不间断电源电源作为云数据中心供电系统的设备性能,为IT和动力负荷提供不断、稳定、可靠的电能保障,已成为影响云数据中心供电系统可靠性的核心内容要素。随着IT技术的不断发展、数字化需求不断增加、互联网等新技术的产生,数据信息产生爆炸性的增长迫使云数据中心迅速提升自身规模,从而带来了云数据中心不间断电源供电容量的大幅度提升。以目前电力电子技术的发展状况看,不间断电源单机容量已不能满足云数据中心供电系统对大功率的需求,为处理这一容量存在的问题,业界普遍采用了不间断电源并联的运行方式。但是不间断电源的并联运行存在并机同步、并机均流及其并机响应时间等各个方面问题,如处置不好便会带来非常严重的后果,因此对并机系统可靠性的研究已成为云数据中心供电系统得重要问题。
2不间断电源并系统运行方式分析
图1是一个典型4台不间断电源组成的并系统,下面对其运行方式进行描述。
图中UPS1～4在配电上共用输入和输出沟通交流母线,组成一个在物理学结构上的并联系统,利用并机监控软件和并机接入硬件交互数据信息将原本单独的不间断电源服务器在逻辑上组成一个有机体。实现并系统再理想状态下各不间断电源单机输出同步,输出电压、输出电流和输出频率一致,不存在超前、滞后现象;各单机之间不存在“环流”问题;并系统中正常工作时,各不间断电源均分负荷,不会产生系统中某台负载率过高产生转旁路的情况,当负荷发生变化时,每台不间断电源可以实时动态调整自身的输出功率;在并系统中某1台产生故障后会主动退出并系统并且不会影响整个并系统的正常运行。因此,可靠的并机监控软件和并机接入硬件是并系统可靠运行的核心内容。
3不间断电源不同并机方式可靠性分析
下面介绍业界主流不间断电源厂家的并机技术，并对其并机监控软件和并机接入硬件的可靠性进行分析。
(1)不间断电源并机监控软件依据实现方式分为主从调节方式和对等调节方式
①主从调节方式
主从调节方式依据服务器产生方式分为传统型主从调节方式和改进型主从调节方式。
·传统型主从调节方式
主从调节方式即在不间断电源并系统中选出1台不间断电源作为调节服务器,系统中剩余的不间断电源作为从机。
服务器利用相应子基本功能完成电流、电压、频率的同步并向从机发布同步命令,实现系统的同步和负荷的均分,确保系统的稳定运行。
在负荷发生变动的时候主机会进行计算对各种参数进行重新计算和调节后重新发出各种指令给从机完成负荷的重新分配和同步控制。
传统的控制算法在调节服务器的选择上,采用按照预先设定好的方式,一旦调节服务器失效,系统将按照预先约定的顺序将服务器转移到备用服务器上。
·改进型主从调节方式
在传统型主从式调节中,一旦备用服务器没有按约定的顺序启动,当负荷发生变化时,系统中各台不间断电源无法实现各种参数的重新分配即无法做到同步。导致某台不间断电源过载转旁路随后整个系统转为旁路工作,此时系统将处于不可靠状态。
改进型主从控制算法在服务器的选择方式上不在仅依靠1台备用服务器实现系统的备份调节,可以依据实际需要采用特定调节体制随机选举产生一个新的服务器,系统中的任何1台服务器都有可能成为新的调节服务器,改进型主从控制算法相对于传统型控制算法在服务器的选择体制上进行了改进,但由于这种方式系统内每台不间断电源都有可能被选举成为新的调节服务器,因此每台不间断电源上必须拥有服务器调节的相关算法和实时对服务器调节状态进行监控,因此对控制器的运算速度、实时响应能力要求比较高。
从以上对传统型主从调节方式和改进型主从调节方式的分析可知,主从调节方式服务器生成程序的可靠性对系统的稳定运行起着决定性作用。主从调节方式监控软件的任一子基本功能产生问题都会导致系统故障。在逻辑上各子基本功能是串联关系。为更直观表达和简化计算,假设并机监控软件内各种子功能是在统计上是相互独立的,此时可靠度数学模型为:
(1)
其中RS(t)为并机调节软件系统可靠度,m为并机监控软件子基本功能数量(注:子基本功能含服务器产生、负荷均分、动态响应等基本功能),Rj(t)为并机监控软件子基本功能可靠度。
②对等调节方式
对等调节方式又称为“下垂式”控制算法,不间断电源业内称之为“热同步”并机技术(后文将以热同步并机技术代称对等调节方式)。热同步并机技术仅需关注不间断电源单机逆变器输出端电压变化量ΔU和电流变化量ΔI,及其ΔU×ΔI正负,即可利用自适应控制算法完成输出的同步、工作状态的判断;实现并系统内不间断电源服务器输出功率的调节、动态负荷的均衡响应。
例如,对状态的判断可利用下面的方式:
不间断电源输出电流ΔI>0,输出电压ΔU<0,ΔU×ΔI<0即代表负荷增加;
不间断电源输出电流ΔI<0,输出电压ΔU>0,ΔU×ΔI<0即代表负荷减小;
不间断电源输出电流ΔU,输出电压ΔI同方向变化,ΔU×ΔI>0,即代表处于故障状态,将自动从输出母线中脱机退出,系统中剩余正常工作的不间断电源将均分此台不间断电源的功率。
使用热同步并机技术并机不间断电源服务器之间无需数据信息交互通讯即可完成并网输出。因其不涉及不间断电源服务器间的协调控制问题,无相应的并机监控软件,因此其可靠度等于“1”即
(2)
其中RS(t)为并机调节软件系统可靠度。
(2)并机接入硬件
一套并机接入硬件包括并机控制线、调节接口及接口板等,实现方式上分为有线并机方式和无并机线并机两种方式。
①有线并机方式依据不同的拓扑结构分为单链形接入和环形接入两种方式,以图1为例对两种方式进行说明
·单链形接入