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中達(dá)電通蓄電池：數(shù)據(jù)中心如何優(yōu)化UPS的可用性
如果您運行的高可用性數(shù)據(jù)中心，你知道你的不間斷電源系統(tǒng)(UPS)等發(fā)揮重要作用。任何時候，一個UPS故障，任務(wù)關(guān)鍵的電力負(fù)荷有潛在危險，這就是為什么UPS的可靠性是一個重要的考慮因素。
那么，數(shù)據(jù)中心運營商如何優(yōu)化UPS的可用性？UPS的可靠性是UPS整體動力系統(tǒng)設(shè)計功能中最終少不了的設(shè)計比。無論在您在您的UPS還是電源保護(hù)方案，增加UPS的可用性最可靠的方法是把重點放在減少維修時間，并最大限度地提高全冗余。
平均無故障時間MTBF
UPS電源產(chǎn)品的可用性從低到高可分為四類，其中可用性的最高級別就是系統(tǒng)在故障后的修復(fù)過程不影響應(yīng)用，即MTTR=0。而最高級別可用性的實現(xiàn)形式就是通過模塊化UPS與冗余配置相結(jié)合來實現(xiàn)。模塊化UPS可以實現(xiàn)故障的快速修復(fù)，冗余設(shè)計則實現(xiàn)了故障期間的系統(tǒng)能夠照常運行。
隨著IT系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，人們已經(jīng)意識到系統(tǒng)故障難以避免，因而不再單純追求系統(tǒng)可靠性，轉(zhuǎn)而尋求最高可用性的IT設(shè)備。而系統(tǒng)可用性A(t)的定義為：電子系統(tǒng)在使用過程中(尤其在不間斷連續(xù)使用的條件下)，可以正常使用的時間與總時間之比。系統(tǒng)可用性可用平均無故障時間MTBF(是設(shè)備失效率λ的倒數(shù))和平均維修時間MTTR表示。
根據(jù)伊頓公司2011年1月最新發(fā)布的白皮書表示，目前還沒有測量MTBF的通用標(biāo)準(zhǔn)。多年來，大部分政府部門只要求廠商提供有關(guān)的MIL-HDBK-217F手冊的最新版本為基礎(chǔ)計算，而許多商業(yè)用戶都采用了符合Telcordia(Bellcore實驗室)的SR-332。隨著科技的發(fā)展，MTBF的測量，不是制造可靠性產(chǎn)品的唯一的方法，制造商的可靠性設(shè)計(DFR)，更加注意產(chǎn)品在不同條件下使用，并達(dá)到預(yù)期的目的。
盡管如此，MTBF仍然是負(fù)載供電保持連接的一個標(biāo)準(zhǔn)。
鑒于在數(shù)據(jù)中心中UPS發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，所以是否能快速更換老化或故障部件是至關(guān)重要的。
UPS的設(shè)計和內(nèi)部電源路徑
打造一個穩(wěn)定的UPS電源路徑盡管會增加成本，但如果整流器，逆變器或內(nèi)置備用電池系統(tǒng)組件失敗，不間斷電源的關(guān)鍵負(fù)載將發(fā)揮重要作用。
四種基本的UPS設(shè)計：
備用UPS
在線互動式UPS
雙轉(zhuǎn)換式UPS
雙轉(zhuǎn)換與多模式運行UPS
這些UPS設(shè)計的每一個功能皆有不同的內(nèi)部電源路徑。備用的UPS通常具有兩個電源路徑。如果電源開關(guān)出現(xiàn)故障，設(shè)備斷電。大多數(shù)備用系統(tǒng)是有限的，電力不到2千伏安，所以一般只有幾件的IT設(shè)備不受影響。
提高UPS電源路徑可用性的策略
增強UPS的電源路徑可靠性的幾個方法：
新增電池串并聯(lián)。
安裝一臺發(fā)電機。
確保UPS具有自動靜態(tài)旁路開關(guān)。
增強部署并聯(lián)UPS的可用性
上圖展示了簡單但很重要的兩點：電源路徑是串行連接;電源路徑組件是并聯(lián)冗余。如果其中一個離線，其他補償，從而確保整個運作的系統(tǒng)。
并聯(lián)UPS架構(gòu)
在UPS行業(yè)通常有并行系統(tǒng)中部署使用的幾種方法。最流行的方法是在兩個級聯(lián)(系列)的并行體系結(jié)構(gòu)或在一個完全冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)部署。
級聯(lián)冗余系統(tǒng)有時在兩種情況下使用，UPS系統(tǒng)可用于支持基礎(chǔ)負(fù)載，但它們是不同型號或不同廠家，所以他們不能在并聯(lián)冗余配置在一起。級聯(lián)并行體系結(jié)構(gòu)使你克服這種限制。
全冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)通常提供更高的可靠性。但是關(guān)鍵得看如何實現(xiàn)。
電池可靠性的影響
一個UPS的設(shè)計常規(guī)采用電池供電，但同時又影響中達(dá)電通蓄電池的運行時間和使用壽命。
提高電力系統(tǒng)可用性的六個關(guān)鍵步驟
1)標(biāo)準(zhǔn)化的高品質(zhì)的UPS。
2)選擇具有多個內(nèi)部電源UPS的路徑。
3)找一個有能力的UPS支持你的IT設(shè)備。
4)部署冗余，并聯(lián)式UPS。
5)尋求可以提高平均修復(fù)時間的功能。
6)選擇盡量減少使用電池設(shè)計的UPS。
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臺達(dá)蓄電池-在線式UPS電源的發(fā)展歷程
最早的在線式UPS電源現(xiàn)在看起來是個非常古怪的東西：采用了非常原始的機械儲能方式，是帶有一個大飛輪的電動機——發(fā)電機組，在發(fā)電機上帶有一個數(shù)噸重的飛輪，市電停電后該發(fā)電機可以維持正常供電數(shù)秒鐘?，F(xiàn)代的逆變式在線式UPS問世后，在近十幾年中得到了迅速發(fā)展。就其技術(shù)性能講，它走過了從方波到正弦波、從離線式到在線式、從小功率到大功率、從常規(guī)延時(分鐘級)到長延時(小時級)、從簡單不停電供電到智能化操作和處理功能的發(fā)展歷程。隨著蓄電池和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其控制電路也發(fā)展很快，由開始的立分元件的簡單控制發(fā)展到今天的微處理機控制，由硬件控制又發(fā)展成軟件控制，如軟件濾波器;甚至光纖通訊也被引入在線式UPS，而且，微處理機也已被廣泛應(yīng)用于小容量的在線式UPS中，甚至還專門為蓄電池的監(jiān)控設(shè)立了微處理機，以保持電池的最佳狀態(tài)。
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴展，現(xiàn)在在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的在線式UPS不再只是單純的電源設(shè)備，而逐步成為整個網(wǎng)絡(luò)中電源的管理中心，在線式UPS由最初單純不間斷供電已發(fā)展到今天的智能化、多功能。新型的在線式UPS本身融合了多種新技術(shù)， 在線式UPS不僅是提供不間斷電源的工具，而且當(dāng)作為負(fù)載的設(shè)備在無人值守時，當(dāng)市電故障后，在線式UPS可以按照事先的約定順序關(guān)機，甚至還可以自動發(fā)傳呼或E-mail給管理者?，F(xiàn)代的在線式UPS與服務(wù)器上的軟件協(xié)同工作，還能實現(xiàn)事件記錄、故障告警、在線式UPS參數(shù)自動測試分析、調(diào)節(jié)等多項功能，提供了完全的電源管理解決方案。現(xiàn)在有些在線式UPS甚至可以對環(huán)境溫度、濕度和煙霧等進(jìn)行監(jiān)視。
在線式UPS的智能化還表現(xiàn)在加強在線式UPS的節(jié)能功能即所謂“綠色在線式UPS”上?！熬G色在線式UPS”可以減少PC系統(tǒng)使用的電能量，既降低了費用又保護(hù)了環(huán)境。比如“綠色在線式UPS”在檢測到打印機長時間空閑后,就會把打印機的電源關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)打印排隊請求時，在線式UPS可以馬上給打印機恢復(fù)供電，隨著“綠色在線式UPS”的出現(xiàn)，為節(jié)約能源又提供了理想的解決方案。
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在數(shù)據(jù)中心中,閥控式密封鉛酸蓄電池組作為備用電源在系統(tǒng)中的作用非常重要。鉛酸蓄電池工作狀態(tài)的穩(wěn)定與否、性能好壞都與UPS系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性和可靠性息息相關(guān)。蓄電池組容量監(jiān)測研究的意義在于提高UPS的利用率,實時在線監(jiān)控蓄電池組的健康狀態(tài),提供高效率的電池管理,提高后備電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,同時可保障鉛酸蓄電池的使用壽命、避免安全隱患及經(jīng)濟損失,減少人工成本。
定期對閥控式密封鉛酸蓄電池(以下簡稱蓄電池)組進(jìn)行容量測試,有利于掌握蓄電池組的工況,避免故障隱患的長期存在,保證供電系統(tǒng)運行中的可靠性。
根據(jù)聯(lián)通動力維護(hù)規(guī)程,蓄電池組使用三年必須進(jìn)行容量試驗,使用六年后每年進(jìn)行一次容量試驗,準(zhǔn)確地監(jiān)測電池組的容量,確保在市電和電源設(shè)備出現(xiàn)故障時,蓄電池組能夠保障通信設(shè)備續(xù)航的時間。
1 蓄電池組的容量測試方法
蓄電池組容量的測量,視情況不同可用下列三種方法進(jìn)行測量。
(1)離線式測量法
在采用離線式測量法進(jìn)行蓄電池的容量試驗時,應(yīng)按下述步驟進(jìn)行:
①將充滿電后的蓄電池組脫離供電系統(tǒng)靜置1～24h,在環(huán)境溫度為25±5℃的條件下開始放電;
②放電開始前應(yīng)測量蓄電池的端電壓,放電期間應(yīng)測記蓄電池的放電電流、時間及環(huán)境溫度,放電電流波動不得超過規(guī)定值的1%;
③放電期間應(yīng)測量蓄電池的端電壓及室溫,測量時間間隔為:10h率放電30min、3h率放電20min、1h率放電5min。在放電末期要隨時測量,以便準(zhǔn)確地確定達(dá)到放電終止電壓的時間;
④放電電流乘以放電時間即為蓄電池組的容量。蓄電池按10h率放電時,如果溫度不是25℃時,則應(yīng)將實際測量的容量按下式換算成25℃時的容量Ce:
(1)式中,t——放電時的環(huán)境溫度(℃);
K——溫度系數(shù);
10h率放電時,K=0.006/℃
3h率放電時,K=0.008/℃
1h率放電時,K=0.01/℃
Cr——試驗溫度下的電池容量。
⑤放電結(jié)束后,要對蓄電池組充電,充入電量應(yīng)是放出電量的1.2倍。
電池組離線放電原理圖如圖1所示。
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利用離線式測量方法進(jìn)行電池組容量試驗時,應(yīng)注意以下幾個問題:
①電池組離線式容量試驗,測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,電池組實際容量計算方便,便于了解電池組實際容量。但當(dāng)該供電系統(tǒng)只剩下一組電池后備,系統(tǒng)備用電池供電時間明顯縮短,且不清楚在線電池組是否存在質(zhì)量問題;尤其使用六年以上的電池組,一旦市電中斷,該電池組對通信設(shè)備放電保障風(fēng)險系數(shù)增大。所以用此種方法對電池組進(jìn)行容量試驗時,要求柴油發(fā)電機組必須處于最佳工況狀態(tài),以確保發(fā)電機組、開關(guān)電源等設(shè)備正常運行;
②放電結(jié)束后的電池組充滿電后再并入供電系統(tǒng),此時與在線電池組間存在電壓差,若操作不當(dāng)將引起開關(guān)電源對并入的電池組進(jìn)行大電流充放電,產(chǎn)生火花,易發(fā)生安全事故。為了解決打火花問題,必須調(diào)整開關(guān)電源輸出電壓,然后與充滿電的電池組電壓相等后進(jìn)行并聯(lián)浮充;
③利用離線式測量方法時,放電方式操作難度偏大,既要脫離電池組的正極電源線,又要脫離電池組的負(fù)極保險,尤其是脫離電池組負(fù)極保險時,需要特別小心并做好絕緣處理。操作不當(dāng)引起負(fù)極短路,將造成系統(tǒng)供電中斷和人身安全事故的發(fā)生。同時放電電池組通過假負(fù)載以熱量形式消耗,浪費電能,增大了機房空調(diào)的制冷時間,影響機房設(shè)備運行環(huán)境,需要維護(hù)人員時刻守護(hù),以免假負(fù)載高溫引發(fā)通信供電設(shè)備故障;
④關(guān)電源直流輸出電壓為46.4V,使電池組直接對實際負(fù)荷進(jìn)行放電至開關(guān)電源直流輸出電壓保護(hù)設(shè)置值。由于電池組放電電流大,應(yīng)按電源維護(hù)規(guī)程考慮48V供電范圍40～57V的最低供電低壓門限,電池組至設(shè)備供電回路全程壓降3.2V及電池單體放電最低1.8V的要求考慮。為了保證供電系統(tǒng)安全,所以帶實際負(fù)載的放電電流和放電時間掌控較困難,對電池組容量評估不夠準(zhǔn)確,對電池性能測試存在不確定因素,尤其對使用3年以上電池組性能檢測難以達(dá)到試驗的預(yù)期效果。
(2)在線式測量法
在利用在線式測量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗時,應(yīng)按如下步驟進(jìn)行:
①在供電系統(tǒng)中,關(guān)掉整流器或降低整流器輸出電壓后,由蓄電池組放電供給通信設(shè)備,在蓄電池組放電中找出蓄電池組中電壓最低、容量最差的一只電池來作為容量試驗的對象;
②恢復(fù)整流器至正常工作狀態(tài),對蓄電池組進(jìn)行充電,等蓄電池組充滿電后穩(wěn)定1h以上;
③對①中放電時找出最差的那只電池進(jìn)行10h率放電試驗。放電前后要測記該只電池的端電壓、溫度、放電時間和室溫。以后每隔30min測記一次,放電快到終止電壓時,應(yīng)隨時測記,以便準(zhǔn)確記錄放電時間;
④放電時間乘以放電電流即為該只電池的容量。當(dāng)室溫不是25℃時,應(yīng)按式(1)換算成25℃時的容量;
⑤放電試驗結(jié)束后,用充電機對該只電池進(jìn)行充電,恢復(fù)其容量;
⑥根據(jù)測記的數(shù)據(jù)繪制放電曲線。
在利用在線式測量法進(jìn)行蓄電池組容量試驗時,應(yīng)注意以下幾個問題:
①若兩組電池的單體電池都有失容、落后等質(zhì)量問題,其放電至輸出保護(hù)值的時間,不易被維護(hù)人員及時發(fā)現(xiàn),此時可能后備電池組容量所剩無幾,因此該放電方式比離線放電方式不安全系數(shù)更大。同時由于放電深度有限,對電池組的測試的目的無法達(dá)到,關(guān)鍵是在全容量放電的實踐中會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些單體電池在放電前期電壓正常,但到中后期,有些落后電池才開始逐步暴露出來;
②這一部分落后單體電池,由于放電深度不夠而沒有被及時發(fā)現(xiàn),此放電方式只能大致評估電池組容量,而無法準(zhǔn)確檢測具體放電多長時間。同時兩組電池組間放電電流不完全均衡,各電池組將根據(jù)自身情況自然分?jǐn)傁到y(tǒng)的負(fù)載電流。落后電池組內(nèi)阻大、放電電流小,而正常電池組內(nèi)阻小、放電電流大。這就造成某些落后電池因放電電流不夠大而無法暴露出來,達(dá)不到進(jìn)行電池組放電性能質(zhì)量檢測目的。
(3)單組全在線式節(jié)能容量試驗很明顯,離線式測量法和在線式測量法,在實際運用時,存在重大缺陷:
?工作量太大,耗時耗力,一年內(nèi)無法保證對所有的蓄電池組進(jìn)行一輪放電試驗,亦即蓄電池組得不到及時有效的維護(hù);
?這兩種測量方法追求的是結(jié)果而不是過程,所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)該組蓄電池有質(zhì)量問題時,可能問題在很早以前就存在了。也就是說,即使非常嚴(yán)格地按照維護(hù)規(guī)程進(jìn)行著維護(hù),仍然無法確保在用蓄電池的性能良好、保證通信網(wǎng)絡(luò)的順暢運行;
?離線全容量放電測試存在嚴(yán)重的安全隱患問題,操作不當(dāng)會對系統(tǒng)供電安全造成嚴(yán)重的影響,同時嚴(yán)重浪費能源,而且放電結(jié)束后被測蓄電池組和系統(tǒng)存在巨大的壓差,回接系統(tǒng)相當(dāng)困難且危險。而一些單位采用定期的在線式放電測試,雖然這種在線式放電測試相比離線放電測試,操作較簡單,也沒有電能的浪費和電池組回接困難的問題。但是在線式放電測試是將系統(tǒng)電壓降低,系統(tǒng)上所有的電池組同時對實際負(fù)載放電,如果市電停了,系統(tǒng)上就沒有滿容量的電池組,同樣存在巨大的安全隱患問題。而在線式放電測試的放電深度不夠,且放電不恒流,不能準(zhǔn)確的測試出蓄電池的剩余容量,達(dá)不到檢測蓄電池性能的目的,給系統(tǒng)維護(hù)留下安全隱患。
