也要进行合理控制。最后，如遇原有系统无法改动情况，应优先选择新系统的设置，并做好原系统与新系统的融合处理。

(2)UPS选型

目前，UPS选型方法有四种：其一，单UPS供电方式。此方式的优势：应用范围广，成本低。缺陷：安全性低，系统单点存在问题，就会导致断电性播出事故，或是数据信息丢失现象[3]。其故障影响巨大，需根据实际情况谨慎选择。其二，双UPS并机冗余供电方式。其安全性较高，能够在UPS主机与电池发生故障的情况下保持正常运行，不会出现中断。此外，系统虽然可按照在线状态开展扩容和维护操作，但无法对配电回路故障进行处理。其三，双UPS双回路镜像冗余供电方式。此方法，能够处理配电回路故障，但会因单点故障而导致供电中断故障发生。其四，双UPS并机与双回路镜像冗余供电方式。此系统背景下，能够有效解决UPS主机与电池等硬件设备运行故障。还可杜绝配电回路问题影响。虽然供电安全性与稳定性很好，但是成本高昂，需结合环境条件进行选择控制。

本单位在系统升级改造过程中，综合供电保障级别、造价成本等因素，选择遵循经济建设原则，在尽量不动线路的情况下，运用双机并机冗余供电方法[4]。

(3)系统改造方案

第一步，确定主机分配方案，即按照系统运行的负荷情况与业务负荷增加需求情况开展规划工作。具体来说，设计增设两台并机50kV主机，替换原系统两台并机30kV主机，主要负责负载1组的供电。替换下来的两台并机30kV主机，则用来替代原单机状态运行的30kV主机，为负载2组供电[5]。

第二步，配置电池组方案。新增设50kVA并机，采购6组100AH电池，174节。当实际负载量为30kVA，后备时间在7h左右；当实际负载量为40kVA，后备时间在5h左右。而原有30kVA并机，则采用替换下来的4组100AH电池，116节。当实际负载量为30kVA，后备时间在5h左右。如实际负载量为24kVA，后备时间则在6h左右。如图1所示，为升级改造后UPS主机机房内部的布局情况。

图1 改造后的UPS主机机房布局示意图

第三步，机房布局调整。根据原有配电机房配置的主机与电池柜占据大部门空间，无法容纳多余设备。方案设计调整为，将4台主机安置于五楼机房内，将配电机房设置在一楼，用于电池组设备的放置。

第四步，输入与输出配电柜设置。对UPS主机市电输入与逆变输出电源的配电柜进行保留，将新增电池组接入配电柜，并安置在一楼。

(4)电源系统切换过程

一方面，系统预处理。首先，将承重槽钢设置在一楼机房设置，并放置静电底板。将电池组配电柜设置在五楼桥架附近的合适部位。其次，对标记一楼与五楼间的过线桥架内部主机与电池连接线，并按照配电图设计将连接线接入配电柜总开关。最后，新建槽钢，应准备好6组12V×29节电池。同时，还要按照配电图设计，将电池连接线分别与配线柜支护接线柱进行连接，并标记。另一方面，处理切换过程。由于机房供电不能中断，因此，需严格按照UPS系统集成切换方案实施，并谨慎处理切换过程的各项操作[6]。

①将安装完毕的6组电池组分出3组暂替五楼UPS机房内部的电池组，拆除原电池组后，完成一楼机房的安装。首先，关闭五楼机房UPS主机电池开关，对电池组接线进行拆除处理。其次，一楼3组临时电池组与主机连接，并合上主机电池开关。再次，将拆除的电池组移至一楼，经重新组装后，根据配电图设计要求接入配线柜。最后，电池组到位后，对主机临时电池接入线进行拆除，并按照配线图完成接线。

②经拆除、移位替换原有UPS主机。第一步，系统不断电情况下，负载1组，由UPS2供电；负载2组，由UPS3供电。第二步，拆除的UPS1放置于原位置，并拆除UPS3。此后，负载1组，由UPS2供电；负载2组，由UPS3供电转为UPS1单机旁路供电。第三步，将拆除的UPS1安装新机，即UPS4。此后，负载1组，由UPS2、UPS4并机旁路供电；负载2组，由UPS1单机旁路供电。第四步，拆除UPS2，操作后，负载1组，由UPS2、UPS4单机旁路供电；负载2组，由UPS1单机旁路供电。第五步，将拆除的UPS2安装在原UPS3位置。操作后，负载1组，由UPS4单机旁路供电；负载2组，由UPS1单机旁路供电转换为：UPS1、UPS2并机逆变供电状态。第六步，将UPS5安装在UPS2安装位置。操作后，负载1组，由UPS4、UPS5并机逆变供电；负载2组，由UPS1、UPS2并机逆变供电。

上述为系统切换的全部过程，均处在不断电条件下进行。经技术人员机房留守观察，无异常现象，至此系统升级改造工作完成。

4.UPS供电系统运行效率的影响因素分析

进行切实的机房UPS供电系统升级改造和无缝切换固然重要，但是，技术人员也需充分把握UPS供电系统运行效率的影响因素，从而在未来的系统改造升级以及动态调整中更加有的放矢。以下是影响因素列举：

(1)系统平均无故障时间

该要素可以作为UPS系统的状态性指征，代表着其运行是否健康。其所指代的时间范围是从设备通电启用到UPS供电系统出现故障截止。在故障出现时，UPS所输出的电压缩小为0。当然，该要素所指的是相应时间范围或过程的平均值。其中，UPS的MTBF数值与其系统供电效率呈正相关关系。但是MTBF数值的高低并不单一与UPS系统相应部件及元件失效率有关系，还受到UPS设计方案、制备工艺的影响。也就是说，即便系统元器件相同，不同的方案设计以及制备工艺下，所对应的UPS的失效率也大不相同。

(2)系统电源可利用率

该要素是UPS系统在运行状态下的正常工作的时长与总工作时长之间的比例关系。其比例值与平均修复时间、平均无故障时间可形成公式关系，即，V0=MTBF/(MTBF+MTTR)。而分子位置的MTTR数值则主要受UPS机柜的具体设计，维修与维护水平等多方面因素影响，处于动态中。

(3)UPS可利用率

该要素反映的是机房信息网络的总体利用效率。它受到平均无故障时间、平均瘫痪时间、平均修复时间的共同影响。其中，平均瘫痪时间指代的是机房的实际网络断网或瘫痪状态持续时间，若网络恢复快，则其相应的数值小，恢复慢，则相应数值大。

同时，如果电源的效率高，则能够较大程度上减少设备的发热量，以及降低功耗，从而提高UPS可利用率。在线式的UPS，最高的电源使用率能够超过90%，这是其它普通UPS所无法比拟的。普通UPS的电源使用率一般要低于在线式的UPS约10%。由此，实际的供电设备选择中，也会更倾向于在线式UPS。当然，实际的系统安装需求不同，就会使选择也受到影响，例如，有一些设备仍是选用工频式UPS电源为最优，因为要满足感性负载要求。工频UPS电源尽管在效率方面缺乏优势，却足够稳定，且抗冲击能力很好。

5.促进机房UPS供电系统高效运作的策略

在明确了机房UPS供电系统运作效率提升的阻碍因素后，技术人员可就这些因素进行相应问题的一一解除，从而提高供电系统运作的有效性。以下策略与机房UPS供电系统的升级改造及无缝切换实践能够形成协同，作为配合相应改造的可行性举措。

(1)提高系统平均无故障时间

若UPS的正常运作时间相同，则通过平均无故障时间的提高，即能使UPS系统的供电有效性得到保证。当然，这要以合理处理相应的故障为前提。在UPS电源处，一些多发故障为以下几点：

①在市电通电正常情况下，UPS仍发出断电告警。该故障情况的发生，可能是多方面原因引起的，例如，UPS内部市电检测电路故障、市电输入电压不正常（频率异常，以及过高或过低）、市电输入空开跳闸、UPS输入开关损坏等等。这些可能性原因的界定，需要技术人员对应进行市电异常检查、输入线路检查、输入空开检查等操作，从而明确解决方案，以合理开展检修线路、更换配件等工作。

②尽管市电以及UPS的输出都处于正常状态，但市电断电后，其负载也随即断电。该故障情况的发生，可能性原因依然很多，例如电池老化、电池压力欠佳、电池不能充电、逆变器受损、逆变器未能启动、负载未接到UPS输出、市电低压过久、UPS充电器损坏等等。以上原因导致的故障，均需技术人员制定合适的解决方案，例如，检查和更换电池、检查和尝试启动逆变器、将负载接到UPS的输出、在UPS相应的输入端安装稳压器等。

③UPS启动出现异常。该故障情况的发生与电池闲置时间过久、电压不足、输入电源线（交流、直流）连接不畅、UPS内部功率器件受损、UPS内部开机电路故障等均有关系。技术人员需结合实际的故障检查，进行最优方案选择，例如进行电池充电、电压保持、检查输入线连接情况、检修UPS相应受损及故障的部件等。

以上故障的有针对性解决，均对平均无故障时间提高有益，能够显著改善UPS供电效果。

(2)提高系统可利用率

①选择质量优良的双总线冗余输入供电系统以及市电供电电源；设计跳闸功能可自由选择的供电系统，避免出现越级跳闸现象。

②选择配电系统时，要配置具有抗浪涌、防雷击特点的抑制器；缩短UPS停机后的维修时间，尽快恢复系统运行，降低MTTR值。

(3)加强电源可靠性

①选择或维持良好的UPS使用环境，注意散热、保持通风。由于电池应用所要求的温度在0～40℃区间，所以不要让它受太阳直射；尽量做到使工作环境湿度维持在50%，温度维持在25℃。

②在可靠性最高的标准下，UPS电源的输出负载应维持在60%左右。尽可能减少UPS带载过轻的情况出现，以延长其寿命。

③定期适当放电，以保养电池。适度放电对激活电池有利。当市电长期不停时，可采取人为措施，每隔三个月固定进行一次断市电操作，并用UPS电源带负载放电一次；当UPS处于闲置状态时，可每隔3～6个月充电一次；当UPS放电后，必须得到及时的充电，从而避免电池因过度自放电而受损；正常情况下，可使电池每隔3～6个月带载充、放电一次，其放电后，标准机应连续充电10h及以上。