電源：UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)用負載自動切換開關(上)

摘要：統(tǒng)計資料顯示，在信息網絡機房中僅配置N+1UPS冗余供電系統(tǒng)，并不能消除網絡癱瘓故障.為確保為于互聯(lián)網上的關鍵網絡設備.如服務器的安全運行，有必要在雙總線輸出線路中配置負載自動切換開關，以便向各種網絡設備提供信息網絡級的優(yōu)質電源.采用DSP全數(shù)字技術及多重冗余調控技術設計的負載自動切換開關，可使網絡供電系統(tǒng)獲得如下優(yōu)點：消除”單點瓶頸”故障隱患，提高UPS的可利用率，提高供電質量的”擇優(yōu)供電”功能;增網絡設備運行的安全性的”故障隔離”保護功能等.本文詳細地分析和討論負載自動切換開關的型號、工作原理、執(zhí)行安全切換操作的前提條件、工作模式、技術參數(shù)、選用主語事項及供電系統(tǒng)的設計方案。

敘詞：負載自動切換開關　　“單點瓶頸”故障隱患　　擇優(yōu)供電　　故障隔離

Abstract：The related statistics have shown thatN+1type of the parallel-redundant UPS system can not eliminate the failure of the network paralysis in the network room completely.In order to ensure reliable and safe operation or the key network equipments,such as servers,which are supplied by two or three independent power supplies,it is necessary that the dual-bus type of the parallel-redundant UPS system should be equipped with the automatic Static Transfer Switches(STS).Therefore,a variety of network equipments can be supplied by a so-calledinformation networklevel of high quality sources.Due to that new STS are designed and made by new DSP and multi-redundant logic control techiques,it can provide the following superiorities for network equipments:the eliminationg of single-pointtype the failures;the choose of higher quality of power supply from two independent sources;the isolation of the failsures;the increase of the reliability and fault tolerance for UPS system and so on.The type of the load transfer switches,the operation and matters needing attention,the design schemes of the parallel-redundant UPS system with dual-bus type of output circuits are studied and analyzed in detailed.

Keyword：automatic Static Transfer Switches(STS)

1　配置負載自動切換開關的必要性

當今的市場經濟和社會活動對信息網絡(互聯(lián)網、電信網、工業(yè)自動化控制網、政府的電子政務網站等)的依賴程度是如此之高，那怕是僅幾分鐘的“網絡癱瘓”就可能會給公司，企業(yè)及行政管理機構的銷售，經營管理、社會生活的正常運行、聲譽、及公眾形象帶來難以估量的損失。鑒于公眾對“信息網絡”的正常運營服務所期望的高度“時效性”，為此要求負責向它供電的UPS供電系統(tǒng)必須具有提供100%”高可利用率”的供電能力。目前，常采用的技術措施之一是：在各種重要的信息網絡機房中、配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng), 從而為確保各種網絡設備能安全、可靠地處理/傳輸/存儲數(shù)據和各種信息資料創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。多年來的運行實踐證明：“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)具有如下技術優(yōu)勢：

增強UPS供電系統(tǒng)的“容錯”功能：在由“N+1”臺UPS所構成的UPS冗余并機系統(tǒng)的運行中，如果其中某臺UPS因故”出故障”時、剩下的N臺UPS具有足夠的”帶載能力”向后接的網絡設備提供純潔的、穩(wěn)壓的UPS逆變器電源，從而確保各種網絡設備的安全運行。這意味著：對于這樣的帶“容錯”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)而言，即使在遇到某臺UPS因故出故障時，它仍能向它的負載提供具有100%“高可利用率”的高品質電源。

提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性：例如“1+1”并機系統(tǒng)的平均無故障工作時間(MTBF)是UPS單機6倍左右。如果再考慮到：當今的中、大型UPS的MTBF值已高達40-50萬小時的話，“1+1”UPS冗余供電系統(tǒng)的MTBF值可達250萬小時左右。同普通市電電源的99.9%的“可利用率”相比，它可將UPS供電系統(tǒng)的”可利用率”提高到99.99997%以上。由此可見：它對提高供電系統(tǒng)的可靠性的作用是多么的巨大。

提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：它允許在UPS的逆變器電源供電的條件下、對位于UPS并機系統(tǒng)中的某臺UPS單機執(zhí)行”不帶電”的定期維護/故障檢修操作。

盡管在配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)后、可極大地改善信息網絡的供電環(huán)境。然而，近年來對當今IDC機房的運行狀況的調查發(fā)現(xiàn)：僅靠“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)并不可能100%地確保在它的輸出端、再也不會出現(xiàn)”停電”事故。相關的統(tǒng)計資料證明：由于UPS的機型選配不當或輸入配電系統(tǒng)/輸出配電系統(tǒng)的設計不當而造成在UPS冗余并機系統(tǒng)中、出現(xiàn)從幾十毫秒到幾秒的“短暫停電”或超過幾分鐘的“長時間停電”的事故仍然r有發(fā)生(注：發(fā)生這種故障的相對比例很低)。眾所周知：在“信息網絡”的運行中，如果遇到出現(xiàn)超過20毫秒以上的“瞬間供電中斷”故障發(fā)生時，就可能會導致服務器、小型計算機、網關等網絡設備出現(xiàn)“開機自檢”誤動作(此時的服務器會在瞬間“自動關機”后，在極短的時間內、自動執(zhí)行重新”開機啟動”操作。這樣一來，它必然會導致信息網絡的操作系統(tǒng)和用戶的應用軟件破壞及關鍵數(shù)據的丟失)，從而致使“網絡癱瘓”事故發(fā)生。相關的統(tǒng)計資料證明：一旦出現(xiàn)這種局面，要使信息網絡恢復正常工作、往往需“耗時”短則幾十分鐘、長則到幾小時以上，從而致使“網絡癱瘓”事故的影響面被急劇地擴大。例如：某電信公司的電信網絡在運行中，因UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)約3秒的“短暫供電中斷”而導致其計費系統(tǒng)及電話號碼的自動查詢等關鍵系統(tǒng)停止工作，從而造成高達數(shù)百萬元的營運損失及用戶的大量投訴。為消除這種不幸事故的發(fā)生、所用的有效技術途徑之一是配置如圖1所示的UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)。

圖1：　UPS“雙總線輸出”冗余供電系統(tǒng)控制柜圖

從UPS-A和UPS-B兩套UPS供電系統(tǒng)送出的兩路交流電源負責向各種網絡設備供電(注：在這里，UPS-A和B兩套系統(tǒng)既可以是UPS單機、也可以是“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)。在工作實踐中，在重要的IDC機房中，常用“1+1”/“2+1” 型UPS冗余并機系統(tǒng)來作為它的網絡設備的供電電源)。位于UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)的輸出端的網絡設備可分為三大類：

(a) 非關鍵性的設備(例：打印機、復印機及供瀏覽網絡用的PC機等)：

由于對非關鍵的設備而言，當因電源問題而造成它們發(fā)生“停止工作”的故障時，一般說來、它僅會給用戶帶來工作不便/工作時間的浪費的煩惱，并不會造成重大的經濟損失。因此，僅向它們提供單路供電電源。

(b) 用“1+1”式冗余供電的、帶“雙電源輸入端”的關鍵的網絡設備(例：服務器、磁盤陣列機、網關等)：

對于帶“雙電源輸入”的網絡設備而言，從UPS-A和B的輸出配電柜所輸出的兩路UPS電源被分別送到這種設備的兩個輸入端上。在這樣的冗余式“雙路交流電源”供電設計的條件下，當遇到某套UPS供電系統(tǒng)因故出現(xiàn)“停電”事故時，它也能確保這些IT設備的正常運行。通過對當今的信息網絡機房的調查發(fā)現(xiàn)：因各類用戶的網絡設備的配置水平/更新的速度的不同、所用的“雙電源輸入”供電的網絡設備在總網絡設備的配置中所占的比例大約在30% 到90%之間(注：對于某些重要的服務器而言，它們甚至用“2+1”冗余式的“叁電源輸入”供電設計方案)。

(c) 帶”單電源輸入端”的關鍵的網絡設備：

為確保向位于“信息網絡”中的關鍵“單電源輸入”供電的網絡設備提供365*24小時的高品質UPS電源，就需要配置一種“負載自動切換開關”(LTM：Load Transfer Module)。分別來自兩套UPS并機系統(tǒng)A和B輸出端的兩路“逆變器電源”被送到“負載自動切換開關(LTM開關)”的兩個輸入端上。在此，用戶可以通過調整它的系統(tǒng)參數(shù)設置的辦法，將其中的一路UPS電源設置為“優(yōu)先供電電源”、將另一路UPS電源設置為“備用電源”。正常工作時，“單電源輸入”的負載同用戶所指定的承擔“優(yōu)先供電”任務的UPS電源相接通。當這路“優(yōu)先供電電源”因故“出故障”時，LTM開關將立即把用戶的負載切換到處于正常工作狀態(tài)下的“備用UPS逆變器電源”上。因此，利用這種”負載自動切換開關”就能消除可能出現(xiàn)在UPS并機系統(tǒng)的輸出端與用戶負載端之間的“單點瓶頸”故障隱患。這樣一來，就能向用戶的關鍵負載提供具有100%”高可利用率”供電特性的高品質的電源供應, 從而為”信息網絡”能長期地、安全地和可靠地運行創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。

有鑒于此，配置“負載自動切換開關”后、它將有助于UPS的輸出線路能順利地完成的如下調控任務：

(1) 提高UPS供電系統(tǒng)的可利用率：它能消除從UPS輸出配電柜到用戶負載端之間所可能出現(xiàn)的”單點瓶頸”故障隱患，達到能最大限度地降低網絡設備因”輸入停電”而出現(xiàn)”網絡癱瘓”故障的發(fā)生的幾率的目的。

(2) “擇優(yōu)供電”功能，提高UPS供電系統(tǒng)的供電質量：用戶可以通過對輸入到”負載自動切換開關”上的兩路交流源的電壓和頻率設置”不同級別”的工作窗口大小的辦法，將具有最高供電質量的那路UPS電源送到用戶的負載上。

(3) 提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：當某套UPS供電系統(tǒng)因故需要執(zhí)行”停電”維護或檢修時，可通過重新選擇“優(yōu)先供電電源”的辦法、將用戶的負載自動切換到原來的“備用電源”上，從而達到在繼續(xù)向負載提供高品質的UPS逆變器電源的同時、將原來處于“優(yōu)先供電電源”工作狀態(tài)的那套UPS供電系統(tǒng)置于“停電”和“脫機”的工作狀態(tài)之下，以便為操作人員提供一個執(zhí)行安全維修/檢修操作的優(yōu)良工作環(huán)境。

(4) 增強UPS供電系統(tǒng)的“故障隔離”功能：從上所述可知，造成”負載自動切換開關”執(zhí)行切換操作的前提條件是：從”優(yōu)先供電電源”送到LTM開關的輸入端上的電源、一定是因故曾經出現(xiàn)過”停電”或”嚴重超限”事故。眾所周知：能導致產生這種事故的原因、此時它所應執(zhí)行的調控功能有：

當承擔“優(yōu)先供電電源”任務的那套UPS電源因故出現(xiàn)“停電”、“嚴重過壓/欠壓“故障”時，對于設計合理的“負載自動切換開關”來說，要求它必須自動執(zhí)行“先斷后通”的快速切換操作、以便在確保后接的網絡設備安全運行的同時、還能有效地防止上述故障從”優(yōu)先供電電源”系統(tǒng)擴散到另一套處于正常工作狀態(tài)下的“備用電源”供電系統(tǒng)上。

當因故在“負載自動切換開關”的后接負載端出現(xiàn)“短路”/“嚴重過載”故障時，它不僅具備有“禁止切換”的保護功能。而且，還具備能承受往巨大的短路電流“沖擊”的能力。這樣一來，就能將短路故障的影響范圍局限在最小范圍之內,將可能造成的損失降低到最小的程度上。

(5) 用模塊化的標準設計、降低它的平均維修時間(MTTR)：鑒于“負載自動切換開關”是處于“上接”兩路冗余輸入電源、“下接”各種網絡設備的樞紐供電位置上及重要的信息網絡必須向用戶提供365*24小時的不間斷的互聯(lián)網增值服務的實際需求，不僅將它的各個關鍵部件(例：“可控硅”切換模塊、斷路器開關部件)設計成允許值班人員執(zhí)行“帶電、熱插拔”操作的模塊化結構。而且，還用將“弱電”控制部件同“強電”切換部件進行徹底“電隔離”的機械設計方案，從而達到消除因“人為誤操作”而導致誘發(fā)其它的災難性的故障的發(fā)生的目的。

2　負載自動切換開關(LTM開關)的型號

目前在市場上銷售的負載自動切換開關的品種，可大體分為三大類：

a) 由可控硅所構成的三相、大功率STS靜態(tài)開關(Static Transfer Switch)式的負載自動切換開關：其典型的標稱輸出電流有：60A、100A、160A、250A、400A、600A、800A、1000A和1200A的開關(注：少數(shù)廠家的STS產品是用在400V工作電壓時的標稱輸出功率KVA來進行標注的);

b) 由兩組大功率的快速繼電器構成的中功率、SS(SmartSwitch)智能式的負載自動切換開關(SS型開關)：它包括三相25A和50A的開關及單相16A、25A和50A的開關;

c) 由一個中間繼電器所組成的小功率冗余開關(Redundant Switch)式的負載自動切換開關：其品種為：單相10A、16A(注：這是60Hz時的參數(shù)。如果在50Hz下運行時，其額定工作電流僅為：8A、13A)。

下面將以艾默生公司的STS型的靜態(tài)開關為例，對三相、大功率的負載自動切換開關的工作特性進行分析和討論。

3　大功率STS型負載自動切換開關(LTM開關)的工作原理

艾默生公司的STS-2型自動切換開關的控制框圖被示于圖2中。它是以“反向并聯(lián)可控硅”為核心部件所組成的大功率的”靜態(tài)開關”式的負載自動切換開關。有關它的各種工作特性將分析如下：

3.1　STS型自動切換開關的主控切換通道：

(1) 自動切換供電通道：由輸入電源1、外置斷路器開關Ka、斷路器開關CB1、STS1和公用輸出開關CB3組成它的第1條供電通道。由輸入電源2、外置斷路器開關Kb、斷路器開關CB2、STS2和公用輸出開關CB3組成其第2條供電通道。其中的STS1和STS2”靜態(tài)開關”均是由反向并聯(lián)的”SCR可控硅”來構成自動切換開關的”可控交流供電通道”。當我們將輸入電源1和輸入電源2分別選定為LTM開關的“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”時，在來自邏輯控制板的SCR的柵極觸發(fā)信號的調控下，STS1和STS2將分別處于”導通”狀態(tài)和”關斷”狀態(tài)。在此條件下，輸入電源1就將通過Ka、CB1、STS1和CB3通道向后接負載供電。反之，如果將輸入電源2選定為它的“優(yōu)先供電電源”時、輸入電2就將通過Kb、CB2、STS2和CB3供電通道向后接負載供電。

(2) 維修旁路供電通道：它是由兩組帶二匙二鎖的”機電互鎖”功能的CB1、CB2、CB3、CB4和CB5等斷路器開關所組成的兩條維修旁路來組成的。設置維修旁路的目的是：() 確保LTM開關在連續(xù)地向后接的網絡設備供電的條件下，能對它內部的”STS功率切換”部件或”斷路器開關” 等部件執(zhí)行”脫機”式的更換操作; ()防止因”誤操作”而致使兩路交流輸入電源同時被”誤接通”、并進而造成在它的輸出端出現(xiàn)”停電” 等不幸事故的發(fā)生(注：為進一步提高LTM開關的”容錯”功能，艾默生公司還能提供帶雙”公共輸出開關”CB3和CB3A的產品)。

(3) “熱插拔”更換操作：為確保在向后接負載不間斷地供電的條件下，能對“負載自動切換開關”執(zhí)行“帶電式”的“熱插拔”操作。所有STS功率切換模塊及斷路器開關都用“可熱插拔”的、模塊化的設計方案。在此條件下，操作人員就可根據從它的LCD顯示屏上所獲得的故障信息、用“帶電”式“熱插拔”操作的辦法、迅速和準確地更換掉相關的“有故障”的部件，從而達到縮短平均維修時間(MTTR)的目的。

3.2 STS型負載自動切換開關的邏輯控制部件：

為確保UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)能獲得“信息網絡”級的高可靠性，在這種STS型負載自動切換開關的控制電路中用如下多重冗余設計方案來增強它的”容錯”功能(見圖3)：

i. 用全數(shù)字的DSP調控技術及CANBUS數(shù)字通信技術,大大地提高它的調控精度和響應速度;

ii.為確保DSP芯片和可控硅驅動電路能穩(wěn)定和可靠地運行, 對負責向它供電的直流輔助電源用下述的多重冗余設計方案：()由兩路具有平均無故障工作時間高達230萬小時的“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)+EMC輸入濾波器所組成的電路向兩套具有“雙路交流輸入端”供電特性的直流輔助電源1和2提供冗余式的“凈化”電源。()從兩套冗余式的直流電源所輸出的兩路DC電源以“雙母線”的形式向3個邏輯控制板及可控硅驅動板提供它們所需的控制電源;

iii.為確保SCR型“可控硅功率模塊”能準確無誤地運行，由3塊邏輯控制板來共同對它提供”2+1” 冗余式的”柵極觸發(fā)”調控信號;

iv.為確保LTM開關能準確無誤地執(zhí)行切換操作，對于它內部的“2+1” 冗余式的邏輯控制板來說，還對“負載自動切換開關”的兩路輸入電源和輸出電源的如下運行參數(shù)、執(zhí)行不間斷的高精度的監(jiān)控及數(shù)據樣操作：相序、頻率、相位差、快速“過壓及欠壓”(脈寬4ms的瞬態(tài)浪涌/電壓下陷)、緩慢“過壓及欠壓”、峰值電流Ipk、KVA、KW、Pf、直流電源的冗余度、風扇的冗余度等。

v.為提高LTM開關的可靠性，在它的所有的“弱電”邏輯控制部件同“強電”功率部件之間的機械設計上、都用“分開隔離安裝”的配置方案。對于這樣的LTM開關來說，只要有一路輸入電源工作正常，位于它內部的所有“可維護的電氣部件均可在向負載連續(xù)供電的條件下、執(zhí)行熱插拔式的“更換”操作。

在此基礎上，當今的STS型“負載自動切換開關”的平均無故障工作時間(MTBF)已高達100萬小時以上。顯然，這樣的MTBF值是遠高于當今UPS工業(yè)所制造出的UPS單機的MTBF值(40-50萬小時)的。

圖三　帶多重冗余設計的STS邏輯控制裝置