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某科技大学高算UPS电源系统设备整机更换方案研究
随着业务量逐年增加，数据中心机房的计算机设备数量不断增多，用电量持续。目前，部分UPS系统容量已无法满足设备用电需求，甚至成为了后级机房的扩容瓶颈。
一、某科技大学高算UPS电源系统前后级供电架构分析
以业某大型数据中心为例，目前该数据中心在特定区域部署了6组UPS系统，每组装机容量为1600kVA，采用双母线2N冗余供电架构，分为A/B两路，且每个机房均有A/B两路UPS电源输入。同时，每组UPS系统前级两路市电输入来自不同变压器，均配备发电机组，市电中断或电压波动时发电机组可自动启动。此外，每组UPS系统包含了4台UPS主机、蓄电池以及配套的电源输入柜、集中输出旁路柜，并配备了一个3200A输入总开关、四个800A输入开关，且每台UPS主机配备了一组蓄电池（180AH、128节）。单组UPS系统结构如图1所示。
某科技大学高算UPS电源系统结构示意
二、陕西西安ups电源3C30KS/30KVA设备目前存在的问题
1、设备老化
上述陕西西安ups电源3C30KS/30KVA设备于2007年初正式投产运行，至今已超过14年，运行期间于2016年对部分部件（包括电容、电源板和散热风扇等）进行了更新，于2018年底完成了配套胶体蓄电池的更新。然而，随着该UPS设备使用年限的增长，设备不断老化、设备故障率逐渐升高，运行风险也随之逐步加大。为保障后级生产用电安全，急需对原有UPS进行整机更换，以提高UPS设备运行的稳定性。
2、设备容量不足
随着业务量逐年增加，数据中心机房的计算机设备数量不断增多，用电量持续。目前，上述UPS系统容量已无法满足设备用电需求，甚至成为了后级机房的扩容瓶颈。对此，数据中心在实现UPS设备更新的同时，需要对UPS设备进行扩容，以充分利用其他现有基础环境剩余资源，进一步提升机房容量。
3、集中旁路柜存在故障隐患
由于该UPS系统架构设计较早，采用了中央集中旁路并机架构模式。在此模式下，在旁路柜发生故障后，UPS将无法自动切换到旁路，存在单点故障隐患，且对旁路柜进行维护时，需要将UPS切换至维修旁路模式下运行，此时后级计算机设备由市电供电，如果市电发生波动或中断，可能影响后级计算机设备供电质量，维护风险较大。
4、UPS机组输入功率因数低、运行效率低
上述UPS机组为十多年前生产的工频机型，输入功率因数仅为0.9，满载时大输出功率因数仅为0.8，整机运行效率较低（约90%），大幅低于目前主流高频UPS机组的性能水平（输入功率因数0.99以上，大输出功率因数1，整机效率95%以上），不仅无法充分利用上级变压器容量，而且发热量较大，需配备相应的空调机组，从而造成了非必要的资源浪费。
三、陕西西安ups电源3C30KS/30KVA优化方案及实施建议
针对上述难点，本文根据目前该数据中心供电系统架构和电力资源使用现状，提出了一种通过搭建备用UPS供电链路实现UPS整机更换的可行方案。
1、陕西西安ups电源3C30KS/30KVA整体更换方案
对于有类似难题的数据中心而言，可考虑利用富余可用电力资源（包括有富余容量的变压器及其备用输出开关）构建一条备用UPS系统供电链路，即将富余变压器作为备用UPS系统的上级输入电源，而备用UPS系统的输出经输出柜通过电缆输送至待更换UPS系统对应的后级母排接插开关输出端，之后对接插开关按序依次进行割接操作，将待更换UPS系统后级负载切换至备用UPS系统供电，直至待更换UPS系统从现有供电链路中整体断电隔离，再对待更换UPS系统设备依次实施整体更换。此外，对于一般用户而言，如果在以上各方面都缺乏相应资源，还可考虑利用原有旁路，通过多次割接、腾挪置换的方案。备用UPS系统链路如图2所示。
备用陕西西安ups电源3C30KS/30KVA系统链路示意
2、备用陕西西安ups电源3C30KS/30KVA系统场地规划
在本文所述案例中，考虑场地空间、散热条件和UPS输入输出电缆距离等因素，新搭建的一组备用UPS系统计划部署在原UPS机房北侧电池间中间过道空地。同时，鉴于需要更换的UPS系统单组预计大负载约1600kVA，故备用UPS系统容量按2000kVA配置，备用UPS系统计划由4台500kVA高频UPS机组并机组成，采用分散式旁路架构，包括备用UPS系统配置输入柜1个（开关容量1000A×4）、并机输出柜1个（开关容量4000A）、蓄电池688节（43节×4组×4台）。其中，虽然500kVA高频UPS效率可达95%以上，但上述4台备用UPS系统满载发热量总体不高于100kW，而该处电池间空调制冷剩余量为120kW，因此无需额外增加空调资源，也可满足备用UPS系统运行环境要求。
3、备用UPS系统输入链路
在搭建备用UPS系统的过程中，通过评估数据中心现有10kV/0.4kV变压器容量使用情况，笔者发现目前4号变电站的8号变压器存在剩余容量，可充分满足后级备用UPS系统负载容量要求，且该变压器输出开关柜配有ATS系统，可与发电机联动，在市电中断或电压波动时也可完成自动切换，因此认定该变压器具备作为备用UPS系统输入电源的条件。
4、备用UPS系统输出链路
目前，上述数据中心机房UPS输出通过母排连接至机房强电间内对应的母排接插开关，接插开关再通过电缆连接至各机房区域配电柜，进而可为机房内计算机设备供电。同时，考虑到接插开关上桩头与UPS输出母排相连接，而母排拆装的施工时间长、难度和风险大，因此优化方案选择接插开关下桩头与机房区域配电柜输入电缆连接处作为备用UPS系统输出链路的接入点，从而将待更换UPS系统供电链路隔离断开，直接与机房区域配电柜输入电缆连接，为后级计算机设备供电。
5、原UPS系统整机更换
在更换过程中，上述方案选择在负载全部切换至备用UPS后，对原UPS系统进行下电并拆除，施工过程中后级机房由备用UPS维持两路UPS供电，因此对施工时间无特殊要求，且有充分时间对新装UPS机组进行安装和测试。此外，计划更新为4个500kVA高频机组，采用分散旁路结构，新装UPS机组较更换前容量提升25%，发热量降低50%。值得注意的是，在每组UPS系统整体更换期间，所对应的后级机房计算机设备在切换到备用UPS系统供电和恢复为新UPS系统供电的过程中，后级部分相关设备需两次处于单路UPS供电运行状态（每次约2小时），其他时间则均保持双路UPS供电状态。
综上所述，陕西西安ups电源3C30KS/30KVA基于上述优化方案，数据中心可对UPS系统全部相关配套设备进行整体更换，包括输入柜、旁路柜、UPS主机、蓄电池及其开关柜等。从成效来看，更换后UPS机组容量、效率和稳定性得到显著提升，为后级机房安全运行和后续扩容提供了可靠保障。
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA产品详情说明：
城堡系列 3C3 Pro（20-200kVA）是山特城堡3C3经典产品系列的全新换代产品，采用全数字化控制技术，集成了当代电力电子和自动控制领域的技术成果，为用户关键负载提供安全、可靠、稳定、环保的电力保障。
在延续城堡3C3系列UPS高可靠度和高适应性的同时，全新一代城堡3C3Pro提供了更大的功率、更低的TCO、更可靠的业务保障和更便捷的维护和管理。更大功率，配置灵活满足更多应用场景
单机200kVA，更高的功率密度，为您节省占地；
高达0.9输出功因，与当代IT设备高度匹配，适应性更广；
并机容量可达800kVA，满足不同容量规模的电力保护需要；
双/单输入可选，满足不同用户需求，灵活性更高；
电池节数连续可调，可灵活配置;
支持锂电池储能应用
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA更可靠保障， 为关键电力保驾护
标配防尘网，满足更多应用场景；
PCBA三防技术，提升系统可靠性；
N+X冗余并机技术，提升电力系统可靠性；
采用高可靠性关键元器件选型设计；
智能电池管理，为您延长高达50%电池寿命；
支持陕西西安ups电源3C30KS/30KVA电池状态检测、辅助电源检测；
标准配置双输入，供电更有保障。
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA更低TCO 为业主节省拥有成本
94%双转换模式效率；
98%节能模式效率，提升了电能转化效率，降低了运营成本；
占地面积小，可高达44%空间节省；
便捷安装，节省您的安装成本；
支持2台并机供电池组，节省您的初期投入成本和占地面积。。
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA更便捷维护和管理
模块化设计，易于维护，节省您的维护成本；
Winpower监控，可通过网页、APP监控、管理您的电力运行；
丰富配置，多种接口和板卡支持，满足您不同的通讯和监控需要；；
智能化管理，降低了日常UPS的维护难度；
全前方维护，节省服务空间；
标配滚轮易于现场移动及安装就位。
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA更灵活的电池配置
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA FX系列UPS可通过修改参数设定，弹性调整重配置的每组蓄电池节数(32节，30节，或28节)，通过比功能
可在UPS使用过程中，对蓄电池组中少量揾坏的电池进行剔除，从而有效解决困个别由池损坏而可能造成对整组蓄声
池寿命的
山特UPS不间断电源40KVA影响问题
注意:1，因篇幅所限，监控软件的安装，我们只提供山特UPS不间断电源40KVA安装过程的描述，且体安装图示不再列出，用户只要有其本的电
脑操作技能，均可在光盘的引导下顺利完成安装。
山特UPS不间断电源更小占地
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA进一步提升功率密度，采用紧凑型设计，产品占地面积得到大大降低。
较同级别其它产品相比，高可达65%以上的占地面积节省，为用户大幅节省了宝贵的机房空间，提高了机房利用率，降低了相应投入成本。
机型 宽(mm) 深(mm) 高(mm) 占地面积(m²)
80kVA 3C3 Pro 600 720 1200 0.43
其它机型A 1000 800 2000 0.80
其它机型B 600 850 1350 0.51
200kVA 3C3 Pro 600 830 1876 0.50
其它机型A 1800 800 2000 1.44
其它机型B 1420 745 1810 1.06
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA
数据中心陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成供电系统运维常见的人为故障类型
数据中心供电系统的可靠性是至关重要的。可想而知，无论IT设备多么、系统的功能多么优越、可靠性多么高，一旦停电，再好的系统也无法运转。所以对运行中设备维护保养的重要性不可忽视，可见维保人员肩上的担子是很重的。
运维的任务和无法解决的问题
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成为了保障供电系统的可靠运行，有很多地方都制定了很多很好的措施。但即使如此也有很多漏洞。设备出厂后的可靠性就已确定，比如有的先天不足，像有的电源输出隔离变压器绕组用铝漆包线代替了电缆铜漆包线，在满载运行时十有八九是要出事的……不过由于设备本身的质量问题而导致的故障统计表明不足30%，70%的故障来自后天。也就是人为故障，其表现如下：
1. 陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成选型不当导致的故障
(1)基本概念不清，易受厂家误导。比如某高速公路招标UPS，在标书中要求UPS要具有输入断一相或两相后电池不放电，还能继续供电的能力。因为有的厂家标榜他的UPS在输入断一相后电池不放电，UPS还有50%的供电能力;输入断两相后电池仍不放电，UPS还有25%的供电能力，延长了电池的使用寿命。用户就认为这个性能好，稍动脑筋不难发现其弊病：若想享受其优点必须购买4倍于负载容量的UPS，否则断一相后就带不动当前的负载了。话又说回来，如果UPS断的是输入开关后面的两条线怎么办?还修不修?何时修?是否完全断电后才能修?等等这一系列问题如何解决。如果用户真的按负载实际容量购买了这样的UPS，这就是莫大的隐患，这是靠运维解决不了的问题。
(2)不便说明的原因。比如有的用户从上个世纪就开始使用某品牌的机器，当时由于客观原因尽管输入功率因数低、效率低、体积大、耗电多和价格贵而无法也不便解决。现在比原来机型优越的多的新机型早已问世，比如新型的高频机结构UPS每一百千瓦每年要比原来工频机机结构的UPS节约5万度电，而这个几兆瓦容量的机房每年就可节约几百万度电。但由于某种原因，硬是放着节能设备不选而仍将那种耗能的机器写入标书，这样做还怕不保险，还把那种机器的结构特点写入标书。这不但增加了空调设备的投资和占地面积，无疑也为今后的运行埋下了隐患。这又是运维中无法解决的问题。
(3)追求低价格。有的用户认为UPS都一样，所以就追求低价格，结果导致故障。比如某高速公路指挥部贪图便宜，天装机，天就起火;某人寿保险公司低价格购进的机器，不到半年因UPS故障而烧毁几乎所有IT设备的输入电路，导致系统瘫痪;又如某多台UPS并联的兆瓦级数据中心，装机没有几个月因其中一台UPS中的一个逆变器功率管击穿而导致所有UPS跳闸……
2. 使用环境不当故障导致的故障
不按说明书上对环境的要求放置机器，甚至有的将UPS放在随便穿行的走廊、滴水的地下室。比如几台200kVA的UPS放在了屋顶只有一层预制板的平房，空调只是两台5P的舒适空调机，又如一个玻璃厂竟将UPS放在粉末飞扬的厂房内，等等。导致了频繁故障。
3. 制度不健全导致的故障
比如有的值班人员随便将电炉子、电饭煲和吸尘器接在UPS上，导致过载跳闸;有的值班人员的食物引来老鼠钻入机器而导致起火……
4. 交接故障
这类故障主要是由于管理人员的前后不是一拨人或配合不好造成。比如某火车站售票系统，前面值机人员由于移动机器位置而将UPS的外接电池组断开，事后又未向后来者交代，结果造成了市电和UPS同时停电的故障……
5. 经验故障
经验是不可缺少的，是的财富。但经验有其相对性，即在某种UPS上得到的经验不一定完全适合另一种UPS，否则就会导致故障。某电信局由于不看说明书而用同样的方法启动另一品牌机器导致逆变器烧毁。
6. 失察故障
一些器件在运行中会出现老化或早期失效，如不及时检查发现就会导致故障。这些在自动监控中是无法发现的。比如因老化而开始弯曲的保险丝，电池结构螺丝的松动，电池长时间放电后使电池壳有微细的裂缝等，如不及时发现或发现后没有及时处理都可造成故障。
7. 仓促上阵导致的故障
搞维修保养来不得半点急躁，要考虑周全后再动手。某公司工程师要对一用户正在运行的UPS进行检修，按照规定要用维修旁路开关将UPS退出后再检修，但按照程序需先启动自动旁路，而后再闭合维修旁路的闸刀。也许该工程是还有其他急事要办，进机房后未经考虑就闭合了维修旁路闸刀，结果造成逆变器功率管。
8. 维护不当导致的二次故障
对UPS的定期维护是必要的，但应有一套严格的管理程序。那些不负责任、不按规定要求进行定期或不定期保养是导致机器故障的重要原因。另外，在维护保养时也可导致故障，比如用万用表探针测量电路板电位时，探针将两点短路导致故障。一用户作电池放电时，将电池从UPS上摘下，放电后将电池接回时机型解放，导致电流。又如一工程师在更换离心风机时不小心活动扳手一打滑打在了控制板上，当时没有在意，风机换好后不能开机，检查发现一条器件腿被打断了……
9. 静电导致的故障
某机房按例停机保养，但保养后却无法开机。检查后发现一个组件电压击穿，回忆维保过程发现该控制板用塑料牙刷扫过灰尘。塑料在干燥器件的表面可产生几千伏的摩擦静电电压，由于机器内小信号电路使用了一些MOS器件，这些器件耐压很低而且怕静电。经测量一个普通塑料袋，用电路板摩擦一下就可产生3000V的静电电压。所以在检查这些电路板时好手腕上要套一个接地环。
10. 过分自信导致的故障
做事情自信是成功的基础，但过分自信有时就会出错。比如某银行在UPS运行了8年后就应该更新设备，厂家也多次提醒。由于该UPS8年来很少出问题，所以用户负责人屡次回答“不用更新”，结果几个月后该UPS因老化故障而停止供电两小时，导致业务也中断两小时，损失很大。
根据上的统计资料，5年标称的电池服务寿命多不超过3年。在平时不保养的情况下，一般2年就应该更换。某飞机场候机厅电池原配4h，3年后仍不更换，一次外电网停电，UPS后备时间只剩4h，由于停电造成了损失……
像类似的人为故障现象还有很多，就不一一例举了。
归根到底，陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成系统的选型是关，这一道关把不住首先就种下了隐患的种子。陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成系统的连接是关，有了好的设备，如果没有好的连接方案，也会埋下隐患。某电视台由于连接方案被厂家误导。十几套节目的供电UPS故障接连不断，而且大都是有惊无险，一连几年都是这样，使维保人员提心吊胆、伤透了脑筋。连接方案是一个工程，不是维保人员左右的了的。无奈只好在重大活动和节日令厂家工程师前来值班。这又有什么用呢?陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算UPS电源系统集成厂家的工程师到此也只能是给用户心理上以安慰。
陕西西安ups电源3C30KS/30KVA某科技大学高算
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