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        公司新聞

        武漢模塊化UPS

        N+X冗余模塊化UPS

        王其英

        UPS模塊化結構無疑是今后發展的方向。因為模塊化具有帶電熱插拔的功能,熱更換的問題就解決了,無形中就帶來了另一個好處,即延長了數據中心連續工作的壽命。一個數據中心的設計壽命至少要10年以上,比如20年,30年等。但供電設備的壽命一般不足10年,若更新就必須停電,模塊化就解決了這個問題。

        這就牽涉到模塊化的概念問題,即什么是模塊化?根據一個通用的“熱插拔”概念,可以看出一個機柜中至少有兩個互為冗余的模塊,拔掉一個仍不影響機器的正常供電。有的將幾百千伏安而直接放在地板上的一個機柜也叫模塊,顯然不太合適,這和以往的UPS多機并聯是一個概念:大家都是直接放置在機房地板上,最多也是8臺并聯,如果有冗余設置,也可一臺或幾臺退出維修,但不能帶電熱更換,這不能叫模塊,只能叫一臺UPS單機。大功率的UPS模塊也并非沒有,比如有的廠家推出一個機柜中放置兩個300kVAUPS模塊,互為冗余,可帶電熱拆卸(插拔),熱更換,當然還有下面討論的一些特點和優點,這才符合習慣上的模塊化概念。

        一、模塊化UPS的分類及特點

        不要認為所有模塊化UPS都一樣,實際上他們之間從結構上還是功能上有很大差別。當前的模塊化UPS從電路結構上說分兩大類:功率模塊結構式和UPS結構模塊結構式。功率模塊結構式也稱第一代模塊化結構,它的特點是功率模塊和控制模塊分離,這種結構的任何一個模塊都不能單獨供電,由于存在單點故障,故可靠性不太高;第二代模塊化結構克服了第一代的缺點,將整套UPS做成一個模塊,即任何一個模塊都可單獨供電,所以它的可靠性遠高于第一代,也是第二代的替代產品。這里只對第二代模塊化結構進行討論。圖1所示就是第一代模塊化結構和第二代模塊化結構方框圖

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         目前的單個UPS模塊從1kVA開始一直做到300kVA,這里的模塊概念是必須在一個機柜中有一個以上的模塊,一個機柜中只有一個模塊那還屬于單機范疇。比如這里的300kVA模塊在一個機柜中就可安裝兩個,也具有熱更換功能。

        模塊化UPS和單機UPS相比不但具備了單機的一些優點,并且還有很多獨到的特點,下面一一介紹。

        二、模塊化UPS是節能節資產品

        幾乎99%以上的模塊化UPS都是高頻化結構,和以前傳統的工頻化結構UPS相比,在同等技術指標的情況下取消了諧波濾波器和輸出變壓器,如圖2所示,因此效率就比單機UPS高了5%以上。比如同樣是100kVA的UPS,這種高頻模塊化UPS就比傳統的工頻化結構UPS每年至少節約50,000度電。以下的特點是模塊化UPS所特有的。

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        模塊化結構UPS為在連續運行的數據中心邊計劃邊投資邊建設提供了可能。這就合理的利用了資金,避免了一次性投資的壓力和浪費。

        三、可靠性高

            對于單機UPS而言,機器做好后可靠性也就定了。但模塊化UPS的可靠性隨著組合的不同時刻改變的。比如每一個單機UPS和一個模塊UPS的可靠性都是r1=0.99,即故障率是1%;一個100kVA的單機UPS可靠性就是0.99了,而120kVA的模塊UPS,當每個模塊是模塊15kVA時,定在100kVA就是7+1的組合,這時的可靠性R7+1就是:

        R7+1=1-(1-r7) (1-r)=1- (1-0.997) (1-0.99)= 0.999021

        可靠性比單機時幾乎提高了10倍,故障率降低了10倍。如果采用6+2組合,其可靠性R6+2就是:

        R6+2=1-(1-r6)(1-2=1- (1-0.941480) (1-0.99)2= 0.9999941

        可靠性比單機時幾乎提高了100倍,故障率降低了100倍。而且隨著負載的減小可靠性還會增大。比如定位為100kVA的負載,實際為90kVA以下時,就變成了6+2組合,故障率比單機降低了100倍;如果實際負載低于75kVA時,就變成了5+3組合,可用同樣的方法算出故障率比單機降低了1000倍。這是單機UPS無論如何都實現不了的。

        四、并聯冗余性好

        模塊化UPS所以冗余性好是因為在機器設計的初期就是按照冗余性規劃的,所以不論是從電路上還是從結構上就是作為一個整體考慮的,這樣一來既可以分開又可以組合。比如有一款名為ARRAY的UPS,它的機架就是一個名副其實的架子,架子上沒有任何電路。而且個模塊之間沒有任何通信信號線相連,是一種無線并聯功能,可靠性有大為提高。不像一般單機UPS結構那樣,還需要并聯板和各單機之間的通信信號線,一旦這個信號線

        接觸不良,并聯就會失??;不少UPS單機電路是移植來的,只是將并聯功能添加上去,沒考慮和以前的電路又和沖突之處,往往有這種情況:在UPS組合正常運行中就有的單機因同步失諧而退出,埋下了隱患或導致故障。

        五、動態擴展性好

        (一)可以在線熱插拔和熱更換,保證了供電的連續性。單機UPS更換時比如關機,盡管有手動旁路,但由于輸出端仍和其他UPS一起連在負載上,有電壓存在,就不能帶電操作,除非裝機前預裝了隔離開關,但對于大功率來說這樣做勢不經濟的。

         

        (二)延長了供電電源的服務壽命

        一般一個數據中心的使用壽命希望越長越好,你如20年,30年等。但設備的壽命不可能這樣長。比如UPS的服務壽命最多不過10年,因為機器中大量的電解電容器壽命很短,但又無法在線更換。在用單機UPS供電時不得不停機更換,這個周期是比較長的,少則數小時,多則數天。

        模塊化結構給了這種可能,因為一個模塊就是一臺UPS,在冗余的情況下也可以熱更換,即使是幾百公斤的300kVA模塊,也可以在線熱拆卸,從機柜中取出來進行更換。因為金屬機架如果做得好,幾十年是不會壞的。數據中心的連續供電問題解決了,其他問題就都好辦了,因為只要有了電,就有了糧食,肚子吃飽了,就好干活了。

        六、綠色環保

        環保就是沒有污染,污染分自然環境的污染、電氣環境的污染。這兩種污染都被模塊化結構克服。

        (一)克服了對自然環境的污染

        自然環境的污染包括聲音污染和大氣污染。模塊化結構由于絕大多數都是高頻化結構,工作頻率都在20kHz以上,超出了人的耳朵聽覺范圍,所以是安靜的。不像工頻機那樣,變壓器和電抗器的叫聲令人心煩意亂,影響工作情緒。至于大氣污染,由于現在都在執行ROHS指令,這一項是肯定要做的。

        (二)克服了對電氣環境的污染

        由于高頻化模塊UPS的輸入功率因數都在0.99以上,對電網而言幾乎是線性負載,所以基本不破壞市電電網電壓的正弦波形,諧波含量小于5%。因此,電網中的高次諧波干擾幾乎不用考慮。而單機工頻UPS一般400kVA以下都是6脈沖整流,輸入功率因數約為0.8,諧波含量達30%,5次和7次諧波能量較大,干擾用電設備。

        七、管理性強

        模塊化UPS由于它的結構特點,一般模塊在20kVA以下者居多,這也是應用最多的范圍,重量在20kg左右,一般一個人就可搬得動。許多模塊化機柜面板上的LCD都有人性化的圖示,當某一個模塊故障時就有明確標志,值班人員既可根據機上標示輕松更換模塊,不需要專門人員既可。

        方便增容。比如一個機房規劃IT用電量是100kVA,目前只有20kVA的負載,比如選擇ARRAY 120kVA模塊化UPS,該機模塊單元是15kVA,就可先配置2+1,尚有5個空位,就可根據IT的增容情況來逐步增加電源模塊。

        方便移動。機房搬家是常有的事,在單機UPS時由于重量很大又不可拆卸,使這種搬家相當復雜和費力,但在模塊化時就變得輕而易舉。

        八、第二代模塊化之間的區別

            第二代模塊化也不都是一樣,它們之間也有質量和功能上的差別,用戶切不可只從價格上看問題。UPS技術發展到今天,各家采用的電路相差甚微。采用的元器件也就是國際和國內這些廠家的產品,同等元器件的體積和重量差別也不會大。因此UPS產品的單位體積重量(kg/kVA)也應相差無幾,如果相差甚遠,就值得考慮;如果在價格上再相差甚遠,就要認真考慮了。又是高科技,又是重量輕,又是性能好,又是價格便宜,等等。像這樣的好事是誰都向往的。有不少用戶因為貪圖便宜,設備選型安裝后,冒煙者有之,起火者有之,爆炸者也不少見,使整個數據中心癱瘓者也有之。

        九、澄清對模塊化的誤解

        對于模塊化有的就提出這樣的問題:原來一臺UPS是一套電路,現在變成了數套電路,多一個環節就多一個故障點,所以N+X模塊化結構的可靠性不會高。并肯定地說:當模塊多余8個的時候,其系統可靠性還不如單臺UPS高。這就使得有些用戶對模塊化結構心存疑慮,望而卻步。

        這里有一個基本概念問題,多一個環節就多一個故障點是對串聯環節而言,如圖3a所示就是一個串聯環節構成的通路,路上的環節就好比閥門,水要經過閥門從A流到B。沿路的閥門只要卡死,水就流不過去了,串聯的閥門越多,故障率就越高,比如每個閥門平均每年就有一次卡死,10個閥門一年就可能有10次卡死,這就是多一個環節就多一個故障點的道理。

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        但是,如圖3b箭頭所示,如果通路上有了并聯分支,通道就增多了,多一個并聯閥門就多一條通路。所以說,模塊化UPS如果不冗余并聯是毫無意義的。N+X模塊化UPSX10時才有意義。明白了這一點,上面的第二個問題就迎刃而解了。

         


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