一、概述
　　
　　数据中心的电源分配方法各有不同,图1提供了一种提高架式安装设备可用性的方法,不过也可用于单个设备之中。根据不同可用性的目标要求来选择不同的供电方法。图1和图2就是在一个架式结构的数据中心经常采用的电源分配方法。
　　
　　图1是一种典型的架式电源分配结构,用于中小规模数据中心和HUB中的情况。这种配置考虑了容易移动的UPS内部电池和浪涌保护模块;图2是一个大型集中供电UPS情况,这是一个更有通用性的结构,在这个图中,被分配到机架上的电源都不是冗余的。尽管如此,为了保证供电的连续性,在当前供电系统中,也有一些单电源设备采用了双市电供电结构,即一主一备的2N供电模式。这样一来,当主电源故障时,就需要将备用电源及时地切换上去。所以,另一些电气结构就是一种将负载从一个电源切换到另一个电源的转换开关装置。这种转换开关有两种类型:一种是静态开关STS(Static Transfer Switch),另一种是常用的自动转换开关ATS(AutomaticTransfer Switch)。这两种设备的控制功率范围一是从1kW到1MW以上。其原理图如图3所示,对于ATS来说,转换开关S1和S2是继电器,对于STS来说S1和S2就是由可控硅(也称静闸管)构成的静态开关。它的作用就是当正在供电的电源(比如电源A)出现故障时,冗余转换开关就会及时地将备用电源(比如电源B)及时地替换上去,以保证供电的连续性。

　　
　　图4示出了冗余转换开关一般外形图。图4(a)是机架安装式3相6kVA的ATS,比如机架负荷量为2kW时,用这种ATS就足够了,但若采用每层1U高度的机架,内装刀片式服务器(BladeServer),在42U机柜高度时,其功耗可达到10～20kW,当然,那时尽可能采用STS。因为,如果在这种情况下仍采用ATS,其切换时间有可能达到供电不可容忍的地步。在更大容量情况下的STS结构,就如图4(b)所示的柜式结构。
　　
　　二、STS的切换机理
　　
　　2.1 STS的结构原理
　　
　　STS的切换时间可以小于1/4周期,即小于5ms。但它的切换无论如何是有间断的,这和UPS静态旁路开关的动作有所不同。其原因是先断后合,要保证这种开关在任何情况下都可以成功地切换,由于被切换的几个电源的相位不一定互相跟踪,被切换的几个电源的频率也不一定可自由调整,比如市电和发电机之间、交流稳压器和发电机之间、交流稳压器和交流稳压器之间等等,而这些情况又都是常见的。如果只限于同步切换的设计思想,势必限制了它的适用范围和市场效益。
　　
　　图5(a)示出了一个单相STS的结构原理方框图。由图中可以看出,它是由两对背靠背连接的可控硅构成,如果是三相,就由六对背靠背连接的可控硅构成,每三对就是一套,如图5(b)所示,这和UPS旁路静态开关的结构一样,其切换的原理也一样,都是当供电的一路电源故障时(UPS切换的一种原因),将负载切换到备用的一路上去;但切换的控制原理却有一些差别,UPS讲究的是同步跟踪时的零切换。而这里虽然也有这种情况的切换,但更多的是不需同步跟踪时的非零时间切换。
　　
　　2.2 STS的切换机理
　　
　　2.2.1 二电源同频同相位情况下的切换
　　
　　图6示出了二电源同步同相位情况下的切换。图中电源A和电源B是完全同步同相位的,比如二电源都来自同一个电源变压器,就是这种情况。此时的切换就是一种理想的情况,假如检测出电源A故障,马上触发开关SB,但此时比如电压过高,SA并不马上关掉,而是继续导通继续输出电源A电压,一直到正弦波电压过零,过零后的下一周期才是B电压经开关SB送出。这时电压波形都是连续的。如果是电源A电压过低,B电压经开关SB马上送出,切换后的交流波形是连续的,整流滤波波形都如图6所示。
　　
　　2.2.2二电源同频不同相情况下的切换
　　
　　在UPS中,当逆变器输出电压与旁路电压不同相时就不能进行切换,但在STS中就取消了这个禁令。当然,在控制上也就有所不同:对应后备电源的可控硅只有确认正在导通的那只可控硅截止后才被打开。在这种情况下的切换时间是多大呢?从理论上说是小于四分之一周期,是否都是如此呢,下面分两种情况进行讨论。图7示出了二电源非同相情况下的切换波形。
　　
　　(1)二电源相位差<90°的情况
　　
　　图7所示就是二电源相位差<90°的情况。当一电源(如电源A)在t1的前一瞬间出现故障,测量电路感知后就通过控制电路在t1取消对应电源A的可控硅控制信号,但由于对应电源A的可控硅在t1前就已经处于导通状态,由于可控硅是半控器件,所以根据它的特性规定仍继续导通,虽然取消了控制信号,也一直到正弦波过0才截止,而对应电源B的可控硅在t1时并不被触发,一直到电源A的正弦波过0后,测得输出为零和确认(延迟几毫秒)后,比如到t2才被触发,将电源B接替上去。由图中可以看出,电源B的开始导通时间t2和0之间小于90°,也就是小于1/4周期(5ms)。
　　
　　(2)二电源相位差>90°的情况
　　
　　图8所示就是二电源相位差>90°的情况。当一电源(如电源A)在t1的前一瞬间出现故障时,测量电路感知后就通过控制电路在t1取消对应电源A的可控硅控制信号,由于对应电源A的可控硅在t1前就已经处于导通状态,更由于可控硅是半控器件,不能马上截止,所以根据它的特性规定仍继续导通,尽管取消了控制信号,也要一直到正弦波过0才截止,而对应电源B的可控硅由于此时的电压幅度仍小于电压A,加的是反向电压,所以在t1时并不被触发,一直到电源A的正弦波幅度小于B电源幅度一定值时,也即到电压B大于电压A一定值时马上被开通,将电源B接替上去。由图中可以看出,电源B的开始导通时间t2和0之间小于90°,这个过程是小于1/4周期(5ms)。
　　
　　(3)二电源相位差=90°的情况
　　
　　图9所示就是二电源相位差=90°的情况。这种情况介于二电源相位差<90°和二电源相位差>90°情况之间。当一电源(如电源A)在t1=90°的一瞬间出现故障时,测量电路感知后就通过控制电路在t1取消对应电源A的可控硅控制信号,由于对应电源A的可控硅在t1前就已经处于导通状态,也是由于可控硅是半控器件,不能马上截止,所以根据它的特性规定仍继续导通,尽管取消了控制信号,也要一直到电源A正弦波电压幅值小于电源B正弦波电压幅值才截止,而对应电源B的可控硅由于此时的电压幅度仍小于电压A,加的是反向电压,所以在t1时并不被触发,一直到电源A的正弦波过和电源B的正弦波幅值差达到一定值后B路开关马上开通,将电源B接替上去。由图中可以看出,电源B的开始导通时间t2和0之间小于90°,也就是小于1/4周期(5ms)。当然在许多特殊场合比如同频同相时,其切换时间可为零,一般在不用同步器LBS的情况下也都都远远小于5ms。
　　
　　综上所述,采用静态开关(STS)切换UPS输出电压的间隔时间不会大于5ms,根据IBM和HP的实验,当市电断电时其内部电源所储存的能量可以维持设备满负荷运行50ms以上,笔者也在几个不同的场合得到了证明。
　　
　　以上讨论的几种大相位差的的情况市电和交流稳压器的情况下是不会出现的,这些情况多出现在市电与后备发电机互相切换的场合。而UPS之间的切换都时零或接近于零时间。目前市电与后备发电机互相切换或市电与市电之间的切换还是以ATS为主。在这里值得注意的是最好用带旁路辅助旁路的3P设备,将机房中的所有零线(中线)连接在一起,这样做的目的可有效地提高供电设备的安全性。
　　
　　三、配套STS切换的几种组合方案
　　
　　3.1不恰当使用STS的方案
　　
　　3.1.1一个不恰当使用STS的设计方案(1)
　　
　　图10示出了一航空港不恰当使用STS的设计方案。该航空港购置了两台630kVA容量的UPS,为了让数据中心一部分关键设备安全冗余用电设计者就给出了用10台大功率STS设备进行切换的方案,据说这是当时最先进的设计。但当时该10台大功率STS设备的购价需500万人民币,这甚至比UPS的购价还贵,无疑给用户带来了巨大的压力。

　　
　　无奈之下用户抱着试一试的心里请来了外面专家进行试探论证。在专家的询问下了解到该数据中心大部分IT设备是双电源输入,只有一部分不到100台小功率单电源输入的服务器,并了解到这些小功率设备用电量不超过2000VA。正好当时有一种10A的小功率msts,不过这种小功率msts的切换机构不是可控硅,而是快速继电器,其切换时间为10ms,能不能满足设备的要求用户心理没底,但根据IBM和HP的实验绝对没问题,当然那是对进口设备而言,需要实地实验方可确定。经反复实验证明此方案可行,于是专家给出了图11的节能配电方案。
　　
　　图11方案表明数据中心的一般单电源设备和双电源设备由两台UPS直供,只是给关键用电设备配备了msts。这种小功率的msts当时的售价是3000元人民币,不到100台的msts不足300,000元人民币。
　　
　　该方案不但节约了投资还带来了节能的效果。图12给出了单台STS和msts的结构对比图。从图中可以看出msts的触点接触电压几乎为零,基本不消耗功率。而大电流STS每一台始终有一半可控硅在导通。若按带载率50%计算,每台STS平均63kVA,三相每台每相分得21kVA,每路位7kVA,电流I为:
　　
　　三相按100A计算,可控硅导通压降按1V计算就是100W,10台就是1kW,那么一年就消耗有功率P为:
　　
　　P=1kW×60s×8765h=525,900kWh(2)
　　
　　就是说每年可解约525,900度电。
　　
　　3.1.2一个不恰当使用STS的设计方案(2)
　　
　　在使用STS时存在一些误区,尤其是刚刚开始出现时有些用户追求时髦,在没有奴清楚原理的的情况下就大胆使用。图12示出了一金融单位和一个航空港的使用例子。这两个用户为了提高供电的可靠性采用了双电源并联冗余供电的方案如图12(a)所示。但由于缺乏这方面的知识,在产品销售员的劝说下毅然放弃了原来的供电方案而改用了STS切换供电模式,图12(b)所示。岂不知他们这一改变给他们带来了劳民伤财和降低了供电可靠性的隐患。假如设双电源的每台的可靠性为r=0.99,故障率就是1%,于是双电源冗余并联后的可靠性R2就是:
　　
　　R2=1-(1-r)2=1-(1-0.99)2=0.9999(3)
　　
　　两台可靠性为99%的电源冗余并联后的可靠性就变成了99.99%,其故障率α就是
　　
　　α=lnR=ln0.9999≈0.0001(4)
　　
　　就由1%变成了万分之一。那么变成图13(b)的结构后,其可靠性又是多少呢,在前面假设每台的可靠性为r=0.99,故障率就是1%的基础上图14给出了此时的可靠性模型,根据这个模型的计算如式(5)所示,得出了这种情况下的系统可靠性R:
　　
　　R=1-(1-r2)2=1-(1-0.992)2=0.9996(5)
　　
　　α=lnR=ln0.9996≈0.0004
　　
　　由此式可以看出换上这个设备后供电可靠性不但没提高,反而降低了,即故障率由万分一升到了万分之四。故障率是原来的四倍。这从物理原理上也很好解释:原来双电源冗余并联供电,过载能了也是双倍单台的能力,比如单台过载能力一般是25min,冗余供电时过载25%,平均到每台才12.5%,不受10min时间限制,甚至不转旁路。即使一台UPS故障,另一台也照常供电,设备照常运行。但加了STS后就将冗余供电变成了单台UPS供电,过载能力少了一半过载转旁路的几率就多,在转旁路时万一STS故障就会造成后面机器断电。更有甚者,为了达到零切换时间的效果,有的还给UPS加上了所谓同步器（LBS）进行锁相,如图15(a)所示。图15(b)是给系统的可靠性模型。为了有一个量的概念,在这里仍假设每台的可靠性为r=0.99,故障率就是1%,根据可靠性计算式就得出了式(6)的结果。
　　
　　RS=1-(1-r4)2≈0.99845(6)
　　
　　由于同步器的加入更使双UPS系统的可靠性雪上加霜。原因是它破坏了两台UPS转旁路的条件,因为UPS过载时间到达设定之后就必须转旁路,而转旁路的条件是同步锁相。由于同步器的加入两台UPS都去跟踪LBS,转旁路已经是“身不由己”了。
　　

　　从以上的分析中不难看出如果不能正确地使用STS就会导致花钱买故障的结果。
　　
　　编辑：Harris