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不間斷電源在單位中心機房供電系統(tǒng)中的應用研究
[ 通信界 | 陳雷 | www.6611o.com | 2024/6/7 13:41:23 ]
 

陳 雷

(中共新疆維吾爾自治區(qū)委員會黨校,新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著現代企業(yè)對數據處理和業(yè)務連續(xù)性的依賴不斷加深,單位中心機房的供電安全性與穩(wěn)定性顯得尤為重要。不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)系統(tǒng)作為確保數據中心電力供應持續(xù)穩(wěn)定的關鍵,具有重要作用。本研究聚焦于UPS 在單位中心機房中的應用,旨在探究其如何有效地提供電能質量保障和應急備用能力,以確保關鍵業(yè)務能夠持續(xù)、穩(wěn)定的運行,為機房供電系統(tǒng)的設計與優(yōu)化提供科學、可靠的參考依據。

1 單位中心機房供電系統(tǒng)概述

單位中心機房供電系統(tǒng)的設計和運維是確保企業(yè)信息化建設穩(wěn)定運行的基礎工作。該系統(tǒng)不僅要從市電獲得穩(wěn)定的主電源供應來滿足機房日常的工作需求,還要通過精細化的電源管理和配電系統(tǒng)來滿足不同信息技術(Information Technology,IT)設備對電源的特定要求。UPS 在單位中心機房供電體系中扮演著重要角色,不僅能夠在市電異常情況下提供即時的電能補給,有效防止數據丟失和硬件損壞,還能通過其內置的電能調節(jié)功能,為機房設備提供穩(wěn)定且純凈的電流供應。此外,高度集成的電源和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也為實時監(jiān)測電力質量和環(huán)境狀態(tài)提供了支持,使運維團隊能夠有效預防和快速響應各種電力事件。

整個供電系統(tǒng)采用冗余設計,并配備了備用發(fā)電機等設備,確保在極端情況下機房設備仍能持續(xù)穩(wěn)定運行。單位中心機房的供電體系是一個由多個關鍵組件和子系統(tǒng)共同組成的復雜系統(tǒng),能夠提供高可靠性和高穩(wěn)定性的電力支持,確保企業(yè)核心業(yè)務的正常運行。

2 不間斷電源系統(tǒng)原理與分類

2.1 工作原理

UPS 系統(tǒng)能夠提供即時的電力供應,以防因市電供應中斷或不穩(wěn)定而影響機房內關鍵設備的正常運行。UPS 系統(tǒng)通常由儲能裝置(如電池)、逆變器、靜態(tài)開關以及控制器等主要部件組成,工作原理如圖1 所示。

圖1 UPS 系統(tǒng)工作原理

正常情況下,UPS 將市電轉換為穩(wěn)定的直流電給內部電池充電,并通過逆變器將直流電轉換為干凈且穩(wěn)定的交流電供設備使用。當市電中斷或出現波動時,UPS 會立即切換到電池供電模式,利用儲存的能量通過逆變器轉換成交流電,持續(xù)供給負荷正常運轉所需的電力[1]。

2.2 分類情況

UPS 系統(tǒng)可以分為在線式、離線式和線路交互式3 種。

在線式UPS(也稱雙轉換UPS)正常工作情況下,先將交流市電轉換成直流電,并給內部電池充電;再將直流電逆變換回交流電,供設備使用。這種方式能夠確保供應給負載的電力與市電完全隔離,提供較高的電源質量和保護。需要注意的是,即使市電正常供應,在線式UPS 也會持續(xù)利用其內部電路進行運作。

離線式UPS(也稱備用式或待機式UPS)在市電正常供應時,不會對電流進行任何處理,而是直接將市電供給機房設備。只有當市電供應出現中斷或不穩(wěn)定時,離線式UPS 才會啟動電池并通過逆變器供電。在市電正常供應的情況下,電流并沒有經過UPS 的任何電氣處理,因此離線式UPS 只能提供基本的電源保護,成本相對較低。

線路交互式UPS(也稱在線互動式UPS)提供的保護級別介于在線式和離線式UPS 之間,會對市電進行一定的調節(jié),如校正電壓波動等。然而在市電中斷的情況下,其仍需將電池的直流電經過逆變器轉換為交流電,以供負載設備使用[2]。

3 不間斷電源系統(tǒng)在中心機房的應用

在現代單位中心機房中,UPS 系統(tǒng)的配置方案是實現電力可靠性、業(yè)務連續(xù)性和數據完整性的關鍵。配置UPS 系統(tǒng)時,需要綜合考慮多方面因素。

首先,要考慮中心機房負載的大小和性質,以確定所需的UPS 容量。根據負載計算和預期增長,合理設計UPS 的規(guī)模,確保所有關鍵設備在斷電時能夠持續(xù)工作。因此,需要詳細評估服務器、網絡硬件、存儲設備及其他關鍵系統(tǒng)的功率需求。

其次,考慮運行時間。根據業(yè)務連續(xù)計劃和恢復時間目標,UPS 應配備足夠的電池組,以縮短機房操作所需的時間,直至備用發(fā)電機啟動或電源恢復正常工作。該時間范圍的確定取決于組織的需求。

再次,考慮冗余性。冗余性是實現高可用性中心機房設計的另一關鍵要素。采用N+1 或2N冗余的UPS 配置可以提供更高的可靠性,即使某個UPS組件發(fā)生故障,其他UPS 也可維持持續(xù)供電。其中,2N配置提供完全的冗余性,即每個負載都由兩套獨立的UPS 路徑供電;而N+1 配置提供了額外的UPS單元作為備份,以供主UPS 單元在需要時使用。

最后,軟件和管理工具也是UPS 系統(tǒng)的重要部分[3]。先進的UPS 可以連接到網絡并集成在中心機房的管理軟件中,使IT管理員能夠遠程監(jiān)控電源狀況、排除故障、優(yōu)化能源使用。這些工具還具備自動化響應功能,能夠在發(fā)生電力事件時安全關閉服務器。

4 不間斷電源系統(tǒng)的規(guī)切與設計

UPS 系統(tǒng)的規(guī)劃與設計是確保單位中心機房穩(wěn)定運行和數據安全的關鍵步驟,要根據中心機房的業(yè)務需求、可靠性要求和未來的發(fā)展計劃制定。

首先,UPS 系統(tǒng)的規(guī)劃需要充分考慮負載需求。全面評估中心機房內所有設備的功率需求,確保UPS的容量能夠滿足現有負載和未來擴展的需求。負載需求分析還應包括對各種設備在啟動時所需的瞬時功率需求,確保UPS 系統(tǒng)能夠應對瞬間的負載變化。其次,可靠性設計。這通常涉及冗余配置,即使用多臺UPS模塊協(xié)同工作,以確保在一臺UPS 設備發(fā)生故障時,其他UPS 仍能完成供電任務,實現N+1 或2N等級的冗余設計,確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[4]。最后,為確保UPS 系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,要設計適當的維護旁路,從而在不中斷主供電的情況下進行UPS 的維護或更換。而電池備份時間的確定是另一個關鍵的設計考量點。在設計UPS 系統(tǒng)時,應考慮到能效和熱管理,選擇能效較高的UPS 型號能夠降低運行成本,而適當的機房空調和散熱設計則能確保UPS 系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2024 年1 月8 日單個UPS 系統(tǒng)的性能數據如表1 所示。

表1 2024 年1 月8 日單個UPS 系統(tǒng)的性能數據

5 不間斷電源系統(tǒng)的維護與管理

UPS 系統(tǒng)的維護與管理是確保其能夠有效履行職責的關鍵因素。維護與管理工作包括定期檢查、測試、預防性維護、故障診斷、實時監(jiān)控以及控制環(huán)境條件等。因此,需要設立專門的維護團隊,并制定詳盡的檢查計劃,對UPS 系統(tǒng)的各個組成部分進行周期性的綜合檢查,包括但不限于電池組、電容、風扇、熔斷器以及其他關鍵電子部件[5]。檢查的目的是發(fā)現潛在的安全隱患(如電池鼓脹),并及時替換老化或性能不符合規(guī)格的部件。此外,機房應有穩(wěn)定的環(huán)境控制系統(tǒng),以確保系統(tǒng)處于合適的環(huán)境條件。定期對所有操作人員進行培訓,了解UPS系統(tǒng)的工作原理、潛在風險和必要的應急操作程序,及時發(fā)現問題,快速響應緊急狀況并修復故障。

6 不間斷電源系統(tǒng)的先進技術與發(fā)展趨勢

未來UPS 系統(tǒng)的發(fā)展將朝著高效能、環(huán)境友好和智能化的方向快速前進,以最大化利用能效。這意味著UPS 系統(tǒng)的設計將更加精細,以減少能量損失,優(yōu)化整個電力轉換過程。

隨著人們環(huán)境保護意識的日益增強,未來的UPS系統(tǒng)將致力于降低對環(huán)境的影響,如使用可循環(huán)材料、不使用含有害化學物質的材料、研究高性能電池技術等,以延長產品的使用壽命。

加強智能化和自主管理能力是未來UPS 系統(tǒng)發(fā)展的另一趨勢。通過集成云服務、物聯(lián)網(Internet of Things,IoT)設備和大數據平臺,UPS 系統(tǒng)能夠更精確地預測電源需求,自動進行能量管理,并及時識別和解決潛在的問題。這樣的系統(tǒng)具備自我診斷、自動報告、與遠程管理服務無縫對接的能力,從而提高了整體系統(tǒng)的可靠性和效率。

在技術領域,為追求更高的能量密度和更長的維護間隔,需要專注于優(yōu)化電池技術,并開發(fā)新型能源存儲解決方案。同時,在單相和三相UPS 系統(tǒng)中使用新型半導體材料是未來實現技術突破的關鍵。例如,硅碳化物(SiC)和氮化鎵(GaN)等新型半導體材料有助于提升電力轉換效率,進而實現更快的響應,降低能耗[6]。

7 結 論

通過研究可知,UPS 系統(tǒng)對單位中心機房供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關重要。有效的UPS 應用能有效避免電力故障對機房運行的不良影響,保障關鍵數據和服務不會因電力問題而中斷。為提升UPS系統(tǒng)效益,優(yōu)先采用效率高、可擴展且維護成本低的UPS 解決方案。同時,實施智能監(jiān)控系統(tǒng),以實現對UPS 性能的實時追蹤與管理,確保設備始終運行在最佳狀態(tài),并采取適時的維護策略,以延長關鍵組件的使用壽命。此外,應加強對操作人員的專業(yè)培訓,確保其能對UPS 系統(tǒng)進行正確的操作和應急響應。積極推廣并使用新技術與材料,如高效率半導體和先進的電池技術,以提升系統(tǒng)整體能效,降低操作成本。通過不斷探索和實施綠色節(jié)能措施,UPS 系統(tǒng)不僅能保障供電安全,還能為可持續(xù)發(fā)展目標的實現提供支持。

UPS 是確保單位中心機房供電連續(xù)性和可靠性的關鍵組件。通過采用高效、智能化的UPS 解決方案,并結合定期維護和培訓操作人員等措施,能夠顯著提高數據中心的運行穩(wěn)定性。為適應未來發(fā)展趨勢,推薦引入先進技術和材料,以提升系統(tǒng)效能,確保業(yè)務的持續(xù)運營。

 

1作者:陳雷 來源:通信電源技術 編輯:顧北

 

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