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中达电通蓄电池：数据中心如何优化UPS的可用性
如果您运行的高可用性数据中心，你知道你的不间断电源系统(UPS)等发挥重要作用。任何时候，一个UPS故障，任务关键的电力负荷有潜在危险，这就是为什么UPS的可靠性是一个重要的考虑因素。
那么，数据中心运营商如何优化UPS的可用性？UPS的可靠性是UPS整体动力系统设计功能中最终少不了的设计比。无论在您在您的UPS还是电源保护方案，增加UPS的可用性最可靠的方法是把重点放在减少维修时间，并最大限度地提高全冗余。
平均无故障时间MTBF
UPS电源产品的可用性从低到高可分为四类，其中可用性的最高级别就是系统在故障后的修复过程不影响应用，即MTTR=0。而最高级别可用性的实现形式就是通过模块化UPS与冗余配置相结合来实现。模块化UPS可以实现故障的快速修复，冗余设计则实现了故障期间的系统能够照常运行。
随着IT系统应用的不断深入，人们已经意识到系统故障难以避免，因而不再单纯追求系统可靠性，转而寻求最高可用性的IT设备。而系统可用性A(t)的定义为：电子系统在使用过程中(尤其在不间断连续使用的条件下)，可以正常使用的时间与总时间之比。系统可用性可用平均无故障时间MTBF(是设备失效率λ的倒数)和平均维修时间MTTR表示。
根据伊顿公司2011年1月最新发布的白皮书表示，目前还没有测量MTBF的通用标准。多年来，大部分政府部门只要求厂商提供有关的MIL-HDBK-217F手册的最新版本为基础计算，而许多商业用户都采用了符合Telcordia(Bellcore实验室)的SR-332。随着科技的发展，MTBF的测量，不是制造可靠性产品的唯一的方法，制造商的可靠性设计(DFR)，更加注意产品在不同条件下使用，并达到预期的目的。
尽管如此，MTBF仍然是负载供电保持连接的一个标准。
鉴于在数据中心中UPS发挥着至关重要的作用，所以是否能快速更换老化或故障部件是至关重要的。
UPS的设计和内部电源路径
打造一个稳定的UPS电源路径尽管会增加成本，但如果整流器，逆变器或内置备用电池系统组件失败，不间断电源的关键负载将发挥重要作用。
四种基本的UPS设计：
备用UPS
在线互动式UPS
双转换式UPS
双转换与多模式运行UPS
这些UPS设计的每一个功能皆有不同的内部电源路径。备用的UPS通常具有两个电源路径。如果电源开关出现故障，设备断电。大多数备用系统是有限的，电力不到2千伏安，所以一般只有几件的IT设备不受影响。
提高UPS电源路径可用性的策略
增强UPS的电源路径可靠性的几个方法：
新增电池串并联。
安装一台发电机。
确保UPS具有自动静态旁路开关。
增强部署并联UPS的可用性
上图展示了简单但很重要的两点：电源路径是串行连接;电源路径组件是并联冗余。如果其中一个离线，其他补偿，从而确保整个运作的系统。
并联UPS架构
在UPS行业通常有并行系统中部署使用的几种方法。最流行的方法是在两个级联(系列)的并行体系结构或在一个完全冗余并联结构系统部署。
级联冗余系统有时在两种情况下使用，UPS系统可用于支持基础负载，但它们是不同型号或不同厂家，所以他们不能在并联冗余配置在一起。级联并行体系结构使你克服这种限制。
全冗余并联结构通常提供更高的可靠性。但是关键得看如何实现。
电池可靠性的影响
一个UPS的设计常规采用电池供电，但同时又影响中达电通蓄电池的运行时间和使用寿命。
提高电力系统可用性的六个关键步骤
1)标准化的高品质的UPS。
2)选择具有多个内部电源UPS的路径。
3)找一个有能力的UPS支持你的IT设备。
4)部署冗余，并联式UPS。
5)寻求可以提高平均修复时间的功能。
6)选择尽量减少使用电池设计的UPS。
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台达蓄电池-在线式UPS电源的发展历程
最早的在线式UPS电源现在看起来是个非常古怪的东西：采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮的电动机——发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，市电停电后该发电机可以维持正常供电数秒钟。现代的逆变式在线式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲，它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、从常规延时(分钟级)到长延时(小时级)、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。随着蓄电池和半导体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的立分元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如软件滤波器;甚至光纤通讯也被引入在线式UPS，而且，微处理机也已被广泛应用于小容量的在线式UPS中，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。
随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的在线式UPS不再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心，在线式UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的在线式UPS本身融合了多种新技术， 在线式UPS不仅是提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备在无人值守时，当市电故障后，在线式UPS可以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的在线式UPS与服务器上的软件协同工作，还能实现事件记录、故障告警、在线式UPS参数自动测试分析、调节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。现在有些在线式UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。
在线式UPS的智能化还表现在加强在线式UPS的节能功能即所谓“绿色在线式UPS”上。“绿色在线式UPS”可以减少PC系统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色在线式UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时，在线式UPS可以马上给打印机恢复供电，随着“绿色在线式UPS”的出现，为节约能源又提供了理想的解决方案。
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在数据中心中,阀控式密封铅酸蓄电池组作为备用电源在系统中的作用非常重要。铅酸蓄电池工作状态的稳定与否、性能好坏都与UPS系统的输出稳定性和可靠性息息相关。蓄电池组容量监测研究的意义在于提高UPS的利用率,实时在线监控蓄电池组的健康状态,提供高效率的电池管理,提高后备电源系统的稳定性和可靠性,同时可保障铅酸蓄电池的使用寿命、避免安全隐患及经济损失,减少人工成本。
定期对阀控式密封铅酸蓄电池(以下简称蓄电池)组进行容量测试,有利于掌握蓄电池组的工况,避免故障隐患的长期存在,保证供电系统运行中的可靠性。
根据联通动力维护规程,蓄电池组使用三年必须进行容量试验,使用六年后每年进行一次容量试验,准确地监测电池组的容量,确保在市电和电源设备出现故障时,蓄电池组能够保障通信设备续航的时间。
1 蓄电池组的容量测试方法
蓄电池组容量的测量,视情况不同可用下列三种方法进行测量。
(1)离线式测量法
在采用离线式测量法进行蓄电池的容量试验时,应按下述步骤进行:
①将充满电后的蓄电池组脱离供电系统静置1～24h,在环境温度为25±5℃的条件下开始放电;
②放电开始前应测量蓄电池的端电压,放电期间应测记蓄电池的放电电流、时间及环境温度,放电电流波动不得超过规定值的1%;
③放电期间应测量蓄电池的端电压及室温,测量时间间隔为:10h率放电30min、3h率放电20min、1h率放电5min。在放电末期要随时测量,以便准确地确定达到放电终止电压的时间;
④放电电流乘以放电时间即为蓄电池组的容量。蓄电池按10h率放电时,如果温度不是25℃时,则应将实际测量的容量按下式换算成25℃时的容量Ce:
(1)式中,t——放电时的环境温度(℃);
K——温度系数;
10h率放电时,K=0.006/℃
3h率放电时,K=0.008/℃
1h率放电时,K=0.01/℃
Cr——试验温度下的电池容量。
⑤放电结束后,要对蓄电池组充电,充入电量应是放出电量的1.2倍。
电池组离线放电原理图如图1所示。
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利用离线式测量方法进行电池组容量试验时,应注意以下几个问题:
①电池组离线式容量试验,测试数据准确,电池组实际容量计算方便,便于了解电池组实际容量。但当该供电系统只剩下一组电池后备,系统备用电池供电时间明显缩短,且不清楚在线电池组是否存在质量问题;尤其使用六年以上的电池组,一旦市电中断,该电池组对通信设备放电保障风险系数增大。所以用此种方法对电池组进行容量试验时,要求柴油发电机组必须处于最佳工况状态,以确保发电机组、开关电源等设备正常运行;
②放电结束后的电池组充满电后再并入供电系统,此时与在线电池组间存在电压差,若操作不当将引起开关电源对并入的电池组进行大电流充放电,产生火花,易发生安全事故。为了解决打火花问题,必须调整开关电源输出电压,然后与充满电的电池组电压相等后进行并联浮充;
③利用离线式测量方法时,放电方式操作难度偏大,既要脱离电池组的正极电源线,又要脱离电池组的负极保险,尤其是脱离电池组负极保险时,需要特别小心并做好绝缘处理。操作不当引起负极短路,将造成系统供电中断和人身安全事故的发生。同时放电电池组通过假负载以热量形式消耗,浪费电能,增大了机房空调的制冷时间,影响机房设备运行环境,需要维护人员时刻守护,以免假负载高温引发通信供电设备故障;
④关电源直流输出电压为46.4V,使电池组直接对实际负荷进行放电至开关电源直流输出电压保护设置值。由于电池组放电电流大,应按电源维护规程考虑48V供电范围40～57V的最低供电低压门限,电池组至设备供电回路全程压降3.2V及电池单体放电最低1.8V的要求考虑。为了保证供电系统安全,所以带实际负载的放电电流和放电时间掌控较困难,对电池组容量评估不够准确,对电池性能测试存在不确定因素,尤其对使用3年以上电池组性能检测难以达到试验的预期效果。
(2)在线式测量法
在利用在线式测量法进行蓄电池组容量试验时,应按如下步骤进行:
①在供电系统中,关掉整流器或降低整流器输出电压后,由蓄电池组放电供给通信设备,在蓄电池组放电中找出蓄电池组中电压最低、容量最差的一只电池来作为容量试验的对象;
②恢复整流器至正常工作状态,对蓄电池组进行充电,等蓄电池组充满电后稳定1h以上;
③对①中放电时找出最差的那只电池进行10h率放电试验。放电前后要测记该只电池的端电压、温度、放电时间和室温。以后每隔30min测记一次,放电快到终止电压时,应随时测记,以便准确记录放电时间;
④放电时间乘以放电电流即为该只电池的容量。当室温不是25℃时,应按式(1)换算成25℃时的容量;
⑤放电试验结束后,用充电机对该只电池进行充电,恢复其容量;
⑥根据测记的数据绘制放电曲线。
在利用在线式测量法进行蓄电池组容量试验时,应注意以下几个问题:
①若两组电池的单体电池都有失容、落后等质量问题,其放电至输出保护值的时间,不易被维护人员及时发现,此时可能后备电池组容量所剩无几,因此该放电方式比离线放电方式不安全系数更大。同时由于放电深度有限,对电池组的测试的目的无法达到,关键是在全容量放电的实践中会经常发现有些单体电池在放电前期电压正常,但到中后期,有些落后电池才开始逐步暴露出来;
②这一部分落后单体电池,由于放电深度不够而没有被及时发现,此放电方式只能大致评估电池组容量,而无法准确检测具体放电多长时间。同时两组电池组间放电电流不完全均衡,各电池组将根据自身情况自然分摊系统的负载电流。落后电池组内阻大、放电电流小,而正常电池组内阻小、放电电流大。这就造成某些落后电池因放电电流不够大而无法暴露出来,达不到进行电池组放电性能质量检测目的。
(3)单组全在线式节能容量试验很明显,离线式测量法和在线式测量法,在实际运用时,存在重大缺陷:
?工作量太大,耗时耗力,一年内无法保证对所有的蓄电池组进行一轮放电试验,亦即蓄电池组得不到及时有效的维护;
?这两种测量方法追求的是结果而不是过程,所以当发现该组蓄电池有质量问题时,可能问题在很早以前就存在了。也就是说,即使非常严格地按照维护规程进行着维护,仍然无法确保在用蓄电池的性能良好、保证通信网络的顺畅运行;
?离线全容量放电测试存在严重的安全隐患问题,操作不当会对系统供电安全造成严重的影响,同时严重浪费能源,而且放电结束后被测蓄电池组和系统存在巨大的压差,回接系统相当困难且危险。而一些单位采用定期的在线式放电测试,虽然这种在线式放电测试相比离线放电测试,操作较简单,也没有电能的浪费和电池组回接困难的问题。但是在线式放电测试是将系统电压降低,系统上所有的电池组同时对实际负载放电,如果市电停了,系统上就没有满容量的电池组,同样存在巨大的安全隐患问题。而在线式放电测试的放电深度不够,且放电不恒流,不能准确的测试出蓄电池的剩余容量,达不到检测蓄电池性能的目的,给系统维护留下安全隐患。
