淺談通信機房UPS供電系統(tǒng)配置方案
不間斷電源(UPS)在通信領域應用十分廣泛。在通信機房中安裝UPS(不間斷電源)供電系統(tǒng)越來越普遍。一個設計良好的UPS供電系統(tǒng)能給負載提供優(yōu)質(zhì)電源。如何建立一個合理的、安全的UPS供電系統(tǒng)成為大家關注的問題。筆者從UPS供電系統(tǒng)配置各方面進行論述，以供同行參考。
1 對UPS前級供電系統(tǒng)的要求
UPS可以向負載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，并且在與靜態(tài)旁路切換時可以做到供電無間斷。但要做到這點，它的前級供電質(zhì)量不容忽視。我們在設計通信機房前級供電系統(tǒng)時，應考慮以下幾個方面：
(1)前級供電系統(tǒng)電源質(zhì)量不宜太差，電壓及頻率應穩(wěn)定在正常范圍。一般地講，大容量UPS主機輸入電壓范圍應為380V±15％。電壓過低，將使UPS備用電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命；相反，電壓過高，則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入，其電壓和頻率波動也有一定的范圍，一般為額定電壓±10％，額定頻率±15％。如果前級電源變化范圍過大，就會導致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此，如果通信機’房的前級電網(wǎng)在電壓范圍上達不到要求，應在UPS前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源，但不宜采用電子管型交流穩(wěn)壓器或磁飽和穩(wěn)壓器，因為這兩類穩(wěn)壓器在開機時可產(chǎn)生瞬時高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS故障。
(2)前級供電系統(tǒng)中不應當帶有頻繁啟動負載，比如經(jīng)常使用的電梯，頻繁開啟的空調(diào)等。原因是在這些負載開、關機時會出現(xiàn)瞬間高低壓，使供電線路上電壓波形失真度過大，造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動作，進而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS電源盡可置于電網(wǎng)輸入的前端。
(3)前級供電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機組容量應適當放大。大多數(shù)通信機房都備有發(fā)電機組，以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發(fā)電機組時，其容量應考慮不少于UPS電源額定輸出功率的1.5~2倍，以保證發(fā)電機輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。
2 UPS容量的確定
根據(jù)負載容量及性質(zhì)，選擇適當?shù)腢PS，既可保證UPS的供電質(zhì)量，降低故障率，又可節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益。一般來說，UPS容量的確定主要是要滿足當前負載的需要，同時，也要考慮幾個因素：
(1)負載性質(zhì)對UPS輸出功率的影響。當前大部分UPS生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品說明書中所給的輸出功率都是指負載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時的值，而UPS電源實際可帶的負載量是與負載功率因數(shù)密切相關的。當負載為純電阻性或電感性時，逆變器在額定功率下其有功功率將有所下降。所以在考慮UPS容量時，對不同的負載功率因數(shù)要進行功率折算。通�？勺鬟@樣的估算：假設負載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時UPS額定功率為1kVA，則當功率因數(shù)為-0.9和-1.0時，輸出功率分別約為0.9～0.92kVA和0.74~0.77 kVA。對于計算機類負載，只要負載的峰值系數(shù)在UPS允許的范圍內(nèi)，UPS基本上可以輸出額定功率，對于電感性負載，則需酌情加大UPS容量。
(2)UPS容量較負載不宜過大，以免使其過度輕載運行。過度輕載運行雖有利于降低逆變器的損壞概率，但可能造成市電停電時，電池放電電流過小而放電時間偏長，在電池保護裝置故障時，電池組被深度放電，而遭永久性損壞。
(3)UPS容量不宜過小，以免使其長期處于重載運行狀態(tài)。這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS逆變器的損壞，所以，即使從經(jīng)濟角度講也是得不償失。根據(jù)目前一些UPS廠家推薦，UPS負載量不宜長期超過其額定容量的80％。
(4)對于通信機房面積較大，負載不斷分期擴容的情況，在首期配置UPS容量時，應適當考慮中遠期發(fā)展趨勢，并在選型中挑選可并機或多機運行的機型，以使中遠期負載容量增大時，通過UPS并機擴大其輸出容量。相應地，配置UPS輸入輸出配電屏時，應預留多臺UPS的輸入開關和中遠期的負荷分路開關，以便于今后擴容。
3 正確配置UPS后備電池
為保證電網(wǎng)停電時，也能利用UPS電源繼續(xù)向計算機提供高質(zhì)量供電，后備電池的配置尤為重要。當負載不允許被中供電時，通信機房內(nèi)UPS電池后備時間應大于從市電中斷到恢復的時間或到發(fā)電機組正常供電所需時間(前級供電系統(tǒng)配有發(fā)電機組)。若此段時間較長，則應配置外接的長延時的電池組，但此時應確認UPS內(nèi)部整流器有能力對外接大容量電池組進行充電，否則應配置外接充電器。電池容量選擇應遵循以下原則：即電池必須在后備時間內(nèi)供電給逆變器，且在額定負載下，電池組電壓不應下降到逆變器所允許的最低電壓以下。在布置機房設備排列時，應盡量使電池組靠近UPS主機，縮短兩者連線長度，增大連線截面積，以降低連線自感量和線路壓降。電池組可安裝在電池柜內(nèi)，也可安裝在敞開的電池架中，前者美觀、整潔，但對樓板承重要求較高，后者可分散承重，且散熱性好，但占地面積多，易積塵，給維護帶來不便。
4 通過冗余方式增加供電可靠性
為了提高UPS供電的可靠性，可采用多種UPS冗余連接方式。各種方式都有優(yōu)缺點，考慮方案時要根據(jù)實際負載情況，選擇合適的模式。冗余連接方式大致有以下三種：
(1)雙機主從式熱備份。將作為從機的UPSl輸出接到另一臺作為主機的UPS2的旁路輸入，正常運行時由UPS2供電，UPSl處于備份。當UPS2故障時，負載切換至UPS2旁路，由UPSl承擔負載供給任務。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡單，但存在以下缺點：主機長時間工作，而從機處于長期待機狀態(tài)，兩機的元件老化程度不均勻；在從機供電的狀態(tài)下，主機靜態(tài)旁路故障時將導致系統(tǒng)供電失�。幌到y(tǒng)負載不能超過單機容量且以后無法擴容。
(2)功率均分并聯(lián)備份。該系統(tǒng)將兩臺或多臺UPS逆變單元并聯(lián)運行，正常時兩臺(或多臺)逆變器同時向負載均分供電。當其中一臺故障時，該UPS從系統(tǒng)中脫離，用戶所需負載電流，由剩余逆變器按新的份額重新分配供電。此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu)，一種是UPS通過外加并機柜方式并聯(lián)，并機柜提供同步及多機均流控制，同時提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路；另一種是在每臺UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺機器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點是易于擴容(采用并機柜方式時應將并機柜按終期考慮)，通過冗余備份提高供電可靠性，但也存在缺點：(a)采用并機柜方式的，并機柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點，一旦它內(nèi)部失控或故障，會導致整個系統(tǒng)供電失敗。(b)由于各臺UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致，導致各UPS在向負載供電同時，還在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流。當環(huán)流過大，將直接危及逆變器安全。此外，如果各UPS向負載供電的電流差異過大，將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡，也會引發(fā)故障。一般來說，供電系統(tǒng)中并機數(shù)量越多，UPS電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也越大。
(3)并聯(lián)熱備份。該系統(tǒng)將兩臺UPS的電池組輸入、整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián)，共用旁路。正常時兩臺整流器同時向兩逆變器供電，并向兩組電池充電，通過逆變器輸出靜態(tài)開關選擇其中一臺逆變器向負載電，兩臺整流器和逆變器分別互為備用。只有當兩臺逆變器同時故障時，系統(tǒng)將負載切至共同靜態(tài)旁路，由市電繼續(xù)向負載供電。該方案沒有瓶頸故障點，任何一臺UPS局部或整體故障，系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負載供電，由于真正輸出只有一臺逆變器，故也不存在逆變器間的環(huán)流，但由于此模式類似單機運行模式，帶載能力相對差且不易擴容。
5 供電系統(tǒng)應具備智能性
為了保證供電系統(tǒng)能長期不間斷運行，UPS必須具有智能性，對運行中的UPS狀態(tài)自動檢測，對UPS故障及時發(fā)現(xiàn)。診斷和處理，并減少因故障或檢修而造成的間斷，同時，作為通信機房動力系統(tǒng)的一部分，應提供通信協(xié)議，以便納入動力集中監(jiān)控網(wǎng)絡內(nèi)。因此，在系統(tǒng)設計時，我們應考慮到這些因素。一般來說，作為智能性的UPS應具備下列功能：
(1)實時監(jiān)測功能。監(jiān)視電路中各部分狀態(tài)，隨時獲取主機工作時的有關參數(shù)。
(2)人機交互功能。可按實際運行情況，通過程序修改，重新設置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點閥值，也可讀取UPS電源各種工作參數(shù)。
(3)故障診斷功能。對監(jiān)測到的不正常參數(shù)及時分析，及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭，顯示其性質(zhì)、部位，給出處理方法，并自動記錄有關信息。
(4)遠程監(jiān)控功能。提供一個遠程計算機接口，能通過RS232或RS485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)與異地計算機終端通訊，達到遙測和遙信的目的。
6 結(jié)束語
在設計通信機房UPS供電系統(tǒng)時，我們既要節(jié)省投資，又要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性，為通信設備及計算機負載提供有效的動力保障。
1 對UPS前級供電系統(tǒng)的要求
UPS可以向負載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源，并且在與靜態(tài)旁路切換時可以做到供電無間斷。但要做到這點，它的前級供電質(zhì)量不容忽視。我們在設計通信機房前級供電系統(tǒng)時，應考慮以下幾個方面：
(1)前級供電系統(tǒng)電源質(zhì)量不宜太差，電壓及頻率應穩(wěn)定在正常范圍。一般地講，大容量UPS主機輸入電壓范圍應為380V±15％。電壓過低，將使UPS備用電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命；相反，電壓過高，則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入，其電壓和頻率波動也有一定的范圍，一般為額定電壓±10％，額定頻率±15％。如果前級電源變化范圍過大，就會導致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此，如果通信機’房的前級電網(wǎng)在電壓范圍上達不到要求，應在UPS前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源，但不宜采用電子管型交流穩(wěn)壓器或磁飽和穩(wěn)壓器，因為這兩類穩(wěn)壓器在開機時可產(chǎn)生瞬時高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS故障。
(2)前級供電系統(tǒng)中不應當帶有頻繁啟動負載，比如經(jīng)常使用的電梯，頻繁開啟的空調(diào)等。原因是在這些負載開、關機時會出現(xiàn)瞬間高低壓，使供電線路上電壓波形失真度過大，造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動作，進而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS電源盡可置于電網(wǎng)輸入的前端。
(3)前級供電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機組容量應適當放大。大多數(shù)通信機房都備有發(fā)電機組，以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發(fā)電機組時，其容量應考慮不少于UPS電源額定輸出功率的1.5~2倍，以保證發(fā)電機輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。
2 UPS容量的確定
根據(jù)負載容量及性質(zhì)，選擇適當?shù)腢PS，既可保證UPS的供電質(zhì)量，降低故障率，又可節(jié)省投資，提高經(jīng)濟效益。一般來說，UPS容量的確定主要是要滿足當前負載的需要，同時，也要考慮幾個因素：
(1)負載性質(zhì)對UPS輸出功率的影響。當前大部分UPS生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品說明書中所給的輸出功率都是指負載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時的值，而UPS電源實際可帶的負載量是與負載功率因數(shù)密切相關的。當負載為純電阻性或電感性時，逆變器在額定功率下其有功功率將有所下降。所以在考慮UPS容量時，對不同的負載功率因數(shù)要進行功率折算。通�？勺鬟@樣的估算：假設負載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時UPS額定功率為1kVA，則當功率因數(shù)為-0.9和-1.0時，輸出功率分別約為0.9～0.92kVA和0.74~0.77 kVA。對于計算機類負載，只要負載的峰值系數(shù)在UPS允許的范圍內(nèi)，UPS基本上可以輸出額定功率，對于電感性負載，則需酌情加大UPS容量。
(2)UPS容量較負載不宜過大，以免使其過度輕載運行。過度輕載運行雖有利于降低逆變器的損壞概率，但可能造成市電停電時，電池放電電流過小而放電時間偏長，在電池保護裝置故障時，電池組被深度放電，而遭永久性損壞。
(3)UPS容量不宜過小，以免使其長期處于重載運行狀態(tài)。這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS逆變器的損壞，所以，即使從經(jīng)濟角度講也是得不償失。根據(jù)目前一些UPS廠家推薦，UPS負載量不宜長期超過其額定容量的80％。
(4)對于通信機房面積較大，負載不斷分期擴容的情況，在首期配置UPS容量時，應適當考慮中遠期發(fā)展趨勢，并在選型中挑選可并機或多機運行的機型，以使中遠期負載容量增大時，通過UPS并機擴大其輸出容量。相應地，配置UPS輸入輸出配電屏時，應預留多臺UPS的輸入開關和中遠期的負荷分路開關，以便于今后擴容。
3 正確配置UPS后備電池
為保證電網(wǎng)停電時，也能利用UPS電源繼續(xù)向計算機提供高質(zhì)量供電，后備電池的配置尤為重要。當負載不允許被中供電時，通信機房內(nèi)UPS電池后備時間應大于從市電中斷到恢復的時間或到發(fā)電機組正常供電所需時間(前級供電系統(tǒng)配有發(fā)電機組)。若此段時間較長，則應配置外接的長延時的電池組，但此時應確認UPS內(nèi)部整流器有能力對外接大容量電池組進行充電，否則應配置外接充電器。電池容量選擇應遵循以下原則：即電池必須在后備時間內(nèi)供電給逆變器，且在額定負載下，電池組電壓不應下降到逆變器所允許的最低電壓以下。在布置機房設備排列時，應盡量使電池組靠近UPS主機，縮短兩者連線長度，增大連線截面積，以降低連線自感量和線路壓降。電池組可安裝在電池柜內(nèi)，也可安裝在敞開的電池架中，前者美觀、整潔，但對樓板承重要求較高，后者可分散承重，且散熱性好，但占地面積多，易積塵，給維護帶來不便。
4 通過冗余方式增加供電可靠性
為了提高UPS供電的可靠性，可采用多種UPS冗余連接方式。各種方式都有優(yōu)缺點，考慮方案時要根據(jù)實際負載情況，選擇合適的模式。冗余連接方式大致有以下三種：
(1)雙機主從式熱備份。將作為從機的UPSl輸出接到另一臺作為主機的UPS2的旁路輸入，正常運行時由UPS2供電，UPSl處于備份。當UPS2故障時，負載切換至UPS2旁路，由UPSl承擔負載供給任務。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡單，但存在以下缺點：主機長時間工作，而從機處于長期待機狀態(tài)，兩機的元件老化程度不均勻；在從機供電的狀態(tài)下，主機靜態(tài)旁路故障時將導致系統(tǒng)供電失�。幌到y(tǒng)負載不能超過單機容量且以后無法擴容。
(2)功率均分并聯(lián)備份。該系統(tǒng)將兩臺或多臺UPS逆變單元并聯(lián)運行，正常時兩臺(或多臺)逆變器同時向負載均分供電。當其中一臺故障時，該UPS從系統(tǒng)中脫離，用戶所需負載電流，由剩余逆變器按新的份額重新分配供電。此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu)，一種是UPS通過外加并機柜方式并聯(lián)，并機柜提供同步及多機均流控制，同時提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路；另一種是在每臺UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺機器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點是易于擴容(采用并機柜方式時應將并機柜按終期考慮)，通過冗余備份提高供電可靠性，但也存在缺點：(a)采用并機柜方式的，并機柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點，一旦它內(nèi)部失控或故障，會導致整個系統(tǒng)供電失敗。(b)由于各臺UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致，導致各UPS在向負載供電同時，還在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流。當環(huán)流過大，將直接危及逆變器安全。此外，如果各UPS向負載供電的電流差異過大，將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡，也會引發(fā)故障。一般來說，供電系統(tǒng)中并機數(shù)量越多，UPS電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也越大。
(3)并聯(lián)熱備份。該系統(tǒng)將兩臺UPS的電池組輸入、整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián)，共用旁路。正常時兩臺整流器同時向兩逆變器供電，并向兩組電池充電，通過逆變器輸出靜態(tài)開關選擇其中一臺逆變器向負載電，兩臺整流器和逆變器分別互為備用。只有當兩臺逆變器同時故障時，系統(tǒng)將負載切至共同靜態(tài)旁路，由市電繼續(xù)向負載供電。該方案沒有瓶頸故障點，任何一臺UPS局部或整體故障，系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負載供電，由于真正輸出只有一臺逆變器，故也不存在逆變器間的環(huán)流，但由于此模式類似單機運行模式，帶載能力相對差且不易擴容。
5 供電系統(tǒng)應具備智能性
為了保證供電系統(tǒng)能長期不間斷運行，UPS必須具有智能性，對運行中的UPS狀態(tài)自動檢測，對UPS故障及時發(fā)現(xiàn)。診斷和處理，并減少因故障或檢修而造成的間斷，同時，作為通信機房動力系統(tǒng)的一部分，應提供通信協(xié)議，以便納入動力集中監(jiān)控網(wǎng)絡內(nèi)。因此，在系統(tǒng)設計時，我們應考慮到這些因素。一般來說，作為智能性的UPS應具備下列功能：
(1)實時監(jiān)測功能。監(jiān)視電路中各部分狀態(tài)，隨時獲取主機工作時的有關參數(shù)。
(2)人機交互功能。可按實際運行情況，通過程序修改，重新設置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點閥值，也可讀取UPS電源各種工作參數(shù)。
(3)故障診斷功能。對監(jiān)測到的不正常參數(shù)及時分析，及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭，顯示其性質(zhì)、部位，給出處理方法，并自動記錄有關信息。
(4)遠程監(jiān)控功能。提供一個遠程計算機接口，能通過RS232或RS485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)與異地計算機終端通訊，達到遙測和遙信的目的。
6 結(jié)束語
在設計通信機房UPS供電系統(tǒng)時，我們既要節(jié)省投資，又要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性，為通信設備及計算機負載提供有效的動力保障。
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