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    計算機系統的安全供電

    2006-02-09

          保證計算機系統長期可靠地運行,必須有一個安全的供電系統,在有市電時是一個穩定的供電電源,在電網短時間停電時能繼續向負載供電。實踐證明,供電系統不合格,會影響計算機系統的工作,甚至損壞設備。金融行業因其業務特殊,在業務電子化和網絡化程度逐步提高的情況下,業務的連續性和數據的完整性至關重要,否則會影響社會生活和經濟生活的穩定,而供電系統的安全與穩定對二者的影響舉足輕重。1997年香港某銀行UPS發生嚴重故障,導致全系統停業數十小時,影響極大。計算機供電系統通常包括兩部分:一種是設備供配電系統。根據計算機設備的供電要求,合理選擇電力設備,構成符合計算機設備要求的供配電系統,如低壓直流穩壓電源、外圍設備50Hz用電、設備內冷卻裝置的用電等。另一種是輔助供配電系統。這是為保證計算機設備能正常運行的其他設備,如空調設備、動力設備、照明設備、測試設備等組成的供配電系統。
    1   供電故障對計算機系統的影響
    1.1  電源故障的后果
           計算機系統中的元器件對于由電源產生的波動及其干擾是非常敏感的。電源故障具有毀壞系統的潛在破壞力,瞬間就會導致大量數據和程序的丟失和損壞。電源安全的目標是減少電源故障發生的次數,使潛在的毀滅性后果降到最低程度。發生電源故障會導致下列毀壞性的后果:
     (1)導致全部數據丟失。當錄入數據時發生電源故障,系統可能被毀壞,工作中的文件可能被停止,用正常的操作系統存取方法不能存取數據。
     (2)可使輸入和輸出邏輯出錯。例如會影響驅動器和監督程序之間讀寫操作的精確性。
     (3)影響CPU的性能。使處理能力變得呆滯起來,而且出現不精確的數字。
     (4)導致計算機失去瞬間記憶。數據寫到磁盤時,由于電涌或猛烈沖擊可能破壞暫存在內存里的程序或數據。
     (5)導致CPU的內部電路短路。
     據有關統計數據表明,計算機每月至少要受到110~140次電源干擾,干擾類型主要有:瞬變、尖峰、浪涌等。
    1.2  電源故障的類型
     電源故障類型主要有4類:
     (1)電源線噪聲。主要以兩種形式出現,一種是高壓尖脈沖(可能高達6000V),它會沖擊電源線路;另一種瞬變現象,是電壓噪聲,通常是一種調幅脈波。尖峰和瞬變現象在所有電源線故障中占80%以上。
     電源線自身也會發出噪聲。電流以正弦波流動,電磁脈沖干擾在電源線上會在毫微秒時間內使短暫尖峰達到最高點。
     閃電是電磁噪聲中破壞力最強的,它會導致電涌進入電氣和通信線路,一個持續的電涌可高達7000V,可在線路內走1英里多。
     (2)周圍環境噪聲。周圍環境噪聲主要來自汽車發動機、X光射線、大功率空調和冰箱、無線電頻率干擾等。如工業機床上的感應開關負載會產生高頻干擾,工業機床接通電源瞬間,浪涌電流或沖擊源會使電機飛速運轉,計算機系統不應該安裝在這種電氣設備附近。另外辦公室內的復印機、打字機等設備對計算機也會有影響,計算機的電源插座應該是專用的,連接到單獨的開關上,不要與其他電氣設備共用,最好能屏蔽計算機的電纜,減少噪聲干擾對系統的威脅。
     (3)電壓波動。電壓波動是電網常見現象,電壓波動可分為兩類:一種是在正常電壓值上下擺動。電網在運行過程中受諸多因素的影響總是處于不斷的波動狀態,這種波動如果超出了主機和外圍設備允許的范圍,就會使計算機處于不穩定的運行狀態,甚至出錯,嚴重時還會停機或損壞機器。另一種是瞬變浪涌或瞬變下跌。由于電網供電系統故障、大負載的改變以及故障設備的影響,造成電壓瞬時上升或下跌。據國外資料統計,瞬態電涌出現的頻率大致為:5000V(每年1次)、2000V(每年10次)、1000V(每年50次)、400V(每年2000次)。
     (4)電源故障。如某一時間段內用電需求過大、電氣設備的損壞和斷路、線路安裝有誤、電路過載、閃電和暴風雨等,導致電源故障的發生,供電中斷,將持續一段時間,幾分鐘至幾小時,有時甚至是幾天,從而影響計算機系統。
    2   計算機供電系統的技術要求
          為計算機系統提供的電源質量的好壞,直接影響著計算機系統的可靠運行。這種影響不僅來自提供電設備的電壓、頻率、電流等。而且來自電網所提供的電源質量。這些基本要素都要符合計算機設備的要求,根據我國《計算機站場地技術要求》(GB2887),對供電系統的要求如下:
    2.1  線制與額定電壓
          我國的電力系統采用的是三相四線制,相電壓為220V,線電壓為380V。計算機系統一般要求三相五線制,即三根相線、一根零線、一根地線,地線單獨接地,不與零線共地。在同一個計算機供電系統中,送給各部分的電壓可以有220V和380V。需要特別指出的是從國外引進的計算機,有110V的、有三相三線制的,遇到這種情況應設置專門的變壓器。
    2.2  頻率
          國內計算機要求的供電頻率分為兩種:工頻50Hz和中頻400Hz或1000Hz。從國外引進的計算機,有的設備要求供電的電源頻率為60Hz,需要采用專門的頻率變換器將50Hz的電源轉換成60Hz的電源。
    2.3  額定容量
     計算機系統要求提供的電源額定容量以兩種方式給出:
     (1)在額定電壓下計算機系統的總容量或計算機系統的總電流。這對選取電力設備、供電電纜、計算機機房的總發熱量,以及選取合適的空調是必不可少的資料。通常供電量應留有不少于30%~50%的余量。一般電氣設備在啟動時要求的電流要比穩定工作時大。
     (2)各分機所要求的工作電流,是指設備穩態工作時的額定值。這對設計計算機房的配電柜、選取合適的傳輸導線和連接器件也是必需的。2.4  允許的電網異常范圍
     (1)電壓波動。電網電壓的波動常常是因電網負載出現了較大的增加或減少而引起的。例如在用電高峰時電壓往往偏低,有設備停機時電壓往往偏高。電網電壓波動的影響是較大的。
     國家標準對電壓波動等級有如下規定:
    電壓等級         A級              B級                         C級
    波動范圍     ≤±5%       ≤+7%,≤-10%       ≤±10%      

     (2)頻率波動。電網的頻率波動主要是由于電網超負荷運行所致。國標波動等級規定如下:
    頻率等級         A級                  B級               C級
    波動范圍     ≤±0.05Hz     ≤±0.5Hz       ≤±1Hz         
     (3)波形失真度。波形失真度指計算機輸入端交流電壓所有高次諧波有效值之和與基波有效值之比的百分數。國標規定如下:
    失真度等級         A級           B級              C級
     波動范圍         ≤5%        ≤10%         ≤20%  
     (4)瞬時停電。瞬時停電是指計算機在正常運行過程中電網的瞬時斷電。瞬時斷電時間長會引起計算機出錯,甚至停機。瞬時斷電所允許的時間在國內尚無標準,日本《工業用計算機環境標準》中規定:A級,3ms以下;B級,100ms以下;C級,200ms以下。
     (5)電壓瞬變。供電電源的輸出電壓最大瞬變應小于等于額定電壓的8%~10%,并在100~200ms內穩定。
     (6)輸出電壓畸變率。一般應≤±5%。
     (7)三相不平衡。指相角不平衡、電壓不平衡、電流不平衡三種。目前尚無對三相不平衡要求的標準,若機器有規定時應根據需要處理。
    3   計算機系統供電技術3.1  電力負荷的等級
     按照我國用電設備對供電可靠性的要求,電力負荷分為三個等級:
     (1)一級負荷。指突然停電將造成人身傷亡危險,或大設備損壞且難以修復以致帶來重大經濟損失的負荷。
     (2)二級負荷。指突然停電將產生大量廢品,大量減產,或發生重大設備損失事故,但采取措施能夠避免的負荷。
     (3)三級負荷。一、二級負荷之外的所有用電設備。
     在《計算機站場地技術要求》中,依據計算機的用途和性質以及負荷分級的規定,采取了相應的供電技術:對于一級負荷采用一類供電,即建立不停電系統,而且要保證電網的質量;對于二級負荷采用二類供電,即建立帶備用的供電系統;對于三級負荷采用三類供電,即按一般用戶供電考慮。
    3.2  計算機系統的供電方式
          在實際工作中,計算機系統有以下幾種常用的供電方式:
     (1)直接供電。將變電站送來的工頻交流電直接送給計算機設備配電柜,然后再分配給計算機設備。對于需要中頻電源的計算機系統,需要將工頻交流電經配電盤分成兩路,一路直接送計算機,另一路經中頻機組輸出中頻電流后再送計算機配電柜,最后送計算機。
          直接供電有設備少、投資低、運行費用少、供電簡單、維修方便等優點,但缺點是對電網質量要求高,容易受電網及負載變化的影響。一般采用專用供電線路,只適用于電網質量能滿足主機電源及外圍設備電源,且附近沒有較大負載的啟動、電磁干擾很少的情況。
     (2)隔離供電。在交流進線后面加一個隔離變壓器,然后再送給計算機。隔離變壓器的初級和次級之間均加屏蔽層,并各引出一個抽頭與初、次級的零線連接,再經一耦合電容接地,對電網瞬變干擾有隔離和衰減作用。
     (3)交流穩壓器供電。讓50Hz的工頻交流經交流穩壓器后,再供計算機使用。可以衰減許多暫態沖擊、幅度波動和電壓脈沖,但對電源頻率波動無法糾正。
     (4)發電機組供電。外電網交流輸入經過整流后變為直流,并驅動直流電機,再帶動發電機產生交流輸出。若電網停電,可利用蓄電池提供直流驅動,滿足一段時間內不停電的需求。通過測速電機和慣性飛輪等裝置調整輸入輸出電流,使輸出電壓和頻率不隨電網的波動而變化。
     (5)不間斷電源(UPS)供電。不間斷電源最大的特點在于不間斷性,而且能最大限度地提供穩定電壓,隔離外電網的干擾。外電網一旦停電,UPS能在設備所允許的極短時間內(微秒至毫秒級)自動從備用能源經逆變器變換成電壓、頻率和相位都與原供電電源相同的電能繼續向計算機供電。或者平時由逆變器供電,只在逆變器發生故障時,由靜態電子開關自動將計算機瞬時切換到外電網供電或切換到另一臺與之并聯的UPS上,實現不間斷供電。UPS提供的電源具有較高的電壓和頻率穩定性,波形失真也較小,噪聲和干擾更優于外電網,是計算機系統最理想的供電方式。目前所有的重要計算機設備都采用UPS供電。
    4   供電安全要點
     (1)電源線應安裝避雷設備,最好能從總配電處、分開關處、UPS輸入端分別做避雷防護。
     (2)要將計算機系統接到專用的電源線路上。
     (3)計算機系統供電一定要有保護措施,最常用的是采用UPS。
     (4)所有計算機外設使用專用電源時,應降低組件間潛在的干擾。
     (5)計算機系統接地。使用粗電纜,各個設備都要接地,合理的接地可以減少由電源本身和計算機外設所產生的噪聲,抵消閃電噪聲或電涌干擾,減少電擊的危險,保證人身安全。
     (6)計算機應遠離有噪聲的電氣設備,如空調、工業機床、復印機等,主機房與空調機房應分區域設置。
     (7)在有“噪聲”的環境里,要屏蔽計算機電線和電纜。
     (8)執行程序時不要關閉計算機電源,否則會毀掉數據,甚至燒掉電子電路。
     (9)對重要的計算機系統要保證電源的冗余備份,如雙回路、雙UPS、發電機組等



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