数据中心机房用IT设备对UPS供电系统的技术要求

数据中心机房用IT设备对UPS供电系统的技术要求为设计和构造一流的数据中心机房，应高度关注IT设备对UPS供电系统的以下关键技术要求和运行特性：允许的瞬间供电中断时间、输入电源的零地电压以及双电源输入的运行特性。与此同时，IT设备所允许的输入电源的电压和频率的波动范围很宽。鉴于当今安装于信息网络机房内的绝大多数IT设备(服务器、小型机、交换机、光端机、网关、磁盘阵列机和网络通信设备等)均采用带输入功率因数校正(PFC)功能的开关电源作为其CPU／存储芯片的直流辅助电源，以及IT设备供应商为提高IT设备的运算能力而设计出的体积越来越小、功率密度越来越高的IT设备，如在IDC机房中，常用的高功率密度的刀片式服务器和大容量磁盘阵列机的功率密度有可能高达20~30kW／机柜，其IC芯片所使用的直流辅助电源的电压呈现出越来越低的发展趋势，如从DC5V逐渐下降到DC3．3~1．7V，因此，位于信息网络机房内的IT设备对UPS供电系统提出如允许的瞬间供电中断时间、输入电源的零地电压以及双电源输入等的技术要求。IT设备对UPS输出电源的适应能力很强。由于当今的IT设备输入电源都采用开关电源的设计方案，因此，它对输入电源的适应能力很强。它所允许的输入电压和频率的波动范围相当宽，其典型值分别为380／220(1±20％)V和50(1±10％)Hz，如图1所示。这意味着只要是正规UPS厂家所生产的产品均能完全满足这些IT设备对输入电源的技术要求。这是因为目前UPS产品的典型输出电压的波动范围为：静态稳压精度±1％，动态稳压精度±5％，恢复时间10~20ms(UPS负载在执行0％-100％-0％的突然加载或突然减载操作时的运行特性)。UPS的典型输出频率为：当输入电源正常时，UPS的逆变器电源同步跟踪于其交流旁路电源的频率。此时的逆变器电源与交流旁路电源之间的相位差不超过1度~2度。当输入电源不正常或出现停电故障时，UPS输出频率的稳频精度为50(1±0．02％)Hz左右。此外，由于UPS的同步跟踪速率小于1Hz／s，所以UPS的逆变器电源的输出频率不会发生突变。大量运行实践表明：在IDC机房中所实测到的UPS的输入和输出电压失真度仅为2％~3％。如表1所示为GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS的技术要求。图1不允许IT设备的输入电源存在表1GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS的技术要求上述数据表明：对于当今的UPS而言，其输出电压和频率的波动范围远小于IT设备所允许的输人电压和频率的变化范围。因此，影响信息网络机房能否正常工作的主要因素并不在于UPS供电系统的输出电压和频率是否足够稳定。因此完全没有必要花过多精力去计较UPS电源的某项电压／频率指标是否满足GB50174--2008《电子信息系统机房设计规范》以及YD／T1095——2008《通信用不间断电源》中对UPS供电系统的技术要求：电压稳定度：±3％(A级和B级机房)、±5％(C级机房)以及稳频范围50(1±0．5％)Hz。这是因为对于当今的UPS而言，其稳压和稳频的波动范围远小于在规范中所规定的技术指标。对于IDC机房中的IT设备而言，它所允许的输入电源的电压和频率的波动范围远高于规范中所规定的技术指标。为此，建议将关注焦点转移到UPS电源的输入功率因数、效率、输出功率因数及其抗输出过载能力上。不允许IT设备的输入电源存在大于8-20ms的瞬间供电中断故障隐患如图1所示，对于当今的IT设备和工控设备而言，在其运行过程中，它们所允许的输入电源的瞬间供电中断／闪断的时间仅为10—20ms。近期的相关检测信息显示：对于某些新型的IT设备来说，它所允许的瞬间供电中断时间甚至已降至小于8ms。这就意味着对于在重要的数据中心机房中所配置的UPS供电系统而言，运行中如果因故曾经出现过超过0．01s以上瞬间供电中断事故的话，就会造成IT设备执行“先停电、再恢复供电”的所谓的“开机、自检型”误启动操作，从而导致因IT设备所运行的操作程序和应用软件系统崩溃，进而致使整个信息网络进入瘫痪状态，造成用户数据丢失，最终导致正常的运营活动被迫停顿。大量统计资料表明：一旦这种信息网络的瘫痪事故发生，要想让整个信息网络系统重新恢复正常工作，往往需耗时几十分钟甚至几小时。众所周知，当今社会生活中，各种生产操作和商业经营活动对信息资源的依赖程度越深，由信息网络系统的瘫痪事故所可能造成的危害性也就越大。对于这样的关键信息网络而言，即使只有一个重要／关键性的服务器发生瘫痪故障，也将带来巨大的经济损失。对于金融／电信行业所使用的数据中心／托管机房来说，不仅它们自己的营业网站和重要用户的网站所用的IT设备被连接在所配置的UPS供电系统上，而且金融系统的内部管理系统／电信运营商的话费收费系统和电话号码查询系统等信息资源管理系统也均由UPS供电系统负责供电。因此，一旦其UPS供电系统因故发生输出停电／闪断事故，有可能造成上述信息网络系统的运营活动陷入瘫痪状态，由此可能给企业带来数千万元的直接经济损失和大量的用户投诉、要求赔偿等事件的发生，导致公司信誉度下降，带来难以估量的间接经济损失。类似地，由于UPS供电系统因故出现输出停电／闪断故障而诱发的信息网络系统瘫痪事故也曾在气象、钢铁、民航、石化以及交通等行业发生过。基于上述原因，对于承担着向关键信息网络机房供电的UPS供电系统而言，考察其设计及其维护水平高低的最关键、最重要的技术指标是能否确保彻底消除发生不小于8—20ms的瞬间供电中断／闪断事故的能力。从某种意义上讲，这是事关信息网络机房能否安全运行的生命线。对于当今的信息网络机房的主管来说，为确保其UPS供电系统不会出现停电／闪断故障隐患，可供选用的供电方案有：1)对于信息产业系统用IT设备和生产自动化的工控DCS系统而言，在20世纪90年代末以前，即采用以“单电源输入”为主的时代，为尽可能确保向这些用电设备提供“永不间断”型的供电需求，确保运行的连续性，常采用如下形式的“单总线输出”型的UPS冗余供电系统：①串联热备份式UPS冗余供电系统，其可利用率为99．999％左右。②“N+1”型UPS冗余并机供电系统，因UPS产品的质量高低和并机调机的水平不同，其可利用率为99．999％(每年平均停电时间5min左右)~99．9999％(每年平均停电时间32s左右)。常见的UPS冗余并机系统有直接并机式和带集中并机柜式两种。③“N+x”型模块化、阵列式的UPS冗余并机供电系统，因UPS产品的质量高低和并机原理的不同，其可利用率为99．999％~99．9999％。对于这样的供电系统而言，当位于UPS冗余供电系统的某台UPS因故故障时，仍然可确保向后接的用电设备提供高品质的UPS逆变器电源，不会发生UPS供电系统转入由普通的市电电源经UPS的交流旁路向负载提供可靠性很差的市电电源的不利供电局面，从而达到改善UPS供电系统容错特性的目的。2)对于信息产业系统用IT设备和生产自动化的工控DCS系统而言，在采用以“双电源输入”为主的当今时代，为了充分利用这些“双电源输入”用户设备的技术优势、最大限度地向用电设备提供“永不间断”型的供电需求，确保它们运行的连续性，常采用由两台UPS单机所组成的UPS“双总线输出”供电系统或由两套“N+0”型并机系统所组成的UPS“双总线输出”供电系统。对于这样的供电系统而言，正常工作时，分别由两台UPS或由两套“N+0”型并机系统经各自相互独立的两套输出供配电系统向负载供电。在其运行中，即使遇到其中一套UPS的输出供配电系统因故发生罕见的输出停电／闪断事故时，仍然可确保向后接的用电设备提供高品质的UPS逆变器电源，并不会造成对用户设备的供电中断，从而达到大大提高UPS供电系统容错特性的目的。3)对于采用“双总线输出”设计方案的UPS供电系统而言，由于它能消除在UPS并机“单总线输出”供电系统中所可能出现的单点瓶颈故障，可将其可利用率从99．99999％(每年平均停电时间3s左右)提高到99．999999％(每10年平均停电时间3s左右)。在这里需说明的是：对UPS的“多总线输出”供电系统而言，如果设计巧妙，不仅可以大幅度地提高UPS供电系统的可利用率，而且还有可能提高UPS单机的负载百分比和UPS的实际运行效率，从而达到既能降低UPS设备采购成本、又能降低UPS功耗的目的。对于中、高档IT设备(如主机、小型机、服务器、磁盘阵列机和存储器)而言，期望它们输入电源的零线对地线的电压小于1．5V。如位于信息网络机房中的PC机、低档服务器及网络通信设备等，一般说来，它们对采用三相五线制运行中输入电源零线对地线电压的大小并无特殊要求。然而，近年来数据中心机房的运行实践表明：对于中、高档的IT设备而言，则期望将其输入电源的零线对地线电压控制在不超过1．5V的范围之内。根据GB50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS供电系统的技术要求：应该将UPS供电系统零地电压的有效值控制在小于2V的范围之内，因此本文建议将高频机型UPS的零地电压的有效值控制在小于1．5V。对工频机型的UPS供电系统而言，可将它对零地电压的有效值的要求放宽到小于2V。否则，如果其输入电源的零线对地线电压过高，则可能会带来如下的不利影响：1)位于中、高档IT设备中的CPU芯片可能会发生偶发性的“莫名其妙”的损坏。这是因为按照过去传统的故障分析思维方式，往往会认为导致CPU芯片损坏的原因应该是UPS的输出电压过高，然而事实并非如此。这是因为：对于当今的UPS而言，不仅其稳压精度已高达1％左右。而且还配置有完善过保护装置。在此条件下，导致CPU芯片损坏的原因是零地电压过高。2)导致位于信息网络机房中的IT设备发生“死机”事故的几率增大。有关的统计资料显示i如果能将其输入电源的零线对地线电压控制在合适的范围之内，IT设备发生“死机”事故的几率将会被大幅度地下降。在此需要说明的是：在当今的UPS产业所提供的UPS产品中，其输出电源的零地干扰电压的频谱可大致划分为两类：①50~100Hz的低频型零地电压，其峰值为所检测到零地电压有效值的1．4~1．5倍。②几千赫兹到几万赫兹的高频型零地电压，其峰值为所检测到零地电压的有效值的3倍左右。因此，在分析由零地电压所可能造成的危害性时，不仅需要关注零地电压的有效值大小，还应关注零地电压的频率的高低。显然，在有效值相同的条件下，零地电压的频率越高、峰值越大，它对IT设备所可能带来的危害则越大。正因为如此，从对IT设备的安全运行所可能产生的危害性来看，高频型的零地电压危害性远大于低频型的零地电压的危害性。3)数据中心机房中绝大多数的IT设备的输入功率因数已从原来的0．7~0．8(滞后)变为当今的0．91~0．98(超前)。近年来，由于绝大多数IT设备所使用的开关电源都采用了输入功率因数校正技术，由此所带来的重大变化之一是使得其输入功率因数已从不带输入功率因数校正功能的低档IT设备的0．7~0．8(滞后)变成带输入功率因数校正功能的中、高档IT设备的0．9～0．97(超前)。因此，为了适应这种变化，目前已有相当数量的UPS厂家已研制和生产出输出功率因数为0．9(滞后)的UPS产品，以便使得UPS的输出功率因数尽可能地同IT设备的输入功率因数相匹配，从而达到节能降耗的目的。同输出功率因数为0．8的UPS产品相比，输出功率因数为0．9的UPS产品的实际带载能力可提高8％~10％。鉴于此，用户应优选这类UPS产品。然而，对于具备研发实力的UPS厂家而言，应该尽早地开发出能适应输入功率因数为0．91～0．97(超前)的IT设备的UPS产品，以便使UPS能向后接的IT设备输出尽可能多的有功功率。有的厂家已开发出输出功率因数为1．0的UPS产品。越来越多的IT设备和网络通信设备采用“双电源输入”的设计方案众所周知，确保信息网络机房安全、可靠地运行前提有：①它所用的IT设备和网络通信设备本身必须具有尽可能高的可靠性。多年来的运行实践表明：在可能导致上述设备