信息网络时代的UPS供电系统

李成章

(中科院计算所，北京100020）

UPS System in Network Era

LI Cheng-zhang

Abstract:Relative superiority or inferiority of the configuration and installations as well as the design levels for an internet system closely depends on a high reliability,high availability,highcapability of resisting"an artificial or natural disaster"and easy manageability of the redundant UPS system.

Keywords:Network; UPS; Reliability 

1   互联网的发展态势

    市场需求和技术进步是推动UPS技术发展的两大动力，朱钅容基总理在2000年的国情献词中指出“从新世纪开始，我们将进入一个全面建设小康社会，并加快推进社会主义现代化的新的发展阶段。国民经济将保持快速健康的发展，经济结构将进行战略性的转移，在推进国家工业化的同时，加快国民经济和社会的信息化，以信息化带动工业化，全面优化产业结构。”在此基础上，以电子商务为发展动力的“互联网经济”得以迅猛地发展。在当今的社会和经济活动中，如果哪家企业或机构长期游离于“互联网经济”之外，必将迟早被社会所淘汰。近半年来，为互联网接入服务(ISP)，互联网综合信息应用服务(ASP)和无线上网(WAP)等提供互联网增值服务的互联网数据中心(IDC),网络数据交换中心(ISX)如雨后春笋般地在世界各地迅速崛起。众所周知：将计算机网络和电信网络有机地集合在一起的第3代互联网技术，必将历史性地承担起向国民经济的各个重要领域提供365d×24h的高可靠的，高安全度的和高效的信息资源(数据，语音和图象)服务的重任。

    为了向各网站和广大终端用户提供快速和高速的互联网服务，在客观上，要求这些“互联网数据中心”必须提供尽可能大的“数据吞吐量”，以满足迅速扩大的网民对信息资源共享和共联的需求；要求它必须具有足够宽的“带宽传输特性”，以便向终端用户提供高速和高效的互联网信息增值服务(注：由于高速光纤传输骨干网的建立，当今网络的传输速率已从几年前的几Mbps提高到几十Gbps，这就意味着：网络的传输速率得以几百倍，甚至成千倍的提高。由此给世界经济发展所带来的实惠，真是不言自喻了)。为此,要求“网络数据交换中心”在执行数据的处理、存储和传输过程中，其“误码率”应该尽可能地低，以便向用户提供连续和准确无误的信息资源。为达此目的，当今互联网发展的新趋势之一是：将原来分散于各企业中的小型局域网中的成千台相关的服务器，集中在“互联网数据中心”/“互联网交换中心”中，以便在各网站之间执行“一步到位(one-hop)"式的数据交换操作；它通过整机租用服务器,托管服务,专线输入和网管服务等方式向网站和企业出租带宽和提供计算资源/信息资源服务，从而将专业化的网络管理水平和互联网的整体运行效率提高到一个崭新的发展水准上。

2   信息网络用UPS的三大特点

    大量的运行实践表明：UPS供电系统所提供的逆变器电源质量的高低，是影响互联网能否向它的最终用户提供高速、可靠和安全的365d×24h的“全天候”的互联网增值服务的关键因素之一。当今判断一套UPS供电系统的质量高低的标准应该是：

    1)高可靠性   要求UPS本身具有100％的可靠性。这是因为：如果向互联网供电的UPS的可靠性为99％时，就会造成互联网每年停机87.6h；当UPS的可靠性为99.9％时，就会造成互联网每年停机8.76h，即使UPS的可靠性高达99.999％,它也可能造成互联网每年停机5.26min。由此可见：互联网对UPS供电系统可靠性的要求是何等之高。按照当今的UPS制备技术水平，唯一能完善地解决这个问题的办法是采用双总线输入＋UPS冗余直接并机供电系统＋双总线输出＋“负载自动切换”开关的供电体制才有可能达到此目标。这是因为这是一种具有高度“容错”功能的冗余供电系统，只要设计妥当，就可以消除可能出现在互联网供电系统中的“单点瓶颈”型故障隐患。

    2)高可利用率   在这里所说的“高可利用率”是指UPS供电系统应该为互联网设备提供能充分发挥其技术潜力的电源运行环境，也就是说UPS供电系统不应该是只能保证向互联网设备提供100％的不中断供电的能源提供系统，它更应该是能确保“互联网设备”不会因为UPS的供电质量不高而处于“降额使用”状态的、“净化型”的高质量供电系统(例如：100Mbps的服务器的实际运行速率仅为几十kbps或几kbps就属于互联网设备被“降额”使用的状态)。大量的运行实践表明：迫使互联网设备进入“降额使用”状态的重要原因是“误码率”偏高。“误码率”偏高会导致互联网的运行速度大大下降,造成互联网“误码率”高的重要原因之一是：来自互联网供电系统的各种“干扰”。有的用户曾做过如下实验：当采用双隔离变压器输出(交流旁路通道＋逆变器输出通道)的UPS向局域网供电时，其数据传输率为20个数据包/s；当改用零线对地线电位偏高的某型号UPS向同一局域网供电时，其数据传输率仅为8个数据包/s(这就意味着：造成局域网系统的实际“可利用率”几乎下降60％左右)；造成此类“麻烦”的原因是在后一种UPS的供电系统中出现了“调制干扰”。由此可见：不同类型的UPS供电系统只能为互联网提供不同级别的“抗干扰”保护，它们为互联网可能提供的“可利用率”水准也会相差很大。这样一来，摆在UPS用户及UPS应用设计人员面前的重要任务之一是应该高度重视各种“电源干扰”对互联网的高效运行所可能带来的“潜在威胁”，寻求一种可向互联网设备提供纯净,稳定电源的UPS供电系统。

    3)抗干扰能力   UPS供电系统应具有较强的抗“人为或自然灾害”的能力，以防在出现“突发性”事故时，造成互联网运行的瘫痪。

    例如：如果出现像科索沃战争期间，西方国家使用“石墨炸弹”来破坏南斯拉夫的供电体系等这类“人为事故”时，UPS供电系统是否具有不会出现“瞬间停止”供电/长时间停电事故的高“保安度”的系统设计方案和配置则是十分重要的。

    考虑到互联网数据中心必须要具备365d×24h的连续运行能力(要求网络的连通率至少要达到99.99％以上)以及配置有功能强大的网管中心的现实。一般说来，它不需要、也不允许将过去UPS厂家为“非连续工作”的小型局域网所开发的电源管理软件被原封不动地装载在一台单独的PC监视平台上，为此，要求UPS厂家应提供必要的SNMP网络接口(例如：MIB－RFC1628MIB)或一组继电器干接头接口，以便将所有的UPS监控信号纳入数据中心统一的网管系统中。利用这样的网管系统，可完成如下监控功能：

    ——实时监测服务器之间的网络连接状况及故障报警；

    ——对应用程序的运行情况执行监测服务；

    ——提供准确、详实的“数据流量”监控和分析报告；

    ——当互联网的供电系统及网络的连接系统发生故障时，发出紧急报警，以便尽快排除故障。

    基于上述情况，原来在小型的、“非关键用户”的UPS供电系统中所用的“电源管理软件”的某些电源管理功能将失去其应用价值，例如：

    ——因市电长期停电而致使电池长时间放电时，所用的"可编程定时"自动存盘和自动关闭操作系统的操作；

    ——UPS的定时开机/定时关机功能。

3   现代UPS的类型

    近年来，在UPS的生产过程中，以微处理器为核心的数字信号处理(DSP)技术，高速网络通信及高可靠性的CAN网控技术等为代表的软件可编程技术已被大量地采用。以高频脉宽调制技术，内置具有“完善的自动保护功能”的大容量IGBT管，UPS的关键功率驱动模块的高效冷却技术，可大幅度地降低功率驱动模块的“开关瞬态功耗”的驱动电路技术，输入功率因数自动校正技术，智能化“故障自诊断”检测技术,智能化的电池的“充放电”管理及电池性能预测技术，远程网管监控技术，图形化输出的“人－机”对话型菜单操作的大屏幕液晶显示技术，及各种抗“干扰”抑制等新技术的不断开发和改进，使得当今的UPS，无论是在智能化的管理方面，产品可靠性的提高方面，还是优良的可维护性方面都获得了前所未有的进步。现在的UPS产业已具备向用户提供从后备式UPS，在线互动式UPS，Delta变换型UPS等非在线式UPS到各种双变换式的真在线式UPS〔包括无输出隔离变压器的“高频”在线式UPS，带逆变器输出隔离变压器的在线式UPS，带双原边绕组(交流旁路和逆变器输出)输出隔离变压器的在线式UPS〕的能力。UPS单机的输出功率从几百VA的小型单相UPS到三进/三出型的1000kVA数量级的大型在线式UPS。相关的统计资料显示:小型UPS的平均无故障工作时间(MTBF)为几万h，大型UPS的MTBF为20～40万h.对于由大型UPS所组成的“1＋1”型的冗余直接并机UPS供电系统而言，其MTBF值高达200万h左右。由此可见：不同的用户可以根据自己的经济实力和所需要保护的信息产品及工业自动化控制设备的重要性来挑选自己所需的UPS产品。有一点需要特别说明的是：从应用技术的角度看，尽管所有上述的UPS都能完成“不间断”地向用户的负载提供电源供应的任务，然而，只有带双输出隔离变压器的双变换型在线式UPS才有可能向用户的负载提供纯洁、稳压、无频率突变/稳频、无“干扰”存在的和波形失真度极小的“全天候”的高质量正弦波电源。

4   结语

    从提高互联网运行效率的角度来看，还需要特别注意如何正确地设计UPS供电系统的接地系统，以便为互联网能尽可能地达到100％的“高可利用率”创造优良的电源供电环境。对于一套设计周到，选型适当的双总线输入和双总线输出型的UPS冗余供电系统而言，它可以向用户的关键设备提供具有如下优异特性的供电系统：

    1）提供365d×24h的高“可靠性”电源，以确保用户的关键设备能不间断地获得高质量的供电；

    2）具有高“容错”功能的冗余供电体系，它能消除任何可能导致出现“单点瓶颈”型的故障隐患；

    3）在确保用户的负载由UPS连续供电的条件下，具有对UPS冗余供电系统中的某台UPS执行“完全停电”的定期维修/故障检修的能力；

    4）这种冗余供电系统，即使在遇到下例“突发性故障”时，负责向用户的关键负载供电的UPS系统既不会进入由“市电交流旁路”供电的状态，也不会进入“瞬间”供电中断/停电的状态：

    ——某台UPS单机出故障时；

    ——于冗余并机系统中的某台UPS因“出故障”需要进行紧急检修或需要执行定期的预防性维修时；

    ——配电柜中的开关因故“跳闸”或因接触不良“打火”时；

    ——当市电输入端出现短路故障/高能“瞬态切换"干扰时。

    5）确保互联网系统在数据的处理、存储和传输过程中获得尽可能低的误码率和低的数据丢包率，从而为互联网的安全、可靠和高速的运行创造优异的供电条件。

作者简介

李成章，男，长期从事UPS冗余供电系统的分析、配置和设计工作。基于对多种UPS单机电源的详细分析及参与多项大型UPS冗余供电系统的选型、配置和设计工作的实践经验，自1990年起，先后出版《现代UPS电源及电路图集》等4本UPS电源专著（电子工业出版社出版），曾在国外大学从事科研工作近4年。