談N+X冗餘模塊化(huà)UPS

王其英

UPS模塊化(huà)結構無疑是今後發展的(de)方向。因爲模塊化(huà)具有帶電熱(rè)插拔的(de)功能，熱(rè)更換的(de)問題就解決了(le)，無形中就帶來(lái)了(le)另一個(gè)好處，即延長(cháng)了(le)數據中心連續工作的(de)壽命。一個(gè)數據中心的(de)設計壽命至少要10年以上，比如20年，30年等。但供電設備的(de)壽命一般不足10年，若更新就必須停電，模塊化(huà)就解決了(le)這(zhè)個(gè)問題。

這(zhè)就牽涉到模塊化(huà)的(de)概念問題，即什(shén)麽是模塊化(huà)？根據一個(gè)通(tōng)用(yòng)的(de)“熱(rè)插拔”概念，可(kě)以看出一個(gè)機櫃中至少有兩個(gè)互爲冗餘的(de)模塊，拔掉一個(gè)仍不影(yǐng)響機器的(de)正常供電。有的(de)将幾百千伏安而直接放在地闆上的(de)一個(gè)機櫃也(yě)叫模塊，顯然不太合适，這(zhè)和(hé)以往的(de)UPS多(duō)機并聯是一個(gè)概念：大(dà)家都是直接放置在機房(fáng)地闆上，最多(duō)也(yě)是8台并聯，如果有冗餘設置，也(yě)可(kě)一台或幾台退出維修，但不能帶電熱(rè)更換，這(zhè)不能叫模塊，隻能叫一台UPS單機。大(dà)功率的(de)UPS模塊也(yě)并非沒有，比如有的(de)廠家推出一個(gè)機櫃中放置兩個(gè)300kVA的(de)UPS模塊，互爲冗餘，可(kě)帶電熱(rè)拆卸（插拔），熱(rè)更換，當然還(hái)有下(xià)面討(tǎo)論的(de)一些特點和(hé)優點，這(zhè)才符合習(xí)慣上的(de)模塊化(huà)概念。

一、模塊化(huà)UPS的(de)分(fēn)類及特點

不要認爲所有模塊化(huà)UPS都一樣，實際上他(tā)們之間從結構上還(hái)是功能上有很大(dà)差别。當前的(de)模塊化(huà)UPS從電路結構上說分(fēn)兩大(dà)類：功率模塊結構式和(hé)UPS結構模塊結構式。功率模塊結構式也(yě)稱第一代模塊化(huà)結構，它的(de)特點是功率模塊和(hé)控制模塊分(fēn)離，這(zhè)種結構的(de)任何一個(gè)模塊都不能單獨供電，由于存在單點故障，故可(kě)靠性不太高(gāo)；第二代模塊化(huà)結構克服了(le)第一代的(de)缺點，将整套UPS做(zuò)成一個(gè)模塊，即任何一個(gè)模塊都可(kě)單獨供電，所以它的(de)可(kě)靠性遠(yuǎn)高(gāo)于第一代，也(yě)是第二代的(de)替代産品。這(zhè)裏隻對(duì)第二代模塊化(huà)結構進行討(tǎo)論。圖1所示就是第一代模塊化(huà)結構和(hé)第二代模塊化(huà)結構方框圖

 目前的(de)單個(gè)UPS模塊從1kVA開始一直做(zuò)到300kVA，這(zhè)裏的(de)模塊概念是必須在一個(gè)機櫃中有一個(gè)以上的(de)模塊，一個(gè)機櫃中隻有一個(gè)模塊那還(hái)屬于單機範疇。比如這(zhè)裏的(de)300kVA模塊在一個(gè)機櫃中就可(kě)安裝兩個(gè)，也(yě)具有熱(rè)更換功能。

模塊化(huà)UPS和(hé)單機UPS相比不但具備了(le)單機的(de)一些優點，并且還(hái)有很多(duō)獨到的(de)特點，下(xià)面一一介紹。

二、模塊化(huà)UPS是節能節資金産品

幾乎99%以上的(de)模塊化(huà)UPS都是高(gāo)頻(pín)化(huà)結構，和(hé)以前傳統的(de)工頻(pín)化(huà)結構UPS相比，在同等技術指标的(de)情況下(xià)取消了(le)諧波濾波器和(hé)輸出變壓器，如圖2所示，因此效率就比單機UPS高(gāo)了(le)5%以上。比如同樣是100kVA的(de)UPS，這(zhè)種高(gāo)頻(pín)模塊化(huà)UPS就比傳統的(de)工頻(pín)化(huà)結構UPS每年至少節約50,000度電。以下(xià)的(de)特點是模塊化(huà)UPS所特有的(de)。

模塊化(huà)結構UPS爲在連續運行的(de)數據中心邊計劃邊投資邊建設提供了(le)可(kě)能。這(zhè)就合理(lǐ)的(de)利用(yòng)了(le)資金，避免了(le)一次性投資的(de)壓力和(hé)浪費。

三、可(kě)靠性高(gāo)

    對(duì)于單機UPS而言，機器做(zuò)好後可(kě)靠性也(yě)就定了(le)。但模塊化(huà)UPS的(de)可(kě)靠性随著(zhe)組合的(de)不同時(shí)刻改變的(de)。比如每一個(gè)單機UPS和(hé)一個(gè)模塊UPS的(de)可(kě)靠性都是r₁=0.99，即故障率是1%；一個(gè)100kVA的(de)單機UPS可(kě)靠性就是0.99了(le)，而120kVA的(de)模塊UPS，當每個(gè)模塊是模塊15kVA時(shí)，定在100kVA就是7+1的(de)組合，這(zhè)時(shí)的(de)可(kě)靠性R₇₊₁就是：

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

可(kě)靠性比單機時(shí)幾乎提高(gāo)了(le)10倍，故障率降低了(le)10倍。如果采用(yòng)6+2組合，其可(kě)靠性R₆₊₂就是：

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

可(kě)靠性比單機時(shí)幾乎提高(gāo)了(le)100倍，故障率降低了(le)100倍。而且随著(zhe)負載的(de)減小可(kě)靠性還(hái)會增大(dà)。比如定位爲100kVA的(de)負載，實際爲90kVA以下(xià)時(shí)，就變成了(le)6+2組合，故障率比單機降低了(le)100倍；如果實際負載低于75kVA時(shí)，就變成了(le)5+3組合，可(kě)用(yòng)同樣的(de)方法算(suàn)出故障率比單機降低了(le)1000倍。這(zhè)是單機UPS無論如何都實現不了(le)的(de)。

四、并聯冗餘性好

模塊化(huà)UPS所以冗餘性好是因爲在機器設計的(de)初期就是按照(zhào)冗餘性規劃的(de)，所以不論是從電路上還(hái)是從結構上就是作爲一個(gè)整體考慮的(de)，這(zhè)樣一來(lái)既可(kě)以分(fēn)開又可(kě)以組合。比如有一款名爲ARRAY的(de)UPS，它的(de)機架就是一個(gè)名副其實的(de)架子，架子上沒有任何電路。而且個(gè)模塊之間沒有任何通(tōng)信信号線相連，是一種無線并聯功能，可(kě)靠性有大(dà)爲提高(gāo)。不像一般單機UPS結構那樣，還(hái)需要并聯闆和(hé)各單機之間的(de)通(tōng)信信号線，一旦這(zhè)個(gè)信号線

接觸不良，并聯就會失敗；不少UPS單機電路是移植來(lái)的(de)，隻是将并聯功能添加上去，沒考慮和(hé)以前的(de)電路又和(hé)沖突之處，往往有這(zhè)種情況：在UPS組合正常運行中就有的(de)單機因同步失諧而退出，埋下(xià)了(le)隐患或導緻故障。

五、動态擴展性好

（一）可(kě)以在線熱(rè)插拔和(hé)熱(rè)更換，保證了(le)供電的(de)連續性。單機UPS更換時(shí)比如關機，盡管有手動旁路，但由于輸出端仍和(hé)其他(tā)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(le)隔離開關，但對(duì)于大(dà)功率來(lái)說這(zhè)樣做(zuò)勢不經濟的(de)。

（二）延長(cháng)了(le)供電電源的(de)服務壽命

一般一個(gè)數據中心的(de)使用(yòng)壽命希望越長(cháng)越好，你如20年，30年等。但設備的(de)壽命不可(kě)能這(zhè)樣長(cháng)。比如UPS的(de)服務壽命最多(duō)不過10年，因爲機器中大(dà)量的(de)電解電容器壽命很短，但又無法在線更換。在用(yòng)單機UPS供電時(shí)不得(de)不停機更換，這(zhè)個(gè)周期是比較長(cháng)的(de)，少則數小時(shí)，多(duō)則數天。

模塊化(huà)結構給了(le)這(zhè)種可(kě)能，因爲一個(gè)模塊就是一台UPS，在冗餘的(de)情況下(xià)也(yě)可(kě)以熱(rè)更換，即使是幾百公斤的(de)300kVA模塊，也(yě)可(kě)以在線熱(rè)拆卸，從機櫃中取出來(lái)進行更換。因爲金屬機架如果做(zuò)得(de)好，幾十年是不會壞的(de)。數據中心的(de)連續供電問題解決了(le)，其他(tā)問題就都好辦了(le)，因爲隻要有了(le)電，就有了(le)糧食，肚子吃(chī)飽了(le)，就好幹活了(le)。

六、綠色環保

環保就是沒有污染，污染分(fēn)自然環境的(de)污染、電氣環境的(de)污染。這(zhè)兩種污染都被模塊化(huà)結構克服。

（一）克服了(le)對(duì)自然環境的(de)污染

自然環境的(de)污染包括聲音(yīn)污染和(hé)大(dà)氣污染。模塊化(huà)結構由于絕大(dà)多(duō)數都是高(gāo)頻(pín)化(huà)結構，工作頻(pín)率都在20kHz以上，超出了(le)人(rén)的(de)耳朵聽(tīng)覺範圍，所以是安靜的(de)。不像工頻(pín)機那樣，變壓器和(hé)電抗器的(de)叫聲令人(rén)心煩意亂，影(yǐng)響工作情緒。至于大(dà)氣污染，由于現在都在執行ROHS指令，這(zhè)一項是肯定要做(zuò)的(de)。

（二）克服了(le)對(duì)電氣環境的(de)污染

由于高(gāo)頻(pín)化(huà)模塊UPS的(de)輸入功率因數都在0.99以上，對(duì)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(de)正弦波形，諧波含量小于5%。因此，電網中的(de)高(gāo)次諧波幹擾幾乎不用(yòng)考慮。而單機工頻(pín)UPS一般400kVA以下(xià)都是6脈沖整流，輸入功率因數約爲0.8，諧波含量達30%，5次和(hé)7次諧波能量較大(dà)，幹擾用(yòng)電設備。

七、管理(lǐ)性強

模塊化(huà)UPS由于它的(de)結構特點，一般模塊在20kVA以下(xià)者居多(duō)，這(zhè)也(yě)是應用(yòng)最多(duō)的(de)範圍，重量在20kg左右，一般一個(gè)人(rén)就可(kě)搬得(de)動。許多(duō)模塊化(huà)機櫃面闆上的(de)LCD都有人(rén)性化(huà)的(de)圖示，當某一個(gè)模塊故障時(shí)就有明(míng)确标志，值班人(rén)員(yuán)既可(kě)根據機上标示輕松更換模塊，不需要專門人(rén)員(yuán)既可(kě)。

方便增容。比如一個(gè)機房(fáng)規劃IT用(yòng)電量是100kVA，目前隻有20kVA的(de)負載，比如選擇ARRAY 120kVA模塊化(huà)UPS，該機模塊單元是15kVA，就可(kě)先配置2+1，尚有5個(gè)空位，就可(kě)根據IT的(de)增容情況來(lái)逐步增加電源模塊。

方便移動。機房(fáng)搬家是常有的(de)事，在單機UPS時(shí)由于重量很大(dà)又不可(kě)拆卸，使這(zhè)種搬家相當複雜(zá)和(hé)費力，但在模塊化(huà)時(shí)就變得(de)輕而易舉。

八、第二代模塊化(huà)之間的(de)區(qū)别

    第二代模塊化(huà)也(yě)不都是一樣，它們之間也(yě)有質量和(hé)功能上的(de)差别，用(yòng)戶切不可(kě)隻從價格上看問題。UPS技術發展到今天，各家采用(yòng)的(de)電路相差甚微。采用(yòng)的(de)元器件也(yě)就是國際和(hé)國内這(zhè)些廠家的(de)産品，同等元器件的(de)體積和(hé)重量差别也(yě)不會大(dà)。因此UPS産品的(de)單位體積重量（kg/kVA）也(yě)應相差無幾，如果相差甚遠(yuǎn)，就值得(de)考慮；如果在價格上再相差甚遠(yuǎn)，就要認真考慮了(le)。又是高(gāo)科技，又是重量輕，又是性能好，又是價格便宜，等等。像這(zhè)樣的(de)好事是誰都向往的(de)。有不少用(yòng)戶因爲貪圖便宜，設備選型安裝後，冒煙(yān)者有之，起火者有之，爆炸者也(yě)不少見，使整個(gè)數據中心癱瘓者也(yě)有之。

九、澄清對(duì)模塊化(huà)的(de)誤解

對(duì)于模塊化(huà)有的(de)就提出這(zhè)樣的(de)問題：原來(lái)一台UPS是一套電路，現在變成了(le)數套電路，多(duō)一個(gè)環節就多(duō)一個(gè)故障點，所以N+X模塊化(huà)結構的(de)可(kě)靠性不會高(gāo)。并肯定地說：當模塊多(duō)餘8個(gè)的(de)時(shí)候，其系統可(kě)靠性還(hái)不如單台UPS高(gāo)。這(zhè)就使得(de)有些用(yòng)戶對(duì)模塊化(huà)結構心存疑慮，望而卻步。

這(zhè)裏有一個(gè)基本概念問題，多(duō)一個(gè)環節就多(duō)一個(gè)故障點是對(duì)串聯環節而言，如圖3（a）所示就是一個(gè)串聯環節構成的(de)通(tōng)路，路上的(de)環節就好比閥門，水(shuǐ)要經過閥門從A流到B。沿路的(de)閥門隻要卡死，水(shuǐ)就流不過去了(le)，串聯的(de)閥門越多(duō)，故障率就越高(gāo)，比如每個(gè)閥門平均每年就有一次卡死，10個(gè)閥門一年就可(kě)能有10次卡死，這(zhè)就是多(duō)一個(gè)環節就多(duō)一個(gè)故障點的(de)道理(lǐ)。

但是，如圖3（b）箭頭所示，如果通(tōng)路上有了(le)并聯分(fēn)支，通(tōng)道就增多(duō)了(le)，多(duō)一個(gè)并聯閥門就多(duō)一條通(tōng)路。所以說，模塊化(huà)UPS如果不冗餘并聯是毫無意義的(de)。N+X模塊化(huà)UPS的(de)X¹0時(shí)才有意義。明(míng)白了(le)這(zhè)一點，上面的(de)第二個(gè)問題就迎刃而解了(le)。