计算机系统的安全供电
2005/11/9 15:53:20 电源在线网
保证计算机系统长期可靠地运行，必须有一个安全的供电系统，在有市电时是一个稳定的供电电源，在电网短时间停电时能继续向负载供电。实践证明，供电系统不合格，会影响计算机系统的工作，甚至损坏设备。金融行业因其业务特殊，在业务电子化和网络化程度逐步提高的情况下，业务的连续性和数据的完整性至关重要，否则会影响社会生活和经济生活的稳定，而供电系统的安全与稳定对二者的影响举足轻重。1997年香港某银行UPS发生严重故障，导致全系统停业数十小时，影响极大。计算机供电系统通常包括两部分：一种是设备供配电系统。根据计算机设备的供电要求，合理选择电力设备，构成符合计算机设备要求的供配电系统，如低压直流稳压电源、外围设备50Hz用电、设备内冷却装置的用电等。另一种是辅助供配电系统。这是为保证计算机设备能正常运行的其他设备，如空调设备、动力设备、照明设备、测试设备等组成的供配电系统。
1 供电故障对计算机系统的影响
1.1 电源故障的后果
计算机系统中的元器件对于由电源产生的波动及其干扰是非常敏感的。电源故障具有毁坏系统的潜在破坏力，瞬间就会导致大量数据和程序的丢失和损坏。电源安全的目标是减少电源故障发生的次数，使潜在的毁灭性后果降到最低程度。发生电源故障会导致下列毁坏性的后果：
(1)导致全部数据丢失。当录入数据时发生电源故障，系统可能被毁坏，工作中的文件可能被停止，用正常的操作系统存取方法不能存取数据。
(2)可使输入和输出逻辑出错。例如会影响驱动器和监督程序之间读写操作的精确性。
(3)影响CPU的性能。使处理能力变得呆滞起来，而且出现不精确的数字。
(4)导致计算机失去瞬间记忆。数据写到磁盘时，由于电涌或猛烈冲击可能破坏暂存在内存里的程序或数据。
(5)导致CPU的内部电路短路。
据有关统计数据表明，计算机每月至少要受到110～140次电源干扰，干扰类型主要有：瞬变、尖峰、浪涌等。
1.2 电源故障的类型
电源故障类型主要有4类：
(1)电源线噪声。主要以两种形式出现，一种是高压尖脉冲（可能高达6000V），它会冲击电源线路；另一种瞬变现象，是电压噪声，通常是一种调幅脉波。尖峰和瞬变现象在所有电源线故障中占80％以上。
电源线自身也会发出噪声。电流以正弦波流动，电磁脉冲干扰在电源线上会在毫微秒时间内使短暂尖峰达到最高点。
闪电是电磁噪声中破坏力最强的，它会导致电涌进入电气和通信线路，一个持续的电涌可高达7000V，可在线路内走1英里多。
(2)周围环境噪声。周围环境噪声主要来自汽车发动机、X光射线、大功率空调和冰箱、无线电频率干扰等。如工业机床上的感应开关负载会产生高频干扰，工业机床接通电源瞬间，浪涌电流或冲击源会使电机飞速运转，计算机系统不应该安装在这种电气设备附近。另外办公室内的复印机、打字机等设备对计算机也会有影响，计算机的电源插座应该是专用的，连接到单独的开关上，不要与其他电气设备共用，最好能屏蔽计算机的电缆，减少噪声干扰对系统的威胁。
(3)电压波动。电压波动是电网常见现象，电压波动可分为两类：一种是在正常电压值上下摆动。电网在运行过程中受诸多因素的影响总是处于不断的波动状态，这种波动如果超出了主机和外围设备允许的范围，就会使计算机处于不稳定的运行状态，甚至出错，严重时还会停机或损坏机器。另一种是瞬变浪涌或瞬变下跌。由于电网供电系统故障、大负载的改变以及故障设备的影响，造成电压瞬时上升或下跌。据国外资料统计，瞬态电涌出现的频率大致为：5000V（每年1次）、2000V（每年10次）、1000V（每年50次）、400V（每年2000次）。
(4)电源故障。如某一时间段内用电需求过大、电气设备的损坏和断路、线路安装有误、电路过载、闪电和暴风雨等，导致电源故障的发生，供电中断，将持续一段时间，几分钟至几小时，有时甚至是几天，从而影响计算机系统。
2 计算机供电系统的技术要求
为计算机系统提供的电源质量的好坏，直接影响着计算机系统的可靠运行。这种影响不仅来自提供电设备的电压、频率、电流等。而且来自电网所提供的电源质量。这些基本要素都要符合计算机设备的要求，根据我国《计算机站场地技术要求》（GB2887），对供电系统的要求如下：
2.1 线制与额定电压
我国的电力系统采用的是三相四线制，相电压为220V，线电压为380V。计算机系统一般要求三相五线制，即三根相线、一根零线、一根地线，地线单独接地，不与零线共地。在同一个计算机供电系统中，送给各部分的电压可以有220V和380V。需要特别指出的是从国外引进的计算机，有110V的、有三相三线制的，遇到这种情况应设置专门的变压器。
2.2 频率
国内计算机要求的供电频率分为两种：工频50Hz和中频400Hz或1000Hz。从国外引进的计算机，有的设备要求供电的电源频率为60Hz，需要采用专门的频率变换器将50Hz的电源转换成60Hz的电源。
2.3 额定容量
计算机系统要求提供的电源额定容量以两种方式给出：
(1)在额定电压下计算机系统的总容量或计算机系统的总电流。这对选取电力设备、供电电缆、计算机机房的总发热量，以及选取合适的空调是必不可少的资料。通常供电量应留有不少于30％～50％的余量。一般电气设备在启动时要求的电流要比稳定工作时大。
(2)各分机所要求的工作电流，是指设备稳态工作时的额定值。这对设计计算机房的配电柜、选取合适的传输导线和连接器件也是必需的。
2.4 允许的电网异常范围
(1)电压波动。电网电压的波动常常是因电网负载出现了较大的增加或减少而引起的。例如在用电高峰时电压往往偏低，有设备停机时电压往往偏高。电网电压波动的影响是较大的。
国家标准对电压波动等级有如下规定：
电压等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤±5% ≤+7%,≤-10% ≤±10%
(2)频率波动。电网的频率波动主要是由于电网超负荷运行所致。国标波动等级规定如下：
频率等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤±0.05Hz ≤±0.5Hz ≤±1Hz
(3)波形失真度。波形失真度指计算机输入端交流电压所有高次谐波有效值之和与基波有效值之比的百分数。国标规定如下：
失真度等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤5% ≤10% ≤20%
(4)瞬时停电。瞬时停电是指计算机在正常运行过程中电网的瞬时断电。瞬时断电时间长会引起计算机出错，甚至停机。瞬时断电所允许的时间在国内尚无标准，日本《工业用计算机环境标准》中规定：A级，3ms以下；B级，100ms以下；C级，200ms以下。
(5)电压瞬变。供电电源的输出电压最大瞬变应小于等于额定电压的8％～10％，并在100～200ms内稳定。
(6)输出电压畸变率。一般应≤±5％。
(7)三相不平衡。指相角不平衡、电压不平衡、电流不平衡三种。目前尚无对三相不平衡要求的标准，若机器有规定时应根据需要处理。
3 计算机系统供电技术
3.1 电力负荷的等级
按照我国用电设备对供电可靠性的要求，电力负荷分为三个等级：
(1)一级负荷。指突然停电将造成人身伤亡危险，或大设备损坏且难以修复以致带来重大经济损失的负荷。
(2)二级负荷。指突然停电将产生大量废品，大量减产，或发生重大设备损失事故，但采取措施能够避免的负荷。
(3)三级负荷。一、二级负荷之外的所有用电设备。
在《计算机站场地技术要求》中，依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取了相应的供电技术：对于一级负荷采用一类供电，即建立不停电系统，而且要保证电网的质量；对于二级负荷采用二类供电，即建立带备用的供电系统；对于三级负荷采用三类供电，即按一般用户供电考虑。
3.2 计算机系统的供电方式
在实际工作中，计算机系统有以下几种常用的供电方式：
(1)直接供电。将变电站送来的工频交流电直接送给计算机设备配电柜，然后再分配给计算机设备。对于需要中频电源的计算机系统，需要将工频交流电经配电盘分成两路，一路直接送计算机，另一路经中频机组输出中频电流后再送计算机配电柜，最后送计算机。
直接供电有设备少、投资低、运行费用少、供电简单、维修方便等优点，但缺点是对电网质量要求高，容易受电网及负载变化的影响。一般采用专用供电线路，只适用于电网质量能满足主机电源及外围设备电源，且附近没有较大负载的启动、电磁干扰很少的情况。
(2)隔离供电。在交流进线后面加一个隔离变压器，然后再送给计算机。隔离变压器的初级和次级之间均加屏蔽层，并各引出一个抽头与初、次级的零线连接，再经一耦合电容接地，对电网瞬变干扰有隔离和衰减作用。
(3)交流稳压器供电。让50Hz的工频交流经交流稳压器后，再供计算机使用。可以衰减许多暂态冲击、幅度波动和电压脉冲，但对电源频率波动无法纠正。
(4)发电机组供电。外电网交流输入经过整流后变为直流，并驱动直流电机，再带动发电机产生交流输出。若电网停电，可利用蓄电池提供直流驱动，满足一段时间内不停电的需求。通过测速电机和惯性飞轮等装置调整输入输出电流，使输出电压和频率不随电网的波动而变化。
(5)不间断电源（UPS）供电。不间断电源最大的特点在于不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内（微秒至毫秒级）自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向计算机供电。或者平时由逆变器供电，只在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，噪声和干扰更优于外电网，是计算机系统最理想的供电方式。目前所有的重要计算机设备都采用UPS供电。
4 供电安全要点
(1)电源线应安装避雷设备，最好能从总配电处、分开关处、UPS输入端分别做避雷防护。
(2)要将计算机系统接到专用的电源线路上。
(3)计算机系统供电一定要有保护措施，最常用的是采用UPS。
(4)所有计算机外设使用专用电源时，应降低组件间潜在的干扰。
(5)计算机系统接地。使用粗电缆，各个设备都要接地，合理的接地可以减少由电源本身和计算机外设所产生的噪声，抵消闪电噪声或电涌干扰，减少电击的危险，保证人身安全。
(6)计算机应远离有噪声的电气设备，如空调、工业机床、复印机等，主机房与空调机房应分区域设置。
(7)在有“噪声”的环境里，要屏蔽计算机电线和电缆。
(8)执行程序时不要关闭计算机电源，否则会毁掉数据，甚至烧掉电子电路。
(9)对重要的计算机系统要保证电源的冗余备份，如双回路、双UPS、发电机组等。
1 供电故障对计算机系统的影响
1.1 电源故障的后果
计算机系统中的元器件对于由电源产生的波动及其干扰是非常敏感的。电源故障具有毁坏系统的潜在破坏力，瞬间就会导致大量数据和程序的丢失和损坏。电源安全的目标是减少电源故障发生的次数，使潜在的毁灭性后果降到最低程度。发生电源故障会导致下列毁坏性的后果：
(1)导致全部数据丢失。当录入数据时发生电源故障，系统可能被毁坏，工作中的文件可能被停止，用正常的操作系统存取方法不能存取数据。
(2)可使输入和输出逻辑出错。例如会影响驱动器和监督程序之间读写操作的精确性。
(3)影响CPU的性能。使处理能力变得呆滞起来，而且出现不精确的数字。
(4)导致计算机失去瞬间记忆。数据写到磁盘时，由于电涌或猛烈冲击可能破坏暂存在内存里的程序或数据。
(5)导致CPU的内部电路短路。
据有关统计数据表明，计算机每月至少要受到110～140次电源干扰，干扰类型主要有：瞬变、尖峰、浪涌等。
1.2 电源故障的类型
电源故障类型主要有4类：
(1)电源线噪声。主要以两种形式出现，一种是高压尖脉冲（可能高达6000V），它会冲击电源线路；另一种瞬变现象，是电压噪声，通常是一种调幅脉波。尖峰和瞬变现象在所有电源线故障中占80％以上。
电源线自身也会发出噪声。电流以正弦波流动，电磁脉冲干扰在电源线上会在毫微秒时间内使短暂尖峰达到最高点。
闪电是电磁噪声中破坏力最强的，它会导致电涌进入电气和通信线路，一个持续的电涌可高达7000V，可在线路内走1英里多。
(2)周围环境噪声。周围环境噪声主要来自汽车发动机、X光射线、大功率空调和冰箱、无线电频率干扰等。如工业机床上的感应开关负载会产生高频干扰，工业机床接通电源瞬间，浪涌电流或冲击源会使电机飞速运转，计算机系统不应该安装在这种电气设备附近。另外办公室内的复印机、打字机等设备对计算机也会有影响，计算机的电源插座应该是专用的，连接到单独的开关上，不要与其他电气设备共用，最好能屏蔽计算机的电缆，减少噪声干扰对系统的威胁。
(3)电压波动。电压波动是电网常见现象，电压波动可分为两类：一种是在正常电压值上下摆动。电网在运行过程中受诸多因素的影响总是处于不断的波动状态，这种波动如果超出了主机和外围设备允许的范围，就会使计算机处于不稳定的运行状态，甚至出错，严重时还会停机或损坏机器。另一种是瞬变浪涌或瞬变下跌。由于电网供电系统故障、大负载的改变以及故障设备的影响，造成电压瞬时上升或下跌。据国外资料统计，瞬态电涌出现的频率大致为：5000V（每年1次）、2000V（每年10次）、1000V（每年50次）、400V（每年2000次）。
(4)电源故障。如某一时间段内用电需求过大、电气设备的损坏和断路、线路安装有误、电路过载、闪电和暴风雨等，导致电源故障的发生，供电中断，将持续一段时间，几分钟至几小时，有时甚至是几天，从而影响计算机系统。
2 计算机供电系统的技术要求
为计算机系统提供的电源质量的好坏，直接影响着计算机系统的可靠运行。这种影响不仅来自提供电设备的电压、频率、电流等。而且来自电网所提供的电源质量。这些基本要素都要符合计算机设备的要求，根据我国《计算机站场地技术要求》（GB2887），对供电系统的要求如下：
2.1 线制与额定电压
我国的电力系统采用的是三相四线制，相电压为220V，线电压为380V。计算机系统一般要求三相五线制，即三根相线、一根零线、一根地线，地线单独接地，不与零线共地。在同一个计算机供电系统中，送给各部分的电压可以有220V和380V。需要特别指出的是从国外引进的计算机，有110V的、有三相三线制的，遇到这种情况应设置专门的变压器。
2.2 频率
国内计算机要求的供电频率分为两种：工频50Hz和中频400Hz或1000Hz。从国外引进的计算机，有的设备要求供电的电源频率为60Hz，需要采用专门的频率变换器将50Hz的电源转换成60Hz的电源。
2.3 额定容量
计算机系统要求提供的电源额定容量以两种方式给出：
(1)在额定电压下计算机系统的总容量或计算机系统的总电流。这对选取电力设备、供电电缆、计算机机房的总发热量，以及选取合适的空调是必不可少的资料。通常供电量应留有不少于30％～50％的余量。一般电气设备在启动时要求的电流要比稳定工作时大。
(2)各分机所要求的工作电流，是指设备稳态工作时的额定值。这对设计计算机房的配电柜、选取合适的传输导线和连接器件也是必需的。
2.4 允许的电网异常范围
(1)电压波动。电网电压的波动常常是因电网负载出现了较大的增加或减少而引起的。例如在用电高峰时电压往往偏低，有设备停机时电压往往偏高。电网电压波动的影响是较大的。
国家标准对电压波动等级有如下规定：
电压等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤±5% ≤+7%,≤-10% ≤±10%
(2)频率波动。电网的频率波动主要是由于电网超负荷运行所致。国标波动等级规定如下：
频率等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤±0.05Hz ≤±0.5Hz ≤±1Hz
(3)波形失真度。波形失真度指计算机输入端交流电压所有高次谐波有效值之和与基波有效值之比的百分数。国标规定如下：
失真度等级 A级 B级 C级
波动范围 ≤5% ≤10% ≤20%
(4)瞬时停电。瞬时停电是指计算机在正常运行过程中电网的瞬时断电。瞬时断电时间长会引起计算机出错，甚至停机。瞬时断电所允许的时间在国内尚无标准，日本《工业用计算机环境标准》中规定：A级，3ms以下；B级，100ms以下；C级，200ms以下。
(5)电压瞬变。供电电源的输出电压最大瞬变应小于等于额定电压的8％～10％，并在100～200ms内稳定。
(6)输出电压畸变率。一般应≤±5％。
(7)三相不平衡。指相角不平衡、电压不平衡、电流不平衡三种。目前尚无对三相不平衡要求的标准，若机器有规定时应根据需要处理。
3 计算机系统供电技术
3.1 电力负荷的等级
按照我国用电设备对供电可靠性的要求，电力负荷分为三个等级：
(1)一级负荷。指突然停电将造成人身伤亡危险，或大设备损坏且难以修复以致带来重大经济损失的负荷。
(2)二级负荷。指突然停电将产生大量废品，大量减产，或发生重大设备损失事故，但采取措施能够避免的负荷。
(3)三级负荷。一、二级负荷之外的所有用电设备。
在《计算机站场地技术要求》中，依据计算机的用途和性质以及负荷分级的规定，采取了相应的供电技术：对于一级负荷采用一类供电，即建立不停电系统，而且要保证电网的质量；对于二级负荷采用二类供电，即建立带备用的供电系统；对于三级负荷采用三类供电，即按一般用户供电考虑。
3.2 计算机系统的供电方式
在实际工作中，计算机系统有以下几种常用的供电方式：
(1)直接供电。将变电站送来的工频交流电直接送给计算机设备配电柜，然后再分配给计算机设备。对于需要中频电源的计算机系统，需要将工频交流电经配电盘分成两路，一路直接送计算机，另一路经中频机组输出中频电流后再送计算机配电柜，最后送计算机。
直接供电有设备少、投资低、运行费用少、供电简单、维修方便等优点，但缺点是对电网质量要求高，容易受电网及负载变化的影响。一般采用专用供电线路，只适用于电网质量能满足主机电源及外围设备电源，且附近没有较大负载的启动、电磁干扰很少的情况。
(2)隔离供电。在交流进线后面加一个隔离变压器，然后再送给计算机。隔离变压器的初级和次级之间均加屏蔽层，并各引出一个抽头与初、次级的零线连接，再经一耦合电容接地，对电网瞬变干扰有隔离和衰减作用。
(3)交流稳压器供电。让50Hz的工频交流经交流稳压器后，再供计算机使用。可以衰减许多暂态冲击、幅度波动和电压脉冲，但对电源频率波动无法纠正。
(4)发电机组供电。外电网交流输入经过整流后变为直流，并驱动直流电机，再带动发电机产生交流输出。若电网停电，可利用蓄电池提供直流驱动，满足一段时间内不停电的需求。通过测速电机和惯性飞轮等装置调整输入输出电流，使输出电压和频率不随电网的波动而变化。
(5)不间断电源（UPS）供电。不间断电源最大的特点在于不间断性，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内（微秒至毫秒级）自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向计算机供电。或者平时由逆变器供电，只在逆变器发生故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。UPS提供的电源具有较高的电压和频率稳定性，波形失真也较小，噪声和干扰更优于外电网，是计算机系统最理想的供电方式。目前所有的重要计算机设备都采用UPS供电。
4 供电安全要点
(1)电源线应安装避雷设备，最好能从总配电处、分开关处、UPS输入端分别做避雷防护。
(2)要将计算机系统接到专用的电源线路上。
(3)计算机系统供电一定要有保护措施，最常用的是采用UPS。
(4)所有计算机外设使用专用电源时，应降低组件间潜在的干扰。
(5)计算机系统接地。使用粗电缆，各个设备都要接地，合理的接地可以减少由电源本身和计算机外设所产生的噪声，抵消闪电噪声或电涌干扰，减少电击的危险，保证人身安全。
(6)计算机应远离有噪声的电气设备，如空调、工业机床、复印机等，主机房与空调机房应分区域设置。
(7)在有“噪声”的环境里，要屏蔽计算机电线和电缆。
(8)执行程序时不要关闭计算机电源，否则会毁掉数据，甚至烧掉电子电路。
(9)对重要的计算机系统要保证电源的冗余备份，如双回路、双UPS、发电机组等。
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