分布冗餘UPS的設計目標是使電源設備至負載設備的整個供電系統的每一個環節都具有冗餘，而且，具有冗餘的部分應儘可能地接近負載設備的電源輸入端子。分布冗餘UPS系統可以分為雙母線UPS供電系統和三母線UPS供電系統。雙母線UPS供電系統一般是由兩個獨立的 UPS系統組成的，構成雙母線供電系統，每個UPS系統都能帶全負載。每個獨立的UPS系統可以是單機或並機（無冗餘）UPS，或並聯冗餘UPS。兩個獨立的UPS是單機或並機無冗餘系統時，稱為雙母線“2N”UPS系統；兩個獨立的UPS是並機冗餘系統時，稱為雙母線“2（N+1）”UPS系統。除了雙母線UPS系統外，還可以設計多母線UPS系統。
基本介紹
- 中文名：分布冗餘UPS
- 外文名：Distribution of redundant UPS
1．分布冗餘UPS的特點
（1）可維性和故障容限高
分布冗餘UPS系統的可維性和故障容限與單機UPS、隔離UPS、並聯冗餘UPS相比，有了很大的改進。用戶可以將所有的負載都轉換到一個UPS供電的母線上，而另一個UPS及相關的開關、配電設備都可以脫離系統，進行維護。也就是說，用戶可以進行積極的維護工作，而不需要將重要負載轉換至旁路電源。因此，分布冗餘UPS系統具有連續的可用性。
（2）系統簡單
分布冗餘UPS系統比並聯冗餘或隔離冗餘UPS簡單、經濟，最普通的方法是從兩個單機UPS和一個LBS開始，構成雙母線“2N”UPS系統，不需要系統級的控制櫃或開關設備。甚至對於每個分UPS系統也不需要維修旁路櫃，因為每個UPS系統都可以作為另一個UPS的旁路。分布冗餘UPS系統也是可擴展的，對於較大容量的套用場合，每個分UPS系統都可以採用常規的並聯冗餘UPS系統（為提高可用性並聯，或為增加容量並聯）。
（3）可靠性高
由於分布冗餘UPS系統的簡單性，它比隔離冗餘UPS更可靠。冗餘是並聯的，不是串聯的。由於有兩個配電網路和下游靜態開關，關鍵負載設備（包括雙電源輸入負載和單電源輸入負載）具有雙電源設備的功能。採用分布冗餘UPS，對於負責定期進行預防性維護的人員而言，其承擔的風險減小了。最重要的是，兩個配電網路的獨立性保證了一個母線的故障不會擴展到另一個母線上。正常的負載仍然可以由正常的UPS和配電系統供電。
2．分布冗餘UPS的負載母線同步
（1）分布冗餘UPS的負載母線同步的概念
除非所有的負載設備都是雙電源負載，分布冗餘UPS必須進行負載母線同步。即構成雙母線UPS系統的兩個獨立的UPS系統輸出必須同步運行。因為雙電源負載的一個電源故障時，負載仍能正常運行，故不需要進行電源的轉換。因此，如果雙母線UPS系統的負載全部是雙電源負載，兩個母線上的UPS可以不同步運行。然而，如果配電系統中還存在單電源設備，則必須進行同步。因為當一個UPS電源故障時必須經STS進行電源轉換。為了保證不間斷轉換，兩個UPS系統的輸出必須保持同步運行，以避免兩者之間進行非同步時的間斷轉換，造成負載斷電。實現這個要求的技術是採用“負載母線同步LBS（LoadBusSync）”控制器。LBS可以使兩個UPS輸出電壓保持出同步，甚至旁路電源不可用時或UPS工作於蓄電池時，使兩個UPS輸出電壓的頻率和相角相同或相差甚小。
（2）分布冗餘UPS負載母線同步（LBS）的重要性
LBS可以使兩個獨立的UPS系統保持同步，甚至於當它們的輸入電源不同時。任何UPS都是同步於其旁路電源，只要兩個UPS連線到同一個旁路電源上，在正常情況下，它們就會自動地同步運行。然而，如果UPS工作於蓄電池、不同的備用發動機組或者是非同步的旁路電源，它們的輸出電壓將不會同步。LBS由一個在UPS上的接口板和一個小的牆掛式帶有簡單的選擇開關的控制板組成。每個UPS的邏輯和控制器之間無其他任何連線，這就保證了系統的最大的獨立性和隔離。LBS可以用於同步同一廠家的兩個UPS，也可用於同步不同廠家的兩個UPS。有的LBS還可用來同步3個或多個UPS。LBS有主動LBS和被動LBS兩種，實際套用中被動LBS套用較多。
（3）採用單變換UPS系統的雙母線UPS的負載母線同步
具有分布冗餘UPS功能的UPS系統中的各個分UPS模組必須在任何情況下都能相互同步，甚至在各UPS模組工作於獨立的蓄電池或非同步的備用發動機時。只有雙變換UPS可以做到這一點（雙變換UPS有變頻的功能）。
單變換UPS（IEC定義為line-interactive）（包括Delta變換UPS）只能同步到為其供電的輸入電源上，不能在由一個AC電源供電時，而同步於另一個AC電源（或同步到另一個UPS電源，或由晶振產生的同步信號）。單變換UPS無變頻的功能。當採用Delta變換UPS構成雙母線供電系統時，如果各Delta變換UPS的交流輸入是兩路獨立的市電電源，則在正常情況下，一台UPS不能同步到另一台UPS的輸出。
採用Delta變換UPS構成分布冗餘UPS時，必須採用同一路市電或同一台油機，或者保證所有UPS上游的交流輸入電源同步（油機和市電），才能保證在市電或油機供電時，雙母線上的兩個UPS輸出同步。另一方面，必須採用系統間同步單元（ISU），才能保證在蓄電池供電時，雙母線上的兩個UPS輸出同步。
3．採用靜態自動母聯電路（SAT）的雙母線UPS系統
在有單電源負載和雙電源負載的雙母線UPS供電系統中，可以採用靜態自動母聯電路（staticautotie，SAT），原來為單電源負載供電的所有靜態轉換開關（STS）和末端轉換開關均可以取消。而單電源負載保護電源的可用性將大大提高。
在常規雙母線UPS系統中STS中的兩個靜態開關SS中的一個必須在全部時間內導通，而採用SAT的雙母線系統中的一個SS除了在轉換過程中導通外是不導通的，因而提高了系統的效率和可靠性。如果其中一個UPS發生故障，SAT將配電母線轉換到另一個UPS，配電系統的雙母線結構仍然保留。轉換後的配電系統是SAT和一個並聯冗餘UPS的串聯組合。
4．雙母線UPS系統主輸入和旁路輸入交流電源的選擇
（1）雙母線UPS系統的LBS的作用
雙母線UPS系統的LBS可以保證連線到負載母線的兩個UPS電源同步運行。如果兩個UPS的旁路電源是同一路市電電源，兩個UPS輸出必然同步，此時LBS不起作用。如果兩個UPS的旁路電源不是同一路市電電源，而是兩路市電電源或是兩個獨立的油機發電機，LBS將使UPS1同步到UPS2（可調，也可能是UPS2同步到UPS1）。在此情況下，LBS將使UPS1內的旁路靜態開關關閉，假如UPS1有故障也不能轉向旁路（因為UPS1與其本身的旁路電源不同步）。但配電電路中的STS可以轉換，負載不會斷電。同步於其本身旁路的UPS在故障時可以轉旁路。
註：假設UPS1同步到UPS2的過程中，發現UPS1已在旁路上，則LBS將自動將UPS2同步到UPS1。
（2）UPS的主輸入電源和旁路輸入電源的選擇原則
綜上所述，假設採用被動LBS，UPS的主輸入電源和旁路輸入電源選擇的原則是：
1）UPS1、UPS2的旁路輸入電源最好採用同一路市電電源（同一變壓器，或高壓輸入相同且接線組別相同的兩個變壓器）。因旁路是引自同一個變壓器，或引入一路高壓輸入電源的局（站）的兩個接線組別相同的變壓器，故可以保證在正常情況下，LBS不起作用，而兩UPS可以自然同步。
2）UPS1，UPS2的主輸入電源的採用沒有限制（包含兩種情況：與旁路電源相同或不同的電源）。但要考慮如果一路市電電源故障或一個變壓器故障，另一路市電或另一個變壓器可以繼續供電，保證重要負載不會斷電。
（3）工程設計中UPS輸入電源設計方案
按以上原則，UPS輸入電源可以採用如下方案：
1）UPS1和UPS2的主輸入、旁路輸入採用同一路市電（同一個變壓器）。此方案也可保證平時LBS不起作用，而兩個UPS可以自然同步。但此變壓器故障時將會影響兩個UPS。
2）UPS1的主輸入和旁路輸入採用一路電源（同一個變壓器）；UPS2的主輸入和旁路採用同一路電源（另一變壓器）。兩個變壓器的高壓側為同一電源且變壓器的組別相同時，可保證平時LBS不起作用而兩個UPS可以自然同步。而且，一台變壓器檢修時，仍有一台UPS的主輸入和旁路輸入電源正常，故總有一台UPS可以正常使用。
5．雙母線UPS系統的AC配電電路
（1）配電電路的重要性
高可用性電源系統要求可靠性、功能性、可維性和故障容限。UPS和負載設備之間的AC配電將最終決定可維性和故障容限指標。實際運行的經驗表明，與電源有關的80%的停機故障是由UPS和關鍵負載之間的電路中斷引起的。人為操作錯誤、設備故障、負載故障、短路和各種特殊事件都會引起電源系統故障。設備總會出現故障，人為操作錯誤總會發生。因此，正確選擇UPS向關鍵負載設備配電的方法，妥善設計配電電路是非常重要的。
（2）雙電源負載的配電電路
具有雙電源線的負載，只要有任何一個電源線供電，該負載就可以正常運行。雙電源負載的每個機櫃或機架都由來自兩個獨立的UPS電源供電，可以直接從UPS通過PDU到負載設備（伺服器）。也可在PDU和伺服器之間增加RDC（遠端配電箱），以簡化分支電路的布線。雙電源負載的供電不需要轉換開關，故不需要LBS。但是，考慮到後期可能增加單電源負載，故建議採用（LBS）。這種配電電路結構可以獲得連續的可用性。冗餘可以擴展到每個負載設備的輸入端。任何一個UPS系統（及其所連線的PDU和RDC）都可以完全斷電進行維護，不會影響關鍵負載。配電單元（PDU）由輸入隔離變壓器、一個或多個配電板組件和電源監控設備的組成。
遠端配電櫃（RDC）包括體積很小的配電板組件和電源監控設備。典型的RDC設計為適合標準的活動地板蓋板。RDC不包括輸入隔離變壓器，它接受PDU中的斷路器的電源。RDC可以配置為單輸入（所有的配電板由同一個電源供電）、雙輸入（由獨立的電源供電）或4輸入。
當使用PDU變壓器為STS供電時，兩個變壓器的中性線是有意的在一點連線在一起的，並進行中線對地的連線。這保證了STS進行轉換時不會產生地電位的偏移或引起中線電流在接地電路中流動（這有可能引起接地故障保護系統動作）。
大多數局站都有多個配電單元，每個都有一個或兩個PDU變壓器。每個PDU將有一個中線對地的連線，PDU的地將固定接在大樓的接地系統。這保證了每個PDU都為其所連線的設備提供了一個乾淨的中線和地線的基準點。
（3）採用靜態開關的單電源負載配電系統
1）配電系統的組成
有些伺服器是單電源輸入的，因此電源系統設計者必須採取適當的方法保證可維護性和故障容限。STS由兩個PDU變壓器供電。STS的輸出供給各個遠端配電櫃（箱）（RDC），RDC為各個單個的機架或機櫃供電。LBS使兩個UPS系統的輸出保持同步，因此負載可以在它們之間不間斷的轉換。
當需要維護UPS1及其PDU時，STS可以手動轉換到UPS2及其PDU。於是UPS1及其PDU可以完全斷電進行維護。UPS2及其PDU可以同樣進行維護。此外，如果一個UPS有故障，STS可以自動在它們之間轉換。這個配電電路的缺點是：冗餘在STS的輸入端終止，STS下游的所有故障都是單點故障。
2）STS的安裝位置
在圖1中，靜態轉換開關放在一對PDU變壓器輸出的後面。也可以將STS用在單個PDU變壓器的輸入的前面，這樣成本會低一些，但存在變壓器磁化浪涌電流的問題。PDU變壓器在啟動時有磁化電流浪涌，這種浪涌電流可能達到穩態負載電流的8倍，如果輸入到變壓器的電壓短時下降（足以使STS轉換到其他的UPS），在STS完成轉換時，變壓器就需要重新磁化。對於大容量UPS，這可能不是問題。但是，如果多個STS同時進行從一個UPS向另一個UPS轉換，則變壓器激磁浪涌電流就可能成為一個問題。
因此，靜態轉換開關還是放在一對PDU變壓器輸出的後面好。
（4）採用“末端轉換開關”的單電源負載配電系統
將冗餘擴展到更接近負載設備的一個方法是採用“末端轉換開關”的配電系統。“末端轉換開關”是專門用於單個配電箱的智慧型開關（smartswitch），這些智慧型開關可以安裝在活動地板下面或在負載設備的機架內。
採用智慧型開關可以使單電源負載設備和雙線負載設備同時安裝在同一個機箱內。兩種類型的設備截止至其輸入端子都具有冗餘，因此具有最大的可維護性和故障容限。智慧型開關與STS不同，STS採用可控矽作為轉換裝置，而智慧型開關採用繼電器。這種方法的一個優點是具有較大的靈活性。系統設計者可以按全部是雙電源負載規劃和布線，並將雙電源線布放到每一個配電箱，因此雙電源負載可以接入。單個的配電箱和智慧型開關也可以按照雙電源負載的要求配置。這種配電系統需要LBS，以使每個UPS系統輸出保持同步。
（5）高可用性的雙母線UPS配電系統
在雙母線UPS供電系統中，RDC的每個輸入採用不同的STS供電。這些STS應使用不同的UPS系統作為它們的首選電源。這將避免100%的負載在一個電源上，而0%的負載在另一個電源上，因而抵消了冗餘的優點的情況。
這種結構的硬體成本比其他的結構高些，因為需要額外的PDU變壓器和附加的靜態轉換開關。但整個電源系統完全可以維護，一直到負載設備和智慧型開關的輸入端。
