電源：UPS“雙總線(xiàn)輸出”供電系統用負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)(上)

摘要：統計資料顯示，在信息網(wǎng)絡(luò )機房中僅配置N+1UPS冗余供電系統，并不能消除網(wǎng)絡(luò )癱瘓故障.為確保為于互聯(lián)網(wǎng)上的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )設備.如服務(wù)器的安全運行，有必要在雙總線(xiàn)輸出線(xiàn)路中配置負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，以便向各種網(wǎng)絡(luò )設備提供信息網(wǎng)絡(luò )級的優(yōu)質(zhì)電源.采用DSP全數字技術(shù)及多重冗余調控技術(shù)設計的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，可使網(wǎng)絡(luò )供電系統獲得如下優(yōu)點(diǎn)：消除”單點(diǎn)瓶頸”故障隱患，提高UPS的可利用率，提高供電質(zhì)量的”擇優(yōu)供電”功能;增網(wǎng)絡(luò )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(dòng)切換開(kāi)關(guān)的型號、工作原理、執行安全切換操作的前提條件、工作模式、技術(shù)參數、選用主語(yǔ)事項及供電系統的設計方案。

敘詞：負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)　　“單點(diǎn)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)的必要性

當今的市場(chǎng)經(jīng)濟和社會(huì )活動(dòng)對信息網(wǎng)絡(luò )(互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化控制網(wǎng)、政府的電子政務(wù)網(wǎng)站等)的依賴(lài)程度是如此之高，那怕是僅幾分鐘的“網(wǎng)絡(luò )癱瘓”就可能會(huì )給公司，企業(yè)及行政管理機構的銷(xiāo)售，經(jīng)營(yíng)管理、社會(huì )生活的正常運行、聲譽(yù)、及公眾形象帶來(lái)難以估量的損失。鑒于公眾對“信息網(wǎng)絡(luò )”的正常運營(yíng)服務(wù)所期望的高度“時(shí)效性”，為此要求負責向它供電的UPS供電系統必須具有提供100%”高可利用率”的供電能力。目前，常采用的技術(shù)措施之一是：在各種重要的信息網(wǎng)絡(luò )機房中、配置“N+1”型UPS冗余并機系統, 從而為確保各種網(wǎng)絡(luò )設備能安全、可靠地處理/傳輸/存儲數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(lái)的運行實(shí)踐證明：“N+1”UPS冗余并機系統具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

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

提高UPS供電系統的可靠性：例如“1+1”并機系統的平均無(wú)故障工作時(shí)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(wàn)小時(shí)的話(huà)，“1+1”UPS冗余供電系統的MTBF值可達250萬(wàn)小時(shí)左右。同普通市電電源的99.9%的“可利用率”相比，它可將UPS供電系統的”可利用率”提高到99.99997%以上。由此可見(jiàn)：它對提高供電系統的可靠性的作用是多么的巨大。

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

盡管在配置“N+1”型UPS冗余并機系統后、可極大地改善信息網(wǎng)絡(luò )的供電環(huán)境。然而，近年來(lái)對當今IDC機房的運行狀況的調查發(fā)現：僅靠“N+1”型UPS冗余并機系統并不可能100%地確保在它的輸出端、再也不會(huì )出現”停電”事故。相關(guān)的統計資料證明：由于UPS的機型選配不當或輸入配電系統/輸出配電系統的設計不當而造成在UPS冗余并機系統中、出現從幾十毫秒到幾秒的“短暫停電”或超過(guò)幾分鐘的“長(cháng)時(shí)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(wǎng)絡(luò )”的運行中，如果遇到出現超過(guò)20毫秒以上的“瞬間供電中斷”故障發(fā)生時(shí)，就可能會(huì )導致服務(wù)器、小型計算機、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò )設備出現“開(kāi)機自檢”誤動(dòng)作(此時(shí)的服務(wù)器會(huì )在瞬間“自動(dòng)關(guān)機”后，在極短的時(shí)間內、自動(dòng)執行重新”開(kāi)機啟動(dòng)”操作。這樣一來(lái)，它必然會(huì )導致信息網(wǎng)絡(luò )的操作系統和用戶(hù)的應用軟件破壞及關(guān)鍵數據的丟失)，從而致使“網(wǎng)絡(luò )癱瘓”事故發(fā)生。相關(guān)的統計資料證明：一旦出現這種局面，要使信息網(wǎng)絡(luò )恢復正常工作、往往需“耗時(shí)”短則幾十分鐘、長(cháng)則到幾小時(shí)以上，從而致使“網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )在運行中，因UPS供電系統出現約3秒的“短暫供電中斷”而導致其計費系統及電話(huà)號碼的自動(dòng)查詢(xún)等關(guān)鍵系統停止工作，從而造成高達數百萬(wàn)元的營(yíng)運損失及用戶(hù)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(shù)途徑之一是配置如圖1所示的UPS“雙總線(xiàn)輸出”供電系統。

圖1：　UPS“雙總線(xiàn)輸出”冗余供電系統控制柜圖

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

(a) 非關(guān)鍵性的設備(例：打印機、復印機及供瀏覽網(wǎng)絡(luò )用的PC機等)：

由于對非關(guān)鍵的設備而言，當因電源問(wèn)題而造成它們發(fā)生“停止工作”的故障時(shí)，一般說(shuō)來(lái)、它僅會(huì )給用戶(hù)帶來(lái)工作不便/工作時(shí)間的浪費的煩惱，并不會(huì )造成重大的經(jīng)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(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò )設備(例：服務(wù)器、磁盤(pán)陣列機、網(wǎng)關(guān)等)：

對于帶“雙電源輸入”的網(wǎng)絡(luò )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(gè)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供電系統因故出現“停電”事故時(shí)，它也能確保這些IT設備的正常運行。通過(guò)對當今的信息網(wǎng)絡(luò )機房的調查發(fā)現：因各類(lèi)用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )設備在總網(wǎng)絡(luò )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(wù)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(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò )設備：

為確保向位于“信息網(wǎng)絡(luò )”中的關(guān)鍵“單電源輸入”供電的網(wǎng)絡(luò )設備提供365*24小時(shí)的高品質(zhì)UPS電源，就需要配置一種“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”(LTM：Load Transfer Module)。分別來(lái)自?xún)商譛PS并機系統A和B輸出端的兩路“逆變器電源”被送到“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)(LTM開(kāi)關(guān))”的兩個(gè)輸入端上。在此，用戶(hù)可以通過(guò)調整它的系統參數設置的辦法，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(shí)，“單電源輸入”的負載同用戶(hù)所指定的承擔“優(yōu)先供電”任務(wù)的UPS電源相接通。當這路“優(yōu)先供電電源”因故“出故障”時(shí)，LTM開(kāi)關(guān)將立即把用戶(hù)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)”就能消除可能出現在UPS并機系統的輸出端與用戶(hù)負載端之間的“單點(diǎn)瓶頸”故障隱患。這樣一來(lái)，就能向用戶(hù)的關(guān)鍵負載提供具有100%”高可利用率”供電特性的高品質(zhì)的電源供應, 從而為”信息網(wǎng)絡(luò )”能長(cháng)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)”后、它將有助于UPS的輸出線(xiàn)路能順利地完成的如下調控任務(wù)：

(1) 提高UPS供電系統的可利用率：它能消除從UPS輸出配電柜到用戶(hù)負載端之間所可能出現的”單點(diǎn)瓶頸”故障隱患，達到能最大限度地降低網(wǎng)絡(luò )設備因”輸入停電”而出現”網(wǎng)絡(luò )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供電系統的供電質(zhì)量：用戶(hù)可以通過(guò)對輸入到”負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”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(zhì)量的那路UPS電源送到用戶(hù)的負載上。

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

(4) 增強UPS供電系統的“故障隔離”功能：從上所述可知，造成”負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”執行切換操作的前提條件是：從”優(yōu)先供電電源”送到LTM開(kāi)關(guān)的輸入端上的電源、一定是因故曾經(jīng)出現過(guò)”停電”或”嚴重超限”事故。眾所周知：能導致產(chǎn)生這種事故的原因、此時(shí)它所應執行的調控功能有：

當承擔“優(yōu)先供電電源”任務(wù)的那套UPS電源因故出現“停電”、“嚴重過(guò)壓/欠壓“故障”時(shí)，對于設計合理的“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”來(lái)說(shuō)，要求它必須自動(dòng)執行“先斷后通”的快速切換操作、以便在確保后接的網(wǎng)絡(luò )設備安全運行的同時(shí)、還能有效地防止上述故障從”優(yōu)先供電電源”系統擴散到另一套處于正常工作狀態(tài)下的“備用電源”供電系統上。

當因故在“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”的后接負載端出現“短路”/“嚴重過(guò)載”故障時(shí)，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(lái)，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(shí)間(MTTR)：鑒于“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”是處于“上接”兩路冗余輸入電源、“下接”各種網(wǎng)絡(luò )設備的樞紐供電位置上及重要的信息網(wǎng)絡(luò )必須向用戶(hù)提供365*24小時(shí)的不間斷的互聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)的實(shí)際需求，不僅將它的各個(gè)關(guān)鍵部件(例：“可控硅”切換模塊、斷路器開(kāi)關(guān)部件)設計成允許值班人員執行“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(jìn)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)(LTM開(kāi)關(guān))的型號

目前在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的品種，可大體分為三大類(lèi)：

a) 由可控硅所構成的三相、大功率STS靜態(tài)開(kāi)關(guān)(Static Transfer Switch)式的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)：其典型的標稱(chēng)輸出電流有：60A、100A、160A、250A、400A、600A、800A、1000A和1200A的開(kāi)關(guān)(注：少數廠(chǎng)家的STS產(chǎn)品是用在400V工作電壓時(shí)的標稱(chēng)輸出功率KVA來(lái)進(jìn)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)(SS型開(kāi)關(guān))：它包括三相25A和50A的開(kāi)關(guān)及單相16A、25A和50A的開(kāi)關(guān);

c) 由一個(gè)中間繼電器所組成的小功率冗余開(kāi)關(guān)(Redundant Switch)式的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)：其品種為：?jiǎn)蜗?0A、16A(注：這是60Hz時(shí)的參數。如果在50Hz下運行時(shí)，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(kāi)關(guān)為例，對三相、大功率的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的工作特性進(jìn)行分析和討論。

3　大功率STS型負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)(LTM開(kāi)關(guān))的工作原理

艾默生公司的STS-2型自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)”式的負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)。有關(guān)它的各種工作特性將分析如下：

3.1　STS型自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的主控切換通道：

(1) 自動(dòng)切換供電通道：由輸入電源1、外置斷路器開(kāi)關(guān)Ka、斷路器開(kāi)關(guān)CB1、STS1和公用輸出開(kāi)關(guān)CB3組成它的第1條供電通道。由輸入電源2、外置斷路器開(kāi)關(guān)Kb、斷路器開(kāi)關(guān)CB2、STS2和公用輸出開(kāi)關(guān)CB3組成其第2條供電通道。其中的STS1和STS2”靜態(tài)開(kāi)關(guān)”均是由反向并聯(lián)的”SCR可控硅”來(lái)構成自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)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L(cháng)TM開(kāi)關(guān)的“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”時(shí)，在來(lái)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(guān)斷”狀態(tài)。在此條件下，輸入電源1就將通過(guò)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(shí)、輸入電2就將通過(guò)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(kāi)關(guān)所組成的兩條維修旁路來(lái)組成的。設置維修旁路的目的是：() 確保LTM開(kāi)關(guān)在連續地向后接的網(wǎng)絡(luò )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(kāi)關(guān)” 等部件執行”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(shí)被”誤接通”、并進(jìn)而造成在它的輸出端出現”停電” 等不幸事故的發(fā)生(注：為進(jìn)一步提高LTM開(kāi)關(guān)的”容錯”功能，艾默生公司還能提供帶雙”公共輸出開(kāi)關(guān)”CB3和CB3A的產(chǎn)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(dòng)切換開(kāi)關(guān)”執行“帶電式”的“熱插拔”操作。所有STS功率切換模塊及斷路器開(kāi)關(guān)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(guān)的“有故障”的部件，從而達到縮短平均維修時(shí)間(MTTR)的目的。

3.2 STS型負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的邏輯控制部件：

為確保UPS雙總線(xiàn)輸出供電系統能獲得“信息網(wǎng)絡(luò )”級的高可靠性，在這種STS型負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的控制電路中用如下多重冗余設計方案來(lái)增強它的”容錯”功能(見(jiàn)圖3)：

i. 用全數字的DSP調控技術(shù)及CANBUS數字通信技術(shù),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(dòng)電路能穩定和可靠地運行, 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(wú)故障工作時(shí)間高達230萬(wàn)小時(shí)的“N+1”UPS冗余并機系統+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(xiàn)”的形式向3個(gè)邏輯控制板及可控硅驅動(dòng)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(wú)誤地運行，由3塊邏輯控制板來(lái)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(kāi)關(guān)能準確無(wú)誤地執行切換操作，對于它內部的“2+1” 冗余式的邏輯控制板來(lái)說(shuō)，還對“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”的兩路輸入電源和輸出電源的如下運行參數、執行不間斷的高精度的監控及數據樣操作：相序、頻率、相位差、快速“過(guò)壓及欠壓”(脈寬4ms的瞬態(tài)浪涌/電壓下陷)、緩慢“過(guò)壓及欠壓”、峰值電流Ipk、KVA、KW、Pf、直流電源的冗余度、風(fēng)扇的冗余度等。

v.為提高LTM開(kāi)關(guān)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(kāi)隔離安裝”的配置方案。對于這樣的LTM開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，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供電的條件下、執行熱插拔式的“更換”操作。

在此基礎上，當今的STS型“負載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)已高達100萬(wàn)小時(shí)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(wàn)小時(shí))的。

圖三　帶多重冗余設計的STS邏輯控制裝置