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(xiàn)代企業(yè)對數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)連續(xù)性的依賴不斷加深，單位中心機(jī)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(shù)據(jù)中心電力供應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定的關(guān)鍵，具有重要作用。本研究聚焦于UPS 在單位中心機(jī)房中的應(yīng)用，旨在探究其如何有效地提供電能質(zhì)量保障和應(yīng)急備用能力，以確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)能夠持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行，為機(jī)房供電系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供科學(xué)、可靠的參考依據(jù)。
1 單位中心機(jī)房供電系統(tǒng)概述
單位中心機(jī)房供電系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)維是確保企業(yè)信息化建設(shè)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)工作。該系統(tǒng)不僅要從市電獲得穩(wěn)定的主電源供應(yīng)來滿足機(jī)房日常的工作需求，還要通過精細(xì)化的電源管理和配電系統(tǒng)來滿足不同信息技術(shù)（Information Technology，IT）設(shè)備對電源的特定要求。UPS 在單位中心機(jī)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(bǔ)給，有效防止數(shù)據(jù)丟失和硬件損壞，還能通過其內(nèi)置的電能調(diào)節(jié)功能，為機(jī)房設(shè)備提供穩(wěn)定且純凈的電流供應(yīng)。此外，高度集成的電源和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也為實(shí)時監(jiān)測電力質(zhì)量和環(huán)境狀態(tài)提供了支持，使運(yùn)維團(tuán)隊能夠有效預(yù)防和快速響應(yīng)各種電力事件。
整個供電系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，并配備了備用發(fā)電機(jī)等設(shè)備，確保在極端情況下機(jī)房設(shè)備仍能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。單位中心機(jī)房的供電體系是一個由多個關(guān)鍵組件和子系統(tǒng)共同組成的復(fù)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(wù)的正常運(yùn)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(yīng)，以防因市電供應(yīng)中斷或不穩(wěn)定而影響機(jī)房內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的正常運(yùn)行。UPS 系統(tǒng)通常由儲能裝置（如電池）、逆變器、靜態(tài)開關(guān)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(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電給內(nèi)部電池充電，并通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為干凈且穩(wěn)定的交流電供設(shè)備使用。當(dāng)市電中斷或出現(xiàn)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(zhuǎn)換成交流電，持續(xù)供給負(fù)荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換UPS）正常工作情況下，先將交流市電轉(zhuǎn)換成直流電，并給內(nèi)部電池充電；再將直流電逆變換回交流電，供設(shè)備使用。這種方式能夠確保供應(yīng)給負(fù)載的電力與市電完全隔離，提供較高的電源質(zhì)量和保護(hù)。需要注意的是，即使市電正常供應(yīng)，在線式UPS 也會持續(xù)利用其內(nèi)部電路進(jìn)行運(yùn)作。
離線式UPS（也稱備用式或待機(jī)式UPS）在市電正常供應(yīng)時，不會對電流進(jìn)行任何處理，而是直接將市電供給機(jī)房設(shè)備。只有當(dāng)市電供應(yīng)出現(xiàn)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(yīng)的情況下，電流并沒有經(jīng)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(hù)，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(hù)級別介于在線式和離線式UPS 之間，會對市電進(jìn)行一定的調(diào)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(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，以供負(fù)載設(shè)備使用[2]。
3 不間斷電源系統(tǒng)在中心機(jī)房的應(yīng)用
在現(xiàn)代單位中心機(jī)房中，UPS 系統(tǒng)的配置方案是實(shí)現(xiàn)電力可靠性、業(yè)務(wù)連續(xù)性和數(shù)據(jù)完整性的關(guān)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(jī)房負(fù)載的大小和性質(zhì)，以確定所需的UPS 容量。根據(jù)負(fù)載計算和預(yù)期增長，合理設(shè)計UPS 的規(guī)模，確保所有關(guān)鍵設(shè)備在斷電時能夠持續(xù)工作。因此，需要詳細(xì)評估服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)硬件、存儲設(shè)備及其他關(guān)鍵系統(tǒng)的功率需求。
其次，考慮運(yùn)行時間。根據(jù)業(yè)務(wù)連續(xù)計劃和恢復(fù)時間目標(biāo)，UPS 應(yīng)配備足夠的電池組，以縮短機(jī)房操作所需的時間，直至備用發(fā)電機(jī)啟動或電源恢復(fù)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(shí)現(xiàn)高可用性中心機(jī)房設(shè)計的另一關(guān)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(fù)載都由兩套獨(dú)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(jìn)的UPS 可以連接到網(wǎng)絡(luò)并集成在中心機(jī)房的管理軟件中，使IT管理員能夠遠(yuǎn)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(yīng)功能，能夠在發(fā)生電力事件時安全關(guān)閉服務(wù)器。
4 不間斷電源系統(tǒng)的規(guī)切與設(shè)計
UPS 系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計是確保單位中心機(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵步驟，要根據(jù)中心機(jī)房的業(yè)務(wù)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(fù)載需求。全面評估中心機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備的功率需求，確保UPS的容量能夠滿足現(xiàn)有負(fù)載和未來擴(kuò)展的需求。負(fù)載需求分析還應(yīng)包括對各種設(shè)備在啟動時所需的瞬時功率需求，確保UPS 系統(tǒng)能夠應(yīng)對瞬間的負(fù)載變化。其次，可靠性設(shè)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(shè)備發(fā)生故障時，其他UPS 仍能完成供電任務(wù)，實(shí)現(xiàn)N+1 或2N等級的冗余設(shè)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(yùn)行，要設(shè)計適當(dāng)?shù)木S護(hù)旁路，從而在不中斷主供電的情況下進(jìn)行UPS 的維護(hù)或更換。而電池備份時間的確定是另一個關(guān)鍵的設(shè)計考量點(diǎn)。在設(shè)計UPS 系統(tǒng)時，應(yīng)考慮到能效和熱管理，選擇能效較高的UPS 型號能夠降低運(yùn)行成本，而適當(dāng)?shù)臋C(jī)房空調(diào)和散熱設(shè)計則能確保UPS 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2024 年1 月8 日單個UPS 系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 2024 年1 月8 日單個UPS 系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)
5 不間斷電源系統(tǒng)的維護(hù)與管理
UPS 系統(tǒng)的維護(hù)與管理是確保其能夠有效履行職責(zé)的關(guān)鍵因素。維護(hù)與管理工作包括定期檢查、測試、預(yù)防性維護(hù)、故障診斷、實(shí)時監(jiān)控以及控制環(huán)境條件等。因此，需要設(shè)立專門的維護(hù)團(tuán)隊，并制定詳盡的檢查計劃，對UPS 系統(tǒng)的各個組成部分進(jìn)行周期性的綜合檢查，包括但不限于電池組、電容、風(fēng)扇、熔斷器以及其他關(guān)鍵電子部件[5]。檢查的目的是發(fā)現(xiàn)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(jī)房應(yīng)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(jìn)行培訓(xùn)，了解UPS系統(tǒng)的工作原理、潛在風(fēng)險和必要的應(yīng)急操作程序，及時發(fā)現(xiàn)問題，快速響應(yīng)緊急狀況并修復(fù)故障。
6 不間斷電源系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)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(jìn)，以最大化利用能效。這意味著UPS 系統(tǒng)的設(shè)計將更加精細(xì)，以減少能量損失，優(yōu)化整個電力轉(zhuǎn)換過程。
隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的日益增強(qiáng)，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(xué)物質(zhì)的材料、研究高性能電池技術(shù)等，以延長產(chǎn)品的使用壽命。
加強(qiáng)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(wù)、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）設(shè)備和大數(shù)據(jù)平臺，UPS 系統(tǒng)能夠更精確地預(yù)測電源需求，自動進(jìn)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(yuǎn)程管理服務(wù)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(shù)領(lǐng)域，為追求更高的能量密度和更長的維護(hù)間隔，需要專注于優(yōu)化電池技術(shù)，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(dǎo)體材料是未來實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的關(guān)鍵。例如，硅碳化物（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型半導(dǎo)體材料有助于提升電力轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)，降低能耗[6]。
7 結(jié) 論
通過研究可知，UPS 系統(tǒng)對單位中心機(jī)房供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。有效的UPS 應(yīng)用能有效避免電力故障對機(jī)房運(yùn)行的不良影響，保障關(guān)鍵數(shù)據(jù)和服務(wù)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(kuò)展且維護(hù)成本低的UPS 解決方案。同時，實(shí)施智能監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對UPS 性能的實(shí)時追蹤與管理，確保設(shè)備始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，并采取適時的維護(hù)策略，以延長關(guān)鍵組件的使用壽命。此外，應(yīng)加強(qiáng)對操作人員的專業(yè)培訓(xùn)，確保其能對UPS 系統(tǒng)進(jìn)行正確的操作和應(yīng)急響應(yīng)。積極推廣并使用新技術(shù)與材料，如高效率半導(dǎo)體和先進(jìn)的電池技術(shù)，以提升系統(tǒng)整體能效，降低操作成本。通過不斷探索和實(shí)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供支持。
UPS 是確保單位中心機(jī)房供電連續(xù)性和可靠性的關(guān)鍵組件。通過采用高效、智能化的UPS 解決方案，并結(jié)合定期維護(hù)和培訓(xùn)操作人員等措施，能夠顯著提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行穩(wěn)定性。為適應(yīng)未來發(fā)展趨勢，推薦引入先進(jìn)技術(shù)和材料，以提升系統(tǒng)效能，確保業(yè)務(wù)的持續(xù)運(yùn)營。
