现代大型数据中心UPS应用中,系统的扩容和可靠性冗余的升级越来越频繁,但是在并机系统的设计和后续改造中,常常由于安装位置的限制,UPS之间距离太远而无法并机。例如:某国际著名互联网公司的大型数据中心,采用了按需扩容的模组化设计。每个模组不但相对独立自成体系,并且空间的利用率非常高。如果要对系统UPS进行扩容或增加冗余,会非常困难。但是如果在其它空间重新布置一台UPS并入系统,或者将不同模组中的UPS改为并联方式运行,则可以简单地完成系统的扩容或冗余。但是不同模组间的UPS常常距离几十米甚至上百米,远远超过并机系统的应用常识。本文基于“在距离100m以上的区域内,进行4台400kVAUPS并机的应用案例”,探讨超远距离并机的实现方法。
　　
　　1 实际案例分析
　　
　　某数据中心,系统分期配置了两个模组,每个模组配置了两台伊顿93E400kVAUPS,系统为1+1冗余配置,但是随着负载的增加,UPS系统已经没有了冗余,系统的可靠性不能满足负载的需要,需要对系统进行改造,更换更大容量的UPS或并入冗余的UPS,但是由于没有放置空间,并且原有的配电系统改造十分困难。考虑如果将两个模组中的UPS系统进并机,则系统会成为3+1冗余系统,不仅能够满足UPS系统的冗余需要,而且改造工程及费用极低。但是由于两个模组之间有超过100m的距离(如图1),远远超过常规UPS的并机应用,技术上存在困难。
　　
　　2 超长距离UPS并机存在的问题及难点
　　
　　(1)运行在逆变模式下的输出环流问题
　　
　　并机系统UPS之间距离较远,各个UPS的电缆长度和路由不同,按照常规的并机方案,必然会存在较大的系统环流,产生额外的无功负载,系统的实际带载总功率大大降低,失去并机的价值和意义,并且易引发系统过载转旁路的风险。
　　
　　(2)运行在旁路模式下的均流问题
　　
　　现场UPS距离很远,线缆敷设路由不同,长度和规格不同,分布参数影响很大,由于旁路状况下,没有UPS逆变器的介入调整,不均流的程度可能会更加突出,甚至可能出现某台UPS的旁路,因严重过载而损坏或关机保护退出,从而导致剩余并机系统过载退出的雪崩效应,最后中断输出。
　　
　　(3)系统转换时不同步风险问题
　　
　　由于阻抗匹配原因以及过长的电缆,会降低系统的响应速度,在系统转换瞬间,可能会存在不同步(或振荡),系统中的UPS,存在部分在逆变器状态和部分在旁路状态短暂共存的风险,从而引发UPS输出过流或者瞬态过流宕机的风险。
　　
　　(4)并机通讯问题
　　
　　现代UPS并机系统,依赖UPS之间的高速数据通讯来实现同步与负荷均分,而这一数据通讯的响应速率与传输距离成反比,满足UPS并机响应速率的情况下,通常传输距离会<50m,并且随着距离增大会对通讯线缆的要求越来越高。由于距离较远,一方面信号随距离而衰减,另一方面线缆走线难以实现完全隔离,必然会受到现场的电磁干扰,由此引发的通讯失败、通讯丢失的情况会显著增加,这都会导致并机系统报错,单机退出或并机系统转为旁路工作。
　　
　　3 伊顿93EUPS并机系统的解决方案
　　
　　(1)运行在逆变模式下输出环流问题的解决通常并机的环流控制有两种方法:
　　
　　①最简单的方法是调整UPS单机的输出电压幅值,补偿由于电缆的阻抗引起的输出降低;
　　
　　②调整UPS单机的相位,利用单机输出的超前或滞后角度,来达到调整单机输出电流目的。
　　
　　但是由于本次UPS之间距离很远,各个UPS的电缆长度、路由规格均不同,如果单靠调整输出电压,会使单机的输出电压和标准值差异过大,同时单机之间的输出电压差异也比较大,并机系统容易报错,并且系统维护时,单机的退出和加入对系统的扰动也比较大。如果单纯调整单机输出相位,由于是并机系统,单机的相位差异必然表现为输出波形的失真,使输出的THDV变差。
　　
　　基于伊顿专利的Hot-Sync自适应并机同步技术,本次在输出电压调整和输出相位调整之间做了有效的权衡,最终的均流大小和输出电压的波形都达到了常规并机的效果。
　　
　　(2)运行在旁路模式下均流的解决方案
　　
　　旁路状态下,每台UPS的旁路电流取决于本机旁路链路的综合阻抗,理论上只要4台UPS,输入输出电缆的规格和长度一致,就不存在旁路不均流的问题。但是现场的4台机器,输入输出电缆已经敷设完成,最长和最短的差距在70m以上,并且两期的电缆规格有差异,旁路电流差异会很大,甚至导致单台UPS过载无法投入。由于旁路状态没有UPS逆变器的介入,只能在系统中加入电抗元件调整阻抗匹配,可以采用两种均衡电感选择方法:
　　
　　①串联均流电感法
　　
　　常规的做法是在并机系统UPS的旁路回路,串入一个阻抗相对比较大的均衡电抗器L(如图2),以降低单机旁路阻抗差异和旁路总阻抗的比值,从而降低旁路阻抗对系统的影响,通常均衡电感的感抗会是系统中UPS旁路阻抗的10～20倍,倍数越大效果会越好。本例中UPS的电缆长度最长是最短电缆的330%,对旁路均流的影响具有相同的结果。如果在每台UPS的旁路中串入一个电感,阻抗是系统平均阻抗的15倍,则最长电缆的UPS旁路回路和最短电缆旁路回路的阻抗差异会降低到<15%,因而能大大改善系统的均流效果。
　　
　　首先计算最长的UPS的旁路电缆长度,计算出该部分电缆的交流等效阻抗,然后按照行业常规值10～20倍来选择均衡电感的感抗,继而算出电感量。
　　
　　本次并联的4台UPS中,UPS3的电缆最长:输入10m,输出90m,合计100m;UPS1的电缆最短:输入22m输出8m,合计30m。电缆均采用185mm单芯双线并联。
　　
　　计算UPS旁路回路电缆阻抗:
　　
　　电缆电抗XL的计算公式为:XL=2πfL

    式中,XL为感抗,单位为Ω;f为频率,单位为Hz;L是线圈电感,单位为H。
　　
　　已知:现场185mm2电缆的参数:电感:0.000228H/km,20℃时直流电阻0.0991Ω/km。
　　
　　电缆的感抗XL=2πfL≈0.07163(Ω/km)≈0.00007163(Ω/m)。
　　
　　电缆的交流等效阻抗
　　
　　100m的交流等效电阻=0.01223(Ω),双线并联后的等效阻抗RL1=RL/2≈0.0061(Ω)。

    30m的交流等效电阻=0.003669(Ω),双线并联后的等效阻抗RL2≈0.0018345(Ω)。
　　
　　最长和最短线缆阻抗比RL1/RL2=0.0061/0.0018345≈3.325(倍)。
　　
　　假设:UPS单机自身的旁路系统阻抗一致(UPS自身旁路的阻抗厂商可控,能够匹配一致),对系统的影响忽略不计。均衡电感的感抗取值为15倍的最长电缆阻抗。
　　
　　XL=15×RL1=0.0915(Ω)。则系统串入均衡电感后,最长和最短电缆的阻抗比,电缆阻抗差异对系统的均流影响可以降低到5%以下。
　　
　　计算均衡电感参数:
　　
　　XL2=2πfL
　　
　　计算一下UPS满载下,均衡电感上产生的压降
　　
　　Ux:Ux=XL2×I
　　
　　400kVA UPS在标准380V的交流输入条件下,满载电流I=607A,Ux=XL2×I=0.0915×607=55.54(V)。
　　
　　电感产生的压降高达55V之高,超出了UPS旁路电压范围,也无法保证负载的正常工作,所以常规采用大电感,降低旁路阻抗差异对均流影响的方法在此行不通。
　　
　　②串联补偿电感法
　　
　　本例中由于电缆的长度差异太大,如果按照常规的方法选择均衡电感,电感的感抗较大,满载的时候由此产生的压降会影响到UPS旁路端的输入电压范围,综合考虑后,采用补偿阻抗的方法来匹配均衡电感(如图3),在阻抗低的UPS旁路回路串入一个均衡电感,让4台UPS旁路的阻抗尽量接近。4台UPS旁路电缆阻抗计算如下结果见表1。
　　

　　计算结果中最大的电感值为0.013622704mH,感抗0.004279695Ω。
　　
　　计算一下UPS满载下产生的压降Ux:Ux=XL×I
　　
　　400kVAUPS在标准380V的交流输入条件下,满载电流I=607A。Ux=XL×I=0.004279695×607≈2.6(V),压降是方案一的(55.54V)4.6%。按照计算结果,现场选择了第二套方案,采用了增加补偿电感的方法,在UPS1和UPS2的旁路回路,串入了预制的均衡电感,由于UPS4需要串入的电感值较小,在电缆上加装磁环。实际调试中,用磁环作为微调电感,在不同的回路电缆上做了调整,也达到了预计的效果。
　　
　　(3)远距离通讯问题的解决
　　
　　EatonUPS专利的Hot-sync热同步并机技术,并机系统只需要传递UPS的状态信息,而不需要传递实时性要求极高的相位、频率、电压、电流等数据,通信波特率很低(<500kps),这为远距离UPS并机的实现创造了前提条件。图4为现场通讯示意图。伊顿UPS采用了CAN-BUS通讯技术,由于波特率低数据的延时和迟滞对系统的影响也较小,使得采用协议转换器进行远程通讯成为可能。考虑现场的实际运行条件,同时为了避免电磁干扰对并机系统的影响,采用了光纤CAN总线转换集线器CANHub(见图5),很好地解决了距离和抗干扰问题:首先将CAN信号转换为光信号,通过长度120m单模光纤,传输到另一端;再次转换为标准CAN信号,现场测试完全满足伊顿UPS的并机通讯要求。
　　
　　(4)系统转换时不同步问题的解决
　　
　　并机预案中,非常担心并机系统状态切换过程中,部分UPS在逆变器状态和部分UPS在旁路状态短暂共存的风险。实际调试中,得益于伊顿Hotsync热同步并机技术,能够准确及时的传递系统的状态信息,并机系统的响应也符合并机系统的响应逻辑,能够准确的响应不同状态下的操作和转换,现场也模拟的其他的异常状态,完全满足并机状态转换的各项参数。
　　
　　4 并机实际运行状况
　　
　　按照前期预定方案,实施了并机工程,测试和调试了不同负载下的均流,然后进行了系统割接,后续对用户另外的两个数据中心也进行了同样的改造,都取得了类似的结果,能够满足现场3+1的并机应用,由于是运行中的数据中心,受到在线割接时间和IT设备在线运行的限制,系统没有调试到最佳效果,但充分验证了方案稳定可行。测试数据见表2。
　　
　　5 结束语--结论与实际应用的意义
　　
　　(1)结论
　　
　　①UPS并机系统的旁路电缆路由和长度差异,采用串联均衡电感(和加磁环)的方法,能够调整到很好的均流状态;
　　
　　②采用伊顿专利的Hot-sync热同步并机技术,在并机距离超过100米的情况下,依然能自适应地实现逆变均流;结合光纤CAN总线转换集线器的应用,保证了远距离并机系统的稳定运行。
　　
　　(2)实际中的应用
　　
　　①可以利用不同区域UPS的剩余容量,作为系统的公共冗余;
　　
　　②解决UPS系统摆放的时段与空间问题,系统配置与空间布局都更为灵活;
　　
　　③采用跨模组、跨区域并联和再并联方式,一套UPS系统可作为公用的备用电源同时支持多套电源系统的冗余备份。
　　
　　作者简介
　　
　　王群力,男,1971年生,先后从事过化工仪器仪表、电子影音设备、UPS电源设备系统设计和维护,有近20年的UPS电源设备应用经验,参与过多个大型数据中心的设计建设,对UPS系统的特殊应用,具有独到的见解和丰富的应用实践。2001年加入伊顿,现就职于伊顿电源(上海)有限公司,任高级技术应用工程师。
　　
　　编辑：Harris