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談N+X冗余模塊化UPS
王其英
UPS模塊化結(jié)構(gòu)無(wú)疑是今后發(fā)展的方向。因?yàn)槟K化具有帶電熱插拔的功能，熱更換的問(wèn)題就解決了，無(wú)形中就帶來(lái)了另一個(gè)好處，即延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)中心連續(xù)工作的壽命。一個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)壽命至少要10年以上，比如20年，30年等。但供電設(shè)備的壽命一般不足10年，若更新就必須停電，模塊化就解決了這個(gè)問(wèn)題。
這就牽涉到模塊化的概念問(wèn)題，即什么是模塊化？根據(jù)一個(gè)通用的“熱插拔”概念，可以看出一個(gè)機(jī)柜中至少有兩個(gè)互為冗余的模塊，拔掉一個(gè)仍不影響機(jī)器的正常供電。有的將幾百千伏安而直接放在地板上的一個(gè)機(jī)柜也叫模塊，顯然不太合適，這和以往的UPS多機(jī)并聯(lián)是一個(gè)概念：大家都是直接放置在機(jī)房地板上，最多也是8臺(tái)并聯(lián)，如果有冗余設(shè)置，也可一臺(tái)或幾臺(tái)退出維修，但不能帶電熱更換，這不能叫模塊，只能叫一臺(tái)UPS單機(jī)。大功率的UPS模塊也并非沒(méi)有，比如有的廠家推出一個(gè)機(jī)柜中放置兩個(gè)300kVA的UPS模塊，互為冗余，可帶電熱拆卸（插拔），熱更換，當(dāng)然還有下面討論的一些特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，這才符合習(xí)慣上的模塊化概念。
一、模塊化UPS的分類及特點(diǎn)
不要認(rèn)為所有模塊化UPS都一樣，實(shí)際上他們之間從結(jié)構(gòu)上還是功能上有很大差別。當(dāng)前的模塊化UPS從電路結(jié)構(gòu)上說(shuō)分兩大類：功率模塊結(jié)構(gòu)式和UPS結(jié)構(gòu)模塊結(jié)構(gòu)式。功率模塊結(jié)構(gòu)式也稱第一代模塊化結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是功率模塊和控制模塊分離，這種結(jié)構(gòu)的任何一個(gè)模塊都不能單獨(dú)供電，由于存在單點(diǎn)故障，故可靠性不太高；第二代模塊化結(jié)構(gòu)克服了第一代的缺點(diǎn)，將整套UPS做成一個(gè)模塊，即任何一個(gè)模塊都可單獨(dú)供電，所以它的可靠性遠(yuǎn)高于第一代，也是第二代的替代產(chǎn)品。這里只對(duì)第二代模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論。圖1所示就是第一代模塊化結(jié)構(gòu)和第二代模塊化結(jié)構(gòu)方框圖
目前的單個(gè)UPS模塊從1kVA開始一直做到300kVA，這里的模塊概念是必須在一個(gè)機(jī)柜中有一個(gè)以上的模塊，一個(gè)機(jī)柜中只有一個(gè)模塊那還屬于單機(jī)范疇。比如這里的300kVA模塊在一個(gè)機(jī)柜中就可安裝兩個(gè)，也具有熱更換功能。
模塊化UPS和單機(jī)UPS相比不但具備了單機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)，并且還有很多獨(dú)到的特點(diǎn)，下面一一介紹。
二、模塊化UPS是節(jié)能節(jié)資金產(chǎn)品
幾乎99%以上的模塊化UPS都是高頻化結(jié)構(gòu)，和以前傳統(tǒng)的工頻化結(jié)構(gòu)UPS相比，在同等技術(shù)指標(biāo)的情況下取消了諧波濾波器和輸出變壓器，如圖2所示，因此效率就比單機(jī)UPS高了5%以上。比如同樣是100kVA的UPS，這種高頻模塊化UPS就比傳統(tǒng)的工頻化結(jié)構(gòu)UPS每年至少節(jié)約50,000度電。以下的特點(diǎn)是模塊化UPS所特有的。
模塊化結(jié)構(gòu)UPS為在連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心邊計(jì)劃邊投資邊建設(shè)提供了可能。這就合理的利用了資金，避免了一次性投資的壓力和浪費(fèi)。
三、可靠性高
對(duì)于單機(jī)UPS而言，機(jī)器做好后可靠性也就定了。但模塊化UPS的可靠性隨著組合的不同時(shí)刻改變的。比如每一個(gè)單機(jī)UPS和一個(gè)模塊UPS的可靠性都是r1=0.99，即故障率是1%；一個(gè)100kVA的單機(jī)UPS可靠性就是0.99了，而120kVA的模塊UPS，當(dāng)每個(gè)模塊是模塊15kVA時(shí)，定在100kVA就是7+1的組合，這時(shí)的可靠性R7+1就是：
R7+1=1-(1-r7) (1-r)=1- (1-0.997) (1-0.99)= 0.999021
可靠性比單機(jī)時(shí)幾乎提高了10倍，故障率降低了10倍。如果采用6+2組合，其可靠性R6+2就是：
R6+2=1-(1-r6)（1-）2=1- (1-0.941480) (1-0.99)2= 0.9999941
可靠性比單機(jī)時(shí)幾乎提高了100倍，故障率降低了100倍。而且隨著負(fù)載的減小可靠性還會(huì)增大。比如定位為100kVA的負(fù)載，實(shí)際為90kVA以下時(shí)，就變成了6+2組合，故障率比單機(jī)降低了100倍；如果實(shí)際負(fù)載低于75kVA時(shí)，就變成了5+3組合，可用同樣的方法算出故障率比單機(jī)降低了1000倍。這是單機(jī)UPS無(wú)論如何都實(shí)現(xiàn)不了的。
四、并聯(lián)冗余性好
模塊化UPS所以冗余性好是因?yàn)樵跈C(jī)器設(shè)計(jì)的初期就是按照冗余性規(guī)劃的，所以不論是從電路上還是從結(jié)構(gòu)上就是作為一個(gè)整體考慮的，這樣一來(lái)既可以分開又可以組合。比如有一款名為ARRAY的UPS，它的機(jī)架就是一個(gè)名副其實(shí)的架子，架子上沒(méi)有任何電路。而且個(gè)模塊之間沒(méi)有任何通信信號(hào)線相連，是一種無(wú)線并聯(lián)功能，可靠性有大為提高。不像一般單機(jī)UPS結(jié)構(gòu)那樣，還需要并聯(lián)板和各單機(jī)之間的通信信號(hào)線，一旦這個(gè)信號(hào)線
接觸不良，并聯(lián)就會(huì)失??；不少UPS單機(jī)電路是移植來(lái)的，只是將并聯(lián)功能添加上去，沒(méi)考慮和以前的電路又和沖突之處，往往有這種情況：在UPS組合正常運(yùn)行中就有的單機(jī)因同步失諧而退出，埋下了隱患或?qū)е鹿收稀?/p>
五、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性好
（一）可以在線熱插拔和熱更換，保證了供電的連續(xù)性。單機(jī)UPS更換時(shí)比如關(guān)機(jī)，盡管有手動(dòng)旁路，但由于輸出端仍和其他UPS一起連在負(fù)載上，有電壓存在，就不能帶電操作，除非裝機(jī)前預(yù)裝了隔離開關(guān)，但對(duì)于大功率來(lái)說(shuō)這樣做勢(shì)不經(jīng)濟(jì)的。
（二）延長(zhǎng)了供電電源的服務(wù)壽命
一般一個(gè)數(shù)據(jù)中心的使用壽命希望越長(zhǎng)越好，你如20年，30年等。但設(shè)備的壽命不可能這樣長(zhǎng)。比如UPS的服務(wù)壽命最多不過(guò)10年，因?yàn)闄C(jī)器中大量的電解電容器壽命很短，但又無(wú)法在線更換。在用單機(jī)UPS供電時(shí)不得不停機(jī)更換，這個(gè)周期是比較長(zhǎng)的，少則數(shù)小時(shí)，多則數(shù)天。
模塊化結(jié)構(gòu)給了這種可能，因?yàn)橐粋€(gè)模塊就是一臺(tái)UPS，在冗余的情況下也可以熱更換，即使是幾百公斤的300kVA模塊，也可以在線熱拆卸，從機(jī)柜中取出來(lái)進(jìn)行更換。因?yàn)榻饘贆C(jī)架如果做得好，幾十年是不會(huì)壞的。數(shù)據(jù)中心的連續(xù)供電問(wèn)題解決了，其他問(wèn)題就都好辦了，因?yàn)橹灰辛穗?，就有了糧食，肚子吃飽了，就好干活了。
六、綠色環(huán)保
環(huán)保就是沒(méi)有污染，污染分自然環(huán)境的污染、電氣環(huán)境的污染。這兩種污染都被模塊化結(jié)構(gòu)克服。
（一）克服了對(duì)自然環(huán)境的污染
自然環(huán)境的污染包括聲音污染和大氣污染。模塊化結(jié)構(gòu)由于絕大多數(shù)都是高頻化結(jié)構(gòu)，工作頻率都在20kHz以上，超出了人的耳朵聽覺(jué)范圍，所以是安靜的。不像工頻機(jī)那樣，變壓器和電抗器的叫聲令人心煩意亂，影響工作情緒。至于大氣污染，由于現(xiàn)在都在執(zhí)行ROHS指令，這一項(xiàng)是肯定要做的。
（二）克服了對(duì)電氣環(huán)境的污染
由于高頻化模塊UPS的輸入功率因數(shù)都在0.99以上，對(duì)電網(wǎng)而言幾乎是線性負(fù)載，所以基本不破壞市電電網(wǎng)電壓的正弦波形，諧波含量小于5%。因此，電網(wǎng)中的高次諧波干擾幾乎不用考慮。而單機(jī)工頻UPS一般400kVA以下都是6脈沖整流，輸入功率因數(shù)約為0.8，諧波含量達(dá)30%，5次和7次諧波能量較大，干擾用電設(shè)備。
七、管理性強(qiáng)
模塊化UPS由于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般模塊在20kVA以下者居多，這也是應(yīng)用最多的范圍，重量在20kg左右，一般一個(gè)人就可搬得動(dòng)。許多模塊化機(jī)柜面板上的LCD都有人性化的圖示，當(dāng)某一個(gè)模塊故障時(shí)就有明確標(biāo)志，值班人員既可根據(jù)機(jī)上標(biāo)示輕松更換模塊，不需要專門人員既可。
方便增容。比如一個(gè)機(jī)房規(guī)劃IT用電量是100kVA，目前只有20kVA的負(fù)載，比如選擇ARRAY 120kVA模塊化UPS，該機(jī)模塊單元是15kVA，就可先配置2+1，尚有5個(gè)空位，就可根據(jù)IT的增容情況來(lái)逐步增加電源模塊。
方便移動(dòng)。機(jī)房搬家是常有的事，在單機(jī)UPS時(shí)由于重量很大又不可拆卸，使這種搬家相當(dāng)復(fù)雜和費(fèi)力，但在模塊化時(shí)就變得輕而易舉。
八、第二代模塊化之間的區(qū)別
第二代模塊化也不都是一樣，它們之間也有質(zhì)量和功能上的差別，用戶切不可只從價(jià)格上看問(wèn)題。UPS技術(shù)發(fā)展到今天，各家采用的電路相差甚微。采用的元器件也就是國(guó)際和國(guó)內(nèi)這些廠家的產(chǎn)品，同等元器件的體積和重量差別也不會(huì)大。因此UPS產(chǎn)品的單位體積重量（kg/kVA）也應(yīng)相差無(wú)幾，如果相差甚遠(yuǎn)，就值得考慮；如果在價(jià)格上再相差甚遠(yuǎn)，就要認(rèn)真考慮了。又是高科技，又是重量輕，又是性能好，又是價(jià)格便宜，等等。像這樣的好事是誰(shuí)都向往的。有不少用戶因?yàn)樨潏D便宜，設(shè)備選型安裝后，冒煙者有之，起火者有之，爆炸者也不少見，使整個(gè)數(shù)據(jù)中心癱瘓者也有之。
九、澄清對(duì)模塊化的誤解
對(duì)于模塊化有的就提出這樣的問(wèn)題：原來(lái)一臺(tái)UPS是一套電路，現(xiàn)在變成了數(shù)套電路，多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)，所以N+X模塊化結(jié)構(gòu)的可靠性不會(huì)高。并肯定地說(shuō)：當(dāng)模塊多余8個(gè)的時(shí)候，其系統(tǒng)可靠性還不如單臺(tái)UPS高。這就使得有些用戶對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)心存疑慮，望而卻步。
這里有一個(gè)基本概念問(wèn)題，多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)是對(duì)串聯(lián)環(huán)節(jié)而言，如圖3（a）所示就是一個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)構(gòu)成的通路，路上的環(huán)節(jié)就好比閥門，水要經(jīng)過(guò)閥門從A流到B。沿路的閥門只要卡死，水就流不過(guò)去了，串聯(lián)的閥門越多，故障率就越高，比如每個(gè)閥門平均每年就有一次卡死，10個(gè)閥門一年就可能有10次卡死，這就是多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)的道理。
但是，如圖3（b）箭頭所示，如果通路上有了并聯(lián)分支，通道就增多了，多一個(gè)并聯(lián)閥門就多一條通路。所以說(shuō)，模塊化UPS如果不冗余并聯(lián)是毫無(wú)意義的。N+X模塊化UPS的X10時(shí)才有意義。明白了這一點(diǎn)，上面的第二個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。
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