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    數據中心UPS供電系統中并機技術與可靠性的關系分析

    選擇UPS電源的四大要素

    選擇UPS電源的四大要素

    UPS電源九個常見故障分析

    選擇UPS電源的四大要素

    本文介紹了業界UPS各種主流的并機技術,并對不同并機技術的并機控制軟件和連接硬件的可靠性進行了建模分析,通過技術比對發現熱同步并機技術可以解耦并機控制方式與并機系統的相關性,從而得出了熱同步并機技術具有更高可靠性的結論。

     

    一、引言

    UPS電源作為數據中心供電系統的關鍵設備,為IT和動力負載提供持續、穩定、可靠的電力保障,已成為影響數據中心供配電系統可靠性的最核心要素。隨著IT技術的不斷發展、信息化需求不斷增加、物聯網等新技術的出現,數據出現爆炸性的增長迫使數據中心迅速提升自身規模,從而帶來了數據中心UPS供電容量的大幅度提升。以目前電力電子技術的發展狀況看,UPS單機容量已不能滿足數據中心供電系統對大容量的需求,為解決這一容量瓶頸問題,業界普遍采用了UPS并聯的運行方式。但是UPS的并聯運行存在并機同步、并機均流以及并機響應速度等多方面問題,如處理不好就會帶來非常嚴重的后果,因此對并機系統可靠性的研究已成為數據中心供配電系統得重要問題。

     

    二、UPS并機系統運行方式分析

    圖1是一個典型4臺UPS組成的并機系統,下面對其運行方式進行描述。

     

     

    圖中UPS1~4在配電上共用輸入和輸出交流母線,組成一個在物理結構上的并聯系統,通過并機控制軟件和并機連接硬件交互數據將原本獨立的UPS主機在邏輯上組成一個有機體。實現并機系統再理想狀態下各UPS單機輸出同步,輸出電壓、輸出電流和輸出頻率一致,不存在超前、滯后現象;各單機之間不存在“環流”問題;并機系統中正常工作時,各UPS均分負載,不會出現系統中某臺負載率過高出現轉旁路的情況,當負載發生變化時,每臺UPS可以實時動態調整自身的輸出功率;在并機系統中某一臺出現故障后會主動退出并機系統并且不會影響整個并機系統的正常運行。因此,可靠的并機控制軟件和并機連接硬件是并機系統可靠運行的核心。

     

    三、UPS不同并機方式可靠性分析

    下面介紹業界主流UPS廠家的并機技術,并對其并機控制軟件和并機連接硬件的可靠性進行分析。

    1. 分為主從方式和對等控制方式

    1. 1 主從控制方式

    主從控制方式根據主機產生方式分為傳統型主從控制方式和改進型主從控制方式。

    1.1.1 傳統型主從控制方式

    主從控制方式即在UPS并機系統中選出一臺UPS作為控制主機,系統中剩余的UPS作為從機。

    主機通過相應子功能模塊完成電流、電壓、頻率的同步并向從機發布同步命令,實現系統的同步和負載的均分,確保系統的穩定運行。

    在負載發生變動的時候主機會進行計算對各種參數進行重新計算和調節后重新發出各種指令給從機完成負載的重新分配和同步控制。

    傳統的控制算法在控制主機的選擇上,采用按著預先設定好的方式,一旦控制主機失效,系統將按著預先約定的順序將主機轉移到備用主機上。

    1.1.2 改進型主從控制方式

    在傳統型主從式控制中,一旦備用主機沒有按約定的順序啟動,當負載發生變化時,系統中各臺UPS無法實現各種參數的重新分配即無法做到同步。導致某臺UPS過載轉旁路隨后整個系統轉為旁路工作,此時系統將處于不可靠狀態。

    改進型主從控制算法在主機的選擇方式上不在僅依靠一臺備用主機實現系統的備份控制,可以根據實際需要采用特定控制機制隨機選舉產生一個新的主機,系統中的任何一臺主機都有可能成為新的控制主機,改進型主從控制算法相對于傳統型控制算法在主機的選擇機制上進行了改進,但由于這種方式系統內每臺UPS都有可能被選舉成為新的控制主機,因此每臺UPS上必須擁有主機控制的相關算法和實時對主機控制狀態進行監控,因此對控制器的運算速度、實時響應能力要求比較高。

    從以上對傳統型主從控制方式和改進型主從控制方式的分析可知,主從控制方式主機生成程序的可靠性對系統的穩定運行起著決定性作用。主從控制方式控制軟件的任一子功能模塊出現問題都會導致系統故障。在邏輯上各子功能模塊是串聯關系。為更直觀表達和簡化計算,假設并機控制軟件內各種子功能是在統計上是相互獨立的,此時可靠度數學模型為:

    (1)

    其中RS(t)為并機控制軟件系統可靠度,m為并機控制軟件子功能模塊數量(注:子功能模塊含主機產生、負載均分、動態響應等功能模塊),Rj(t)為并機控制軟件子功能模塊可靠度。

    1.2 對等控制方式

    對等控制方式又稱為“下垂式”控制算法,UPS業內稱之為“熱同步”并機技術(后文將以熱同步并機技術代稱對等控制方式)。熱同步并機技術僅需關注UPS單機逆變器輸出端電壓變化量ΔU和電流變化量ΔI,以及ΔU×ΔI正負,即可通過自適應控制算法完成輸出的同步、工作狀態的判斷;實現并機系統內UPS主機輸出功率的調節、動態負載的均衡響應。
     

    例如,對狀態的判斷可通過下面的方式:
      UPS輸出電流ΔI>0,輸出電壓ΔU<0,ΔU×ΔI<0即代表負載增加;
      UPS輸出電流ΔI<0,輸出電壓ΔU>0,ΔU×ΔI<0即代表負載減小;
      UPS輸出電流ΔU,輸出電壓ΔI同方向變化,ΔU×ΔI>0,即代表處于故障狀態,將自動從輸出母線中脫機退出,系統中剩余正常工作的UPS將均分此臺UPS的功率。
      使用熱同步并機技術并機UPS主機之間無需數據交互通訊即可完成并網輸出。因其不涉及UPS主機間的協調控制問題,無相應的并機控制軟件,因此其可靠度等于“1”即  
    (2)
      其中RS(t)為并機控制軟件系統可靠度。

    2. 并機連接硬件

    一套并機連接硬件包括并機控制線、控制接口及接口板等,實現方式上分為有線并機方式和無并機線并機兩種方式。

    2.1 有線并機方式根據不同的拓撲結構分為單鏈形連接和環形連接兩種方式,以圖1為例對兩種方式進行說明

    • 單鏈形連接

    單鏈形是通過一組并機連接硬件將兩臺或多臺UPS連接起來組成鏈狀拓撲結構,當圖1采用該方式時其拓撲結構如圖2所示,這種方式各臺主機之間類似串聯工作方式,當其中一個硬件出現問題是將會導致部分從機失去通信。

     

     

     

     

     

    假設系統中有N臺UPS并聯,各連接硬件之間在統計上是相互獨立的,不考慮UPS主機,僅考慮并機控制線的可靠度,此時可靠度數學模型為:

    (3)

    其中Rh(t)為并機連接硬件的系統可靠度,N為系統內并聯UPS的數量、N-1為并機控制線的數量,Rι(t)為每條并機控制線的可靠度。

    • 環形連接

    各臺UPS通過并機連接硬件首尾相連即組成環形連接,當圖1采用該連接方式時其拓撲結構如圖3所示,當任一套并機連接硬件出現故障時,控制信息還可以從剩余路徑到達目的從機。只有當兩套及以上并機連接硬件出現問題時,才會使部分從機失去通信。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    假設系統中有N臺UPS并聯,各連接硬件之間在統計上是相互獨立的,不考慮UPS主機,僅考慮并機控制線的可靠度,此時可靠度數據模型為: 

    (4)
      其中Rh(t)為并機連接硬件的系統可靠度,N同時表示系統內并聯UPS數量和并機控制線的數量,Rι(t)為每條并機控制線的可靠度。
      有線并機除了傳統通信線纜之外,為了降低電磁干擾、提高可靠性有的廠家還使用了光纖。

    2.2 無并機線并機根據實現方式分為無線并機方式和熱同步并機兩種方式

    • 無線并機方式

    無線并機方式如圖4所示。在并機系統中任意選取一臺UPS作為主機,其余UPS作為從機,主機和從機上均裝有無線收發裝置,在數據中心中電磁環境較為復雜,很容易受到干擾,在考慮可靠性的前提下該并機方式很少被采用,本文不再對其進行建模分析。

     

     

     

     

     

     

    •  

    •  

    •  

    • 熱同步并機方式

    熱同步并機方式因并機系統中各UPS主機之間無信息需要傳遞,無控制連接硬件。此時可靠度為
      (5)
      其中Rh(t)為并機連接硬件系統的可靠度。

    3. 系統可靠性分析

    依據參考文獻1《數據中心UPS供電系統中并機臺數與可靠性的關系分析》,UPS并機數量與并機控制軟件、并機連接硬件之間為邏輯關系如圖5所示。

     

     

    圖中:Pi為UPS并機系統內并聯關系的相關子系統(例如:并聯UPS數量);

    Si為UPS并機系統內串聯關系的相關子系統(例如:并機連接硬件、并機控制軟件)。
      另外從該文獻中可知“N+1”(N為非冗余主機數量,1為冗余主機數量)系統并機數量與可靠性關系數學模型如下式
       (6)
      式中RB(t)為“N+1”系統中與UPS并機數量有關的可靠度、Ri(t)為單機的可靠度、N為并機系統中非冗余主機數量。
      因此,UPS并聯系統可靠性可用下式表示:
      (7)  

    下面以“N+1”并機系統為例進行分析:

    當系統為“N+1”并機系統、采用主從控制方式,使用單鏈形連接時,結合式(1)、(3)、(6)和(7),并機系統的可靠度數學模型可表示為

     (8)

    式中R(t)為并機系統可靠度。

    當系統為“N+1”并機系統、采用主從控制方式,使用環形連接時,結合式(1)、(4)、(6)和(7),并機系統的可靠度數學模型可表示為

    (9)

     

    當系統為“N+1”并機系統、使用熱同步并機方式時,結合式(2)、(5)、(6)和(7),并機系統的可靠度數學模型可表示為

     (10)

    此時系統可靠度與主機僅考慮并聯數量的可靠度相等。
      為更加直觀的說明“N+1”系統可靠性與并機控制軟件和連接硬件可靠性的關系,將式(8)、(9)和(10)所對應的曲線繪制在同一坐標系中,如圖6所示。

     

     

    圖中縱坐標是系統可靠度(假設單機可靠度Ri(t)為0.9,并機連接硬件可靠度Rh(t)為0.97,并機控制軟件系統可靠度RS(t)為0.95),橫坐標是“N+1”UPS系統中“N”的數量。
      “熱同步并機”曲線是根據式(10)繪制,即使用熱同步并機方式,不需考慮連接并機連接軟件和硬件的系統可靠性的影響,僅考慮并機UPS數量的可靠度曲線。從圖中可看出在“1+1”并機時系統可靠度最高,隨著并機數量的增加而逐漸降低。
      “主機單鏈并機”曲線是根據式(8)繪制,即并機硬件采用單鏈形連接的方式,考慮并機UPS數量以及并機連接軟件影響的可靠度曲線。從圖中可以看出由于并機控制軟件和并機單鏈連接方式的加入使“主機單鏈并機”可靠度曲線在數值上始終小于“UPS主機”可靠度曲線。
      “主機環形并機”曲線是根據式(9)繪制,即并機硬件采用環形連接的方式,考慮并機UPS數量以及并機連接軟件影響的可靠度曲線;從圖中可以看出“主機環形并機”可靠度曲線位于“主機單鏈并機”可靠性曲線和“UPS主機”可靠度曲線位置之間,可判斷環型并機方式可靠性略大于單鏈形并機方式的可靠性。但仍不能避免由于并機控制軟件和并機連接硬件加入對系統可靠性減低的影響。

     

    四、 結束語

    通過上述的各種并機技術分析可以看出,無論是傳統型主從控制方式還是改進型主從控制方式,并機控制軟件都需要在UPS間傳遞控制信息,并聯系統軟件間存在強通信耦合;同樣,這些并機方式的連接硬件,無論是單鏈形連接還是環形連接也存在強耦合,進一步導致并機系統可靠性的降低。而熱同步并機技術的UPS間無信息交互、無硬件連接將單臺UPS從控制系統中解耦;并機系統內UPS主機間相互獨立,不存在主從屬關系,消除了主從控制方式中從機對主機的依賴;同時,并聯UPS主機運行的控制軟件無關聯耦合,系統的可靠性與僅考慮并機UPS數量時的可靠性相等,因此熱同步并機技術相對于其它并機方式具有更高的可靠性。

     

     

        摘自UPS應用

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