| 摘要：作为供电系统和用电负载端在目前还都是从电网中获得交流电，再将交流电进行加工后才能用到我们的日常工作和生活中。换言之，交流电已和我们的生活息息相关，因此对交流电的知识必须有所了解。 |
有很多数据中心机房出于可靠性的目的采用了双市电供电方案。至于双市电供电线路如何与UPS连接，各用户却有着自己的方案。正是由于UPS接入方式的不同也导致了一些莫名其妙的故障，现分几种接入情况讨论如下。
一、两路市电接入同一台UPS
有的厂家说他的UPS可以接入两路市电，一路接到输入整流器输入端，另一路接到旁路输入端，如图17（a）所示。这样的接法应该没问题，但可惜的是以前的UPS不是这样设计的，原来的设计是UPS输出电压一直跟踪旁路，而旁路在原设计中是与整流输入接在一起的，所以不论旁路电压还是整流器输入电压只要有一个异常，就改由电池放电。在这里就出现了几个问题：
1.违背了原来的初衷
双路供电的初衷是一路供电，一路备用。而这样的接法是两路全用上了，因为原来的设计是UPS输出电压的频率和相位一直跟踪旁路。所以旁路虽然不供电，但起着参考的作用，这就不是一主一备了。这个方案的提出主要是方案提出者还不清楚UPS的基本原理。
2.造成了工作状态的混乱
如图17（a）所示，如果市电2正常而市电1故障，电池是否放电？若按原设计电池应该放电，而在这里就不需要放电。将原来的电池放电条件更改就必须现场修改控制板电路，实际上将这里的信号或断掉或更改，就导致在这一点取信号的其它环节也改变了条件，于是就引发了一连串的问题：有时某些监控信号不见了，有时UPA无缘无故转旁路，造成了一次次恐慌。某电视台采用了这种方案，12套电视节目采用了12套60kVA两家国外进口的UPS，结果从安装上那一天起就麻烦不断，在笔者介入的3年中该供电机房屡屡告警，到最后每逢节日或重大活动期间只好请这两家的工程师到场值班保驾。
3.削弱了UPS对负载的保护功能
一旦整流器输入端的市电2故障，就必须电池放电（如果此时不让电池，那就意味着不论市电1还是市电2故障电池都不放电，只有两路市电同时故障时电池才放电。一般在双路市电的情况下电池的后备时间大都选在30min左右，一旦30min后市电未恢复正常，整个机房将全部断电。
如果市电2故障时电池放电，30min后就改由旁路上的市电1供电，此时负载整个都由市电供电，一直到市电2恢复正常，但这个过程一般会很长，原因是干路电源不容易出故障，一旦出了故障一般都不会迅速修好。那么在这个时段（几十分钟甚至几个小时）内市电上的所有干扰和本身的起伏变化都会对负载造成压力甚至损坏。
目前有一种重新设计的N+X模块化冗余电源可以利用，如图17（b）所示，在这里有几个改进：旁路市电故障时不放电，在此考虑了从这一点取电压信号的各环节情况；另一方面是N+X模块化冗余，相当于双机并联工作，而且容量只做到25kVA。但仍存在电池放电后旁路市电供电的隐患。
所以此连接方案要慎用或不用。
图17双市电供电的连接的方法
二、并联冗余的两台UPS各接一路市电变压器
如图8.15所示就是这种方案的连接原理图。这种连接在电源正常工作时不会有什么问题。因为并联冗余连接的两台UPS，首先开机的那一台就当然地成为主机，后开机的一台跟踪前者。其中隐患出现在UPS切换到旁路供电时，因为并联冗余连接的UPS只要却换到旁路就全部一起切换，这时就构成了两路市电的变压器直接并联，遗憾的是没有两台一模一样的变压器，没有完全一样的变压器输出电压和没有两个完全一样的电压相移，这就造成了令各变压器之间的电压差，由于两个电网电压都是不可调整的，这就造成了二者之间的固定电压差，从而产生出很大的环流叠加于负载电流之上，如图18箭头所示，如果两个变压器的压差足够大，所产生的电流足可以将旁路（Bypass）静态开关烧断，否则就会导致电缆或变压器起火，一直到京贿赂烧断为止。当然，除非断路器跳闸。
所以此连接方案也要慎用或不用。
图18并联冗余的两台UPS各接一路市电变压器
三、两路市电互投为一路后再供给UPS
图19示出了这种情况。这样将两路市电互投为一路后就满足了一主一备的初衷，比如开始用市电1，市电1故障后就切换到市电2继续供电。在市电切换中的间隔断电时间里由UPS的电池组放电来填补。这样一来，后面的负载就“全天候”地处在UPS的保护之下，同时也满足了一般UPS整流器输入端和旁路（Bypass）都接到同一输入端的原始设计，省去了好多麻烦。
图19两路市电互投为一路后再供给UPS的原理图
4.3UPS的冗余并联与双总线
前面讨论了UPS输入端的连接方式，图20所示为UPS输出的供电方式。在UPS单机供电的情况下，供电的可靠性和可用性一般没有保证。单机供电时的UPS故障因需要停机修理，供电不得不停止。当然UPS停机修理时尚有维修旁路用市电供电，但此时的供电质量就没有保障了。一般将旁路供电视为应急供电状况，至于能否保证IT设备正常运行就难说了。比如上海某研究所在旁路供电期间，供电局正在维修外电网，不慎使380V线路碰上了11kV高压一下，结果该机房8台磁带机和几台计算机被烧毁；成都某大学机房在旁路供电期间正巧附近一个雷电闪过，将服务器给烧了。
（a）两台UPS并联冗余结构
（b）双机双总线供电结构
图20UPS供电方案
尽管目前已有的UPS制造商几经改进，在旁路供电时逆变器就作为有源滤波器工作，这解决了很大问题，可惜这项技术只掌握在少数厂家手中。所以产品面不广，目前还是以多级冗余并联手段提高可靠性为主。
一、双机冗余并联与双总线直接供电
1.双机冗余并联
双机冗余并联供电方式是很早就采用的一种方案，至今仍有着很高的价值。原因是这种方式的可靠性很高，而且已为实践所证明。双机冗余并联一般习惯称为1+1冗余方式，意思是说实际负载量小于其中一台的容量，即备用量是100%。目前也有的厂家声称不同容量的UPS也可并联，但实际意义不大。比如100kVA与50kVAUPS并联，但其中负载量必须小于50kVA，否则其冗余量有时就派不上用场。比如负载容量是80kVA，在供电中如果是50kVAUPS故障尚可应对，但万一是100kVAUPS故障，就没有任何缓冲的余地，负载只好停机。所以，一般冗余并联的UPS都是用容量和同规格的，当然也是同一厂家的。不同容量的UPS并联只可做增容用。双机冗余并联UPS的可靠性能提高多少？不妨看一个例子。
图20（a）中所示是两台UPS并联冗余结构，假如每台UPS的可靠性r=0.99，即故障率是0.01，即1%。此时，这个供电系统的可靠性就R是：
故障率
从1%（万分之一百）减到万分之一，可靠性比单台提高了两个数量级。
图20（b）中所示是为双电源IT设备供电的双机双总线直接供电结构，如果忽略当中的电缆与开关（因为双机冗余并联也有这些机构，为了有个量的概念以后都将此环节忽略），虽然和图20（a）相比，看起来不是直接并联，实际上在负载端也已经并联了，所以其可靠性与故障率和双机冗余并联一样。都是很好的方案。
有一个问题：双机冗余并联的UPS系统可以给双电源IT设备供电吗？同样是可以的。只要将输出分成两路就可以了。
图21双机冗余并联的UPS系统供电方式
这对于单相输入/输出UPS来说尚可分开，那么对三项输入/输出的UPS而言又如何连接呢？只要像图21所示，如果是IT单相输入电源设备，就照图上的A相B相份开工就可以了，如果是IT三相输入电源设备，就直接分成两路即可。
二、双机互为备用的供电情况
由于UPS技术的发展，那种用串联热备份来提高可靠性的方法用得少了，现在多用冗余并联。但由于静态开关STS的介入又将这平静的水面吹起一阵涟漪。推销者介绍说并联冗余不可靠，照图22（a）的连接方案最可靠。其工作方式是如果开始UPS1供电，当UPS1故障时，静态开关就将负载切换到UPS2上。这仍然是一种串联热备份供电方式，即和串联热备份的功能一样：一台工作另一台备用，一台过载另一台也过载。它不像双机冗余并联那样具有双倍的过载能力。这种方案的系统可靠性如何？用的双机互为备用的可靠性模型来进行计算。在这里仍设所有单元设备的可靠性r=0.99，就可以计算出该系统的可靠性R：
系统增加了STS后可靠性从双机冗余并联时的0.9999降低到0.9996，其故障率从双机冗余并联时的万分之一，增加到
万分之四。而最原始的串联热备份不加任何外来环节时的故障率才万分之二。再就是一台STS几乎是同容量UPS的两倍价格。所以这里的第一印象就是：并不是花钱越多可靠性越高。
图22双机互为备用的供电情况
三、对G4标准不适当的应用
目前有一些数据中心机房建设引用了美国的所谓G4标准，这个标准是说建设哪一级的机房可采用哪一级的标准。G4标准对可靠性要求很高，所以要用高可靠性的手段去实现。但结果是往往名义上是实现G4标准而实际上作出的结果其可靠性还不如G3。
图23表示的是一种实现G4标准的UPS系统结构图。从图中可以看出，双路市电是必须的，当然这里没有提到后备发电机，实际上在需要G4等级的信息中心机房时需要发电机的，在这里暂且不提。既然是双路市电供电，那么互投开关ATS是必须的，如图中所示。在每一路UPS的输出端又都配置了价格不菲的静态开关STS，目的是为了在任一路电源故障时
STS能不失时机地将另一路电源接入，能保证负载连续运行下去。又考虑到电源之间的切换需要平滑，甚至是零切换时间，在图中又加入了“同步器”，目的是让一路UPS的输出电压与另一组UPS一致。而另一组UPS的输出电压则跟踪自己的输入市电。比如对应市电2的一组UPS跟踪对应市电1的一组UPS，换言之，就是跟踪市电1。当然必须遵守的原则：负载一定小于其中任何一路电源的额定容量。
图23一种实现G4标准的UPS系统结构图
为了万无一失，以上的考虑不算不周密。但仍没考虑到其中的隐患：在前面有关章节中已提到计算机工作的特性是一条具有一个很高峰值的震荡曲线。在工作中由于这些峰值是各自分散的，对供电电源而言呈现起伏不大的“平稳”功率，但往往会出现这些峰值同步的运行情况，此时几乎所有峰值叠加，就会短时间出现比平均值高几倍的峰值功率的索取，如果此时UPS本身不能承受，按照设计原则就不需及时将负载切换到旁路有市电供电，加入是对应市电2的一组UPS出现了这种状况而需要切换到旁路，如果此时市电1和市电2正好同相，则这种切换不成问题。否则，二者相位相差很多，甚至差到无法切换的程度（一般相位差超过3就拒绝切换了），此时对应市电2的这一路逆变器已关掉，旁路又切换不过去，只有靠STS来切换，不过此时的峰值负载切换到对应市电1的一组UPS上去。可想而知，原来对应市电1的一组UPS还有自己的负载，如果再加上这个峰值负载就更不能承受，仍然要切换到市电1上去。万一此时市电1出现状况，比如附近有大的雷电侵入，本来遭受雷击的应该只有市电2的一路负载，结果现在是全部负载均遭雷击。用G4标准就得用好，用不好就是花钱买不可靠。
当然，这种情况很少见，但也不是没有。比如1999年深圳宝安机场信标站机房就是由于近处闪过一次雷电，将机房设备烧毁；更早些时候，中央气象局机房也遭雷击；成都某大学机房服务器也在UPS旁路模式下被雷击毁；广州新白云机场花都雷达站机房设备以前屡遭雷击，深圳欢乐谷尽管地处平地，机房设备以前也屡遭雷击，等等。意思是说，电网中的感应雷电压浪涌有很大的破坏力，处理不好就深受其祸，问题是这也是花了巨资的，不能抱侥幸心理。
四、一个“应用”G4标准的例子
1.原配置方案
该机房面积不足300m2，IT设备用功率不足100kVA，该机房的设计者也是一心想采用先进的设备，比如当时红极一时的EPS，当今UPS的方向产品——高频机和模块化等。如图
24（a）所示。因为G4中没有涉及EPS，所以在此不提。这里和图23不同之处只是两路都是100kVA单机。再就是多加了两台变压器，大概设计者认为变压器可以抗干扰和缓冲之类的功能。这在前面已经讨论了一般电源变压器的功能就是产生隔离接地点和变压，则其它功能不过是良好的愿望。设置同步器LBS是为了零切换，但产品指标中仍有“切换时间4～6ms”的描述，这和Cyberex公司的“在任何情况下切换时间小于四分之一周期（5ms）”的描述无多大区别，所不同的是Cyberex公司这“小于四分之一周期“是在不加任何同步器的情况下实现的。图24（b）是图（a）主体电源部分的可靠性模型，所以这样做是因为UPS前面的输入配电和后面的输出配电都是大家所共有的，因此不做比较。在这里仍设所有设备的可靠性都一样，都是r=0.99，这时该部分的可靠性RS就是：
其故障率就是：
接近万分之十六。
（a）系统结构配置图
（b）系统结构可靠性模型图
图24某信息中心机房的供电系统结构图
2.改进方案一
如果将图24（a）主体电源部分中的其它非电源部分去掉，而改成3台UPS冗余并联
结构，如图25（a）所示。在2+1模式时，其可靠性模型如图25（b）所示，为了平等的比较，各单元的可靠性假设条件不变，这时该部分的可靠性
其故障率就是：
大约万分之二。如果此时机房再增容也留有余地，负载可以增容到200kVA一下。如果IT容量量不增加，那就是1+2配置。其可靠性
故障率就是：
可靠性踢得非常高。远不是式（8-32）的结果可以比拟的。
图253台UPS冗余并联时的情况
这样做的好处就在于：如果UPS输入端配电和输出端配电即使有再高的可靠性，比如输入和输出的可靠性都是5个“9”，即0.99999，但经过图24的主体电源部分后，整个供电系统的可靠性RT1也会降到3个“9”以下，即：
将整个供电系统的可靠性降低到不足3个“9”。
而若用图25的3台UPS冗余并联方案，和前后5个“9”的环节配合后，其供电系统的可靠性RT2就是：
保持了近5个“9”的可靠性指标。而且还节约了大批的资金。
3.改进方案二
如果设计者一定要采用图23的双机双总线加互备切换方案，其实也不一定采用昂贵的静态开关STS，图26（a）所示就是这样的简化方案。在两台UPS双总线输出端连接一个母联开关（实际上也是有可控硅组成的静态开关），在正常供电时，该母联开关是断开的，两个UPS输出各行其是。如图中所示，各自向自己的负载和双电源负载供电。若其中一台因故障而无输出，比如使UPS1，这时母联开关被启动而导通，将两个UPS输出并联在一起，实现了资源共享。在这里比图23少了很多设备：两台100kVA变压器、一个同步器、¾组静态开关。在该方案中只用了一组图26（b）所示的三相静态开关，而图23种却用了26（c）所示的四组三相静态开关。这一改变减少了设备量提高了可靠性。
图26用母联开关实现和用STS实现两台互备时的比较
所以在使用静态开关STS时不能说因为其切换时间短、寿命长等优点就不考虑其它，一般说双总线毕竟要用两倍以上的设备量。双总线供电用得好皆大欢喜，用不好就是花钱买低可靠性。在甚么情况下采用双总线方案比较合适呢？一般说当可靠性与容量出现矛盾时。
例如一个用户的负载容量为2500kVA，已选定某产品400kVAUPS，要求供电电源可靠性要达到3个“9”。如果仍设单机可靠性r=0.99，最多只能7+1冗余并联时，其可靠性就是：
满足了设计要求。
但如果要求可靠性为5个“9”，显然上述结果就不能满足要求了。不过当6+2配置时：
可满足设计要求，但容量却只有2400kVA，又比2500kVA小了。在这种情况下只好用2组7+1作双总线连接。但此时决不能串入STS切换开关，因又多了一个串联环节，可靠性就又不够了。用母联开关就可满足要求了。
4.改进方案三
在很多地方IT都是或大部分是双电源输入，这就要求供电电源也应该是双路的，有的人就借助计算机总线的说法起名“双总线”。这个词不翼而飞，凡是双路供电的地方就都赋予了双总线的名字。也有不少地方为了提高可靠性，将本来已是类似1+1冗余并联效果的双总线结构又在每一路并上了一台，构成了固定式（1+1）2双总线结构，如图27（a）所示。使
（a）固定式（1+1）2双总线结构
（b）切换式（1+1）2双总线结构
图27两种不同形式的（1+1）2双总线结构
成本增加很多，使得原来紧张的机房面积和资金“冰上加霜”。实际上如果认为用前面的母联开关还达不到可靠性的要求，也可采用图27（b）的配置方式减少一台UPS，其效果也不错。其原理事是，当处于双总线位置的两台UPS1和UPS2正常工作时，第三台UPS3的输出处于悬空位置2，如图27（b）所示。一旦其中一台比如UPS1故障，UPS3转换开关S的触头就转到1的位置，以代替UPS1继续供电。
责任编辑：尕刺
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