摘 要 本文對(duì)通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案作了探討，并在UPS容量的確定、后備電池的配置、冗余方式的選擇等方面提出了自己的觀點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 UPS 供電系統(tǒng) 容量 電池 冗余 智能性
1引言
計(jì)算機(jī)在通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)供電質(zhì)量提出了越來越高的要求，由此在通信機(jī)房中安裝UPS（不間斷電源）供電系統(tǒng)變得越來越普遍。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的UPS供電系統(tǒng)能給負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，然而在實(shí)際應(yīng)用中，許多問題又往往是UPS供電系統(tǒng)本身引起的。因此，如何建立～個(gè)合理的、安全的UPS供電系統(tǒng)成為大家關(guān)注的問題。本文將從UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)這～問題進(jìn)行探討。
2對(duì)UPS前級(jí)供電系統(tǒng)的要求
UPS可以向負(fù)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(shí)可以做到供電無間斷。但要做到這點(diǎn)，它的前級(jí)供電質(zhì)量不容忽視。我們?cè)谠O(shè)計(jì)通信機(jī)房前級(jí)供電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
�。�1）前級(jí)供電系統(tǒng)電源質(zhì)量不宜太差，電壓及頻率應(yīng)穩(wěn)定在正常范圍。一般地講，大容量UPS主機(jī)輸人電壓范圍應(yīng)為380V±15％。電壓過低，將使UPS備電池頻繁放電，最終因長(zhǎng)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(duì)于旁路輸入，其電壓和頻率波動(dòng)也有～定的范圍，一般為額定電壓±10%，額定頻率±15％，如果前級(jí)電源變化范圍過大，就會(huì)導(dǎo)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(jī)房的前級(jí)電網(wǎng)在電壓范圍上達(dá)不到要求，應(yīng)在UPS前級(jí)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?yàn)檫@兩類穩(wěn)壓器在開機(jī)時(shí)可產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS故障。
�。�2）前級(jí)供電系統(tǒng)中不應(yīng)當(dāng)帶有別的頻繁啟動(dòng)負(fù)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(fù)載開、關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)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(dòng)作，進(jìn)而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS電源盡可耀于電網(wǎng)輸入的前端。
（3）前級(jí)供電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)組容量應(yīng)適當(dāng)放大。大多數(shù)通信機(jī)房都備有發(fā)電機(jī)組，以解決較長(zhǎng)時(shí)間停電難以供電問題。但在配置發(fā)電機(jī)組時(shí)，其容量應(yīng)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(jī)輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。
3 UPS容量的確定
根據(jù)負(fù)載容量及性質(zhì)，選擇適當(dāng)?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(jì)效益。一般來說，UPS容量的確定主要是要滿足當(dāng)前負(fù)載的需要，同時(shí)，也要考慮幾個(gè)因素：
�。�1）負(fù)載性質(zhì)對(duì)UPS輸出功率的影響。當(dāng)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(fù)載功率因數(shù)為一0.8（滯后）時(shí)的值，而UPS電源實(shí)際可帶的負(fù)載量是與負(fù)載功率因數(shù)密切相關(guān)的，當(dāng)負(fù)載為純電阻性或電感性時(shí)，逆變器在額定機(jī)在功率下其有功功率將有所下降。所以在考慮UPS容量時(shí)，對(duì)不同的負(fù)載功率因數(shù)要進(jìn)行功率折算，通�？勺鬟@樣的估算：假設(shè)負(fù)載功率因數(shù)為一0.8（滯后）時(shí)UPS額定功率為1KVA，則當(dāng)功率因數(shù)為一0.9和-1.0時(shí)，輸出功率分別約為0.9－0.92 kVA和0.74－0.77kVA。對(duì)于計(jì)算機(jī)類負(fù)載，只要負(fù)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(duì)于電阻性或電感性負(fù)載，則需酌情加大UPS容量。
（2）UPS容量較負(fù)載不宜過大，使其過度輕載運(yùn)行。過度輕載運(yùn)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(shí)，電池放電電流過小而放電時(shí)間偏長(zhǎng)，在電池保護(hù)裝置故障時(shí)，電池組被深度放電，而遭永久性損壞。
�。�3）UPS容量不宜過小，使其長(zhǎng)期處于重載運(yùn)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(yùn)行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動(dòng)過大。這樣既不能為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS逆變器的本級(jí)驅(qū)動(dòng)元件損壞，所以，即使從經(jīng)濟(jì)角度講也是得不償失。根據(jù)目前一些UPS廠家推薦，UPS負(fù)載量不宜長(zhǎng)期超過其額定容量的80%。
�。�4）對(duì)于通信機(jī)房面積較大，負(fù)載不斷分期擴(kuò)容的情況，在首期配置UPS容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮中遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢(shì)，并在選型中挑選可并機(jī)或多機(jī)運(yùn)行的機(jī)型，以使中遠(yuǎn)期負(fù)載容量增大時(shí)，通過UPS并機(jī)擴(kuò)大其輸出容量。相應(yīng)地，配置UPS輸入輸出配電屏?xí)r，應(yīng)預(yù)留多臺(tái)UPS的輸入開關(guān)和中遠(yuǎn)期的負(fù)荷分路開關(guān)，以便于今后擴(kuò)容。
4供電系統(tǒng)的電氣隔離及接地
一般來說，電網(wǎng)中經(jīng)常存在差模噪擾和共模噪擾，這些噪擾對(duì)計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行存在著不同程度干擾。另外，零線電位的偏移也會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行造成影響。所以在考慮UPS供電方案時(shí)應(yīng)采取措施把這些影響減少到最小。傳統(tǒng)的UPS通過內(nèi)部的工頻輸入及輸出變壓器來實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)間的電隔離和電壓匹配，抑制來自電網(wǎng)的共模及差模噪擾電壓，使其不致耦會(huì)到計(jì)算機(jī)電源。此類UPS的輸出零點(diǎn)是取自隔離變壓器次級(jí)Y型繞組的中性點(diǎn)。為保證輸出零點(diǎn)電壓不偏移，應(yīng)從通信機(jī)房的交流工作接地排上單獨(dú)引線至該輸出點(diǎn)。
為了解決通信機(jī)房面積窄小及樓板荷載能力不足問題，近年來，出現(xiàn)了采用高頻鏈結(jié)構(gòu)的不含輸出隔離變壓器的UPS。由于采用了高頻變壓器代替工頻變壓器，其體積重量明顯減小，但因?yàn)槠漭敵鋈鹬苯油ㄟ^變換元件輸出，一定程度上存在直流高壓過人負(fù)載的危險(xiǎn)，而且在三相負(fù)載不平衡情況下，還存在電壓零點(diǎn)偏移問題。中性線與地線間的電壓可達(dá)十幾伏甚至更高，大大超出一些計(jì)算機(jī)廠家的要求。所以對(duì)于大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等比較重要的負(fù)載，供電系統(tǒng)應(yīng)盡量采用帶工頻隔離變壓器的UPS。
5正確配置UPS后備電池
為保證電網(wǎng)停電時(shí)，也能利用UPS電源繼續(xù)向計(jì)算機(jī)提供高質(zhì)量供電，后備電池的配置尤為重要。當(dāng)負(fù)載不允許被中供電時(shí)，通信機(jī)房?jī)?nèi)UPS電池后備時(shí)間應(yīng)大于從市電中斷到恢復(fù)的時(shí)間或到發(fā)電機(jī)組正常供電所需時(shí)間（前級(jí)供電系統(tǒng)配有發(fā)電機(jī)組），若此段時(shí)間較長(zhǎng)，則應(yīng)配置外接的長(zhǎng)延時(shí)的電池組，但此時(shí)應(yīng)確認(rèn)UPS內(nèi)部整流器有能力對(duì)外接大容量電池組進(jìn)行充電，否則應(yīng)配置外接充電器。電池容量選擇應(yīng)遵循以下原則：即電池必須在后備時(shí)間內(nèi)供電給逆變器，且在額定負(fù)載下，電池組電壓不應(yīng)下降到逆變器所允許的最低電壓以下。在布置機(jī)房設(shè)備排列時(shí)，應(yīng)盡量使電池組靠近UPS主機(jī)，縮短兩者連線長(zhǎng)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(duì)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(hù)帶來不便。
6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(diǎn)，考慮方案時(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，選擇合適的模式。
當(dāng)前冗余連接方式大致有以下三種：
�。�1）雙機(jī)主從式熱備份。將作為從機(jī)的UPS1輸出接到另一臺(tái)作為主機(jī)的UPS2的旁路輸入，正常運(yùn)行時(shí)由UPS2供電，UPS1處于備份。當(dāng)UPS2故障時(shí)，負(fù)載切換至UPS2旁路，由UPS1承擔(dān)負(fù)載供給任務(wù)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，但存在以下缺點(diǎn)：主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，而從機(jī)處于長(zhǎng)期待機(jī)狀態(tài)，兩機(jī)的元件老化程度不均勻；在從機(jī)供電的狀態(tài)下，主機(jī)靜態(tài)旁路故障時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)供電失��；系統(tǒng)負(fù)載不能超過單機(jī)容量且以后無法擴(kuò)容。
�。�2）功率均分并聯(lián)備份。該系統(tǒng)將兩臺(tái)或多臺(tái)UPS逆變單元并聯(lián)運(yùn)行，正常時(shí)兩臺(tái)（或多臺(tái)）逆變器同時(shí)向負(fù)載均分供電，當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí)，該UPS從系統(tǒng)中脫離，用戶所需負(fù)載電流，由剩余逆變器按新的份額重新供電。此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu)，一種是UPS通過外加并機(jī)柜方式并聯(lián)，并機(jī)柜提供同步及多機(jī)均流控制，同時(shí)提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路；另一種是在每臺(tái)UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺(tái)機(jī)器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)容（采用并機(jī)柜方式時(shí)應(yīng)將并機(jī)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(diǎn)：（a）采用并機(jī)柜方式的，并機(jī)柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點(diǎn)，一旦它內(nèi)部失控或故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)供電失敗。（b）由于各臺(tái)UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致，導(dǎo)致各UPS在向負(fù)載供電同時(shí)，還在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流，當(dāng)環(huán)流過大，將直接危及逆變器安全。此外，如果各UPS向負(fù)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(huì)引發(fā)故障，一般來說，供電系統(tǒng)中并機(jī)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(tái)UPS的電池組輸入，整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián)，并共用旁路，正常時(shí)兩臺(tái)整流器同時(shí)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(guān)選擇其中一臺(tái)逆變器向負(fù)載供電，兩臺(tái)整流器和逆變器分別互為備用，只有當(dāng)兩臺(tái)逆變器同時(shí)故障時(shí)，系統(tǒng)將負(fù)載切至共同靜態(tài)旁路，由市電繼續(xù)向負(fù)載供電。該方案沒有瓶頸故障點(diǎn)，任何一臺(tái)UPS局部或整體故障，系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負(fù)載供電，由于真正輸出只有一臺(tái)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(jī)運(yùn)行模式，帶載能力相對(duì)差且不易擴(kuò)容。
7供電系統(tǒng)應(yīng)具備智能性
為了保證供電系統(tǒng)能長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行，UPS必須具有智能性，對(duì)運(yùn)行中的UPS狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)UPS故障及時(shí)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(shí)，作為通信機(jī)房動(dòng)力系統(tǒng)的一部分，應(yīng)提供通信協(xié)議，以便納入動(dòng)力集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)考慮到這些因素。
一般來說，作為智能性的UPS應(yīng)具備下列功能：
（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。監(jiān)視電路中各部分狀態(tài)，隨時(shí)獲取主機(jī)工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)。
（2）人機(jī)交互功能。可按實(shí)際運(yùn)行情況，通過程序修改，重新設(shè)置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點(diǎn)閥值，也可讀取UPS電源各種工作參數(shù)。
（3）故障診斷功能。對(duì)監(jiān)測(cè)到的不正常參數(shù)及時(shí)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(dòng)記錄有關(guān)信息。
�。�4）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。提供一個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接口，能通過RS232或RS485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與異地計(jì)算機(jī)終端通訊，達(dá)到遙測(cè)和遙信的目的。
8結(jié)束語
一個(gè)UPS供電方案的好壞，直接決定了通信機(jī)房?jī)?nèi)重要負(fù)載是否能正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)時(shí)，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(shè)備及計(jì)算機(jī)負(fù)載提供有效的保障。至更高，大大超出一些計(jì)算機(jī)廠家的要求。所以對(duì)于大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等比較重要的負(fù)載，供電系統(tǒng)應(yīng)盡量采用帶工頻隔離變壓器的UPS。
