机房UPS电源系统供电保障意义

机房UPS电源系统供电保障意义
 

从大型IDC数据中心、企事业信息中心机房到边缘计算中心,万物互联的5G时代已经来临。机房正常运行须依托良好的供配电系统,在这个系统中不仅要解决计算机设备的用电问题,还要解决保障计算机设备正常运行的其它附属设备的供配电问题。计算机机房供电系统根据计算机的性能、用途和运行方式(是否联网)等情况,划分为A、B、C三级(见下表)。
 

级别 A级 B级 C级
稳态电压偏移范围(%) ±5 ±7 +10~-15
稳态频率偏移范围(HZ) ±0.2 ±0.5 ±1
电压波形畸变率(%) 3~5 5~8 8~10
瞬时断电允许时间(ms) 0~4 4~200 200~1500
 

对于机房而言,纯净且不间断电源供至关重要。公用电网常常会遭遇自发的电压变化,甚至电源中断;有效的解决之道是借助不间断电源系统(UPS),以保证供电连续且稳定,并过滤瞬变和谐波输出纯净电源。普遍的认知是“通常情况下,除了偶发的断电事故外,市电是连续和恒定”。其实不然,我们国家供电电源质量标准有如下界定;实际上,部分地区往往达不到这个标准依然供电,有时电压低至连家用灯泡也带不起来。
 

电网 电压波动 频率
≥ 400万kW ±5% 50±0.2Hz
≤ 400万kW ±7% 50±0.5Hz
 

作为公共电网,市电系统连接了数量庞大且类型繁多的负载。其中,部分大功率感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能,还会反过来对电网本身造成影响,恶化电网或局部电网的供电品质,造成市电电压波形畸变或频率漂移。诸如地震、雷击、输变电系统短路或短路等自然事件以及人为事故,往往会产生电能质量问题。对于机房的计算机系统和精密仪器设备而言,对其运行产生干扰或破坏的电能质量问题主要有以下几种:

  • 电涌(power surges):输出电压有效值高于额定值110%,而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时,电网因突然卸载而产生的高压。
  • 高压尖脉冲(high voltage spikes):指峰值达6000v,持续时间从万分之一秒至二分之一周期(10ms)的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。
  • 暂态过电压(switching transients):峰值电压高达 20000V,但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲,只是在解决方法上会有区别。
  • 电压下陷(power sags):市电电压有效值介于额定值的80%至85%之间的低压状态,并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机,大型电动机启动,或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。
  • 电线噪声(electrical line noise):指射频干扰(RFI)和电磁干扰(EFI)以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等,都会引起线噪声干扰。
  • 频率偏移(frequency variation):市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行,或由频率不稳定的电源供电所致。
  • 持续低电压(brownout):市电电压有效值低于额定值,并且持续较长时间。产生原因:大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。
  • 市电中断(power fai1):市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况。产生原因:线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。
 

对于机房的电脑和服务器来说,显示器及主机工作都需要正常的电力供应。尤其是内存,对电源的要求更高。内存是一种依赖电能的存储设备,需要不断地刷新动作来保持存储内容;一旦断电,所保存的内容立即消失;如果非正常断电,导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上,就会造成信息因完全丢失或变得不完整而失去价值,从而浪费大量的工作精力、时间、甚至造成巨大的经济损失。而UNIX这样的操作系统,如果不正常关机,内存中的系统信息没有回写到硬盘上,还可能造成系统崩溃,无法再次启动。此外,机房电脑中的硬盘,虽然应用的是磁存储介质,不会因断电而损失信息,但突然的电力故障会使正在进行读写工作的硬盘物理磁头损坏,或者系统文件在维护文件系统时,造成文件分配表错误,从而造成整个硬盘的报废。另外,现行的操作系统大都能设置虚拟内存,由于突然的断电,使系统来不及取消虚拟内存,从而造成硬盘中的“信息碎片”,不仅浪费了硬盘存储空间,还会导致机器运行缓慢。电脑电源是一种整流电源,过高的电压可能会造成整流器烧毁。而电压尖脉冲和暂态过电压以及电源杂讯等干扰都可能通过整流器进入主机板,影响机器的正常工作,甚至烧毁主机线路。总之,电力问题是计算机工作的重大威胁。但是随着计算机和网络应用的日益重要和广泛,安全可靠的电源已是网络设计和管理人员不得不认真面对的重要问题。
 

机房UPS电源系统实现不停电供电系统,市电一旦掉电(停电),后备电源几乎是在无断点的状况下,对原有负荷继续供电。使用机房UPS电源可以大大提高供电的可靠性,备用电源和正在负荷供电的电源保持锁相,即同压、同频、同相位。机房UPS电源允许较宽范围的电压及频率,经过双转化过程输出纯净电源;即便市电超出输入范围,UPS电源也会切换至电池模式,在电源切换时供电不会中断,也不会产生强烈的电弧干扰;机房服务器不会丢失信息和数据,保护了机房计算机设备,特别是硬盘。