新型UPS应用领域.docx

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新型UPS应用领域

随着供电企业深入推进集约化、标准化、精益化、信息化的管理,计算机技术和网络技术在电力调度生产、电网自动化控制、电力优质服务及电力信息资源处理等领域使用日趋广泛,电力企业对计算机及网络系统的依赖程度越来越高,与此同时,也对电力中心机房等信息设备较为集中的重要场所提供稳定电能的UPS供电系统（简称UPS）的可靠性提出了更高的要求。

1  双机冗余单总线供电系统

云和县电力局中心机房建于2007年,位于电力局行政大楼十层,为满足设备可靠性方面的要求,机房核心设备均具有双电源输入能力。

目前,机房由两台容量为20kVA的UPS并联供电（在线式UPS）。

理论上,整个机房动力系统能提供2×20kVA供电容量,在日常情况下,机房平均总负载为11.8kVA,UPS并机负载率在30%左右。

信息中心机房UPS并联方式和配电接线如图1所示。

图1 云和县电力局信息中心机房UPS配线图

云和县电力局中心机房的整个动力系统是由独立变压器输入的市电1、市电2、ATS（自动切换开关）、TVSS（防雷击、抗浪涌抑制器），两台UPS和输电配电柜共同组成的“双输入，单输出”供电系统，属于典型的双机冗余单总线输出供电系统。

正常情况下,两路市电输入中有一路作为主输入电源,旁路开关闭合,UPS1和UPS2输入开关闭合,市电经过两台UPS后输出波形良好的220V电源。

在输出方面,单电源设备直接连接在输出总线上,而双电源负载设备则通过并联方式连接在两路总线的分线上。

如果主路市电发生故障,ATS能在比较短的时间内（80～100ms）自动执行切换操作,同时UPS的输入电源会出现短暂的停电,但由于UPS设备能在短时间内（4ms）对设备恢复供电，对于机房负载来说并无任何影响。

倘若某台UPS出现故障时，在UPS并机逻辑控制板的调控下，通过执行选择性脱机操作，还能将故障的这台UPS从并机系统的输出总线中脱离出来，由剩下的一台UPS不间断地向负载供电，提高了系统的供电可靠性。

根据“1+1”UPS冗余并机系统的工作原理,不难发现其优点:

（1）由两台UPS平均分担负载电流,减轻供电系统设备负担,提高系统稳定性;

（2）过载能力强,容量是单台UPS的两倍,能提供更大的设备负载和过电流能力;

（3）虽然UPS单机的MTBF（平均无故障时间）普遍已达到了几十万小时,但并机系统仍能大幅提升系统可靠性。

应用“1+1”UPS冗余单总线供电系统的确带来了不少的好处,但通过仔细的分析,还是可以看到该系统存在的一些问题:

（1）市电输入。

以来自不同变压器的双路市电输入为例,双机冗余并联时一般是利用ATS将双市电互投为一路输出,两台UPS共用一条输入总线,从而在输入端形成了“单点瓶颈”故障隐患,如图2所示。

例如,原来以市电1为主电源,市电2为备用电源,此时ATS通常就接通市电1到UPS组。

当市电1停电时,ATS断开市电1而将市电2转为UPS组输入。

正常情况下，只要有一路市电正常，ATS通过电源切换都能保证UPS组输入正常。

但如果ATS发生故障，无法实现转接功能时，其后的UPS组失去输入电压，UPS在电池组放电终了后因低电压保护自动关闭运行，最终将导致机房负载全停。

图2 双机冗余并联ATS连接

（2）电源输出。

由于双机冗余的单总线输出结构,无论是单电源输入的负载,还是双电源输入的负载都被连接在同一条UPS的输出总线上,并没有其它的冗余供电通道,从而在输出端形成了“单点瓶颈”故障隐患。

特别是UPS设备运行当中,如果出现设备或其他故障,影响到并联输出端时,致使UPS并机系统出现闪断甚至停电情况,那么也将导致设备负载全停。

2  提高系统可靠性的措施

为了提高信息机房供电系统的运行可靠性,一般采用的方法有两种,即供电系统的冗余连接和负载设备的双电源或三电源冗余输入。

这可从可用性表达式中看出

（1）

式中的A（Availability）表示的是可用性,其含义是在整个规定运行时间中,可靠供电时间的比例;MTBF是表示设备可靠性的平均无故障时间,其含义是平均多长时间不出故障;MTTR表示的是平均修复时间,其含义是电源所有故障维修时间之平均值。

从式

（1）中可以看出,提高系统可用性有两个途径:

提高电源的平均无故障时间和缩短平均修复时间。

经过分析总结,可以通过以下几个方面提高UPS可靠性。

（1）元器件的选用;

（2）UPS的拓扑结构;

（3）UPS的制造工艺;

（4）冗余技术。

一般情况下,当机器的质量达到一定程度后,再增大平均无故障时间的代价较大,而且效果也不太显著（因为不能将平均无故障时间做到无穷大）。

然而缩短平均修复时间的效果却比较明显,如果平均修复时间缩短为零（这种可能性是存在的,而且也不难实现）,那么可用性就是100%。

3  优化方案

对于云和县电力局中心机房供电系统而言,UPS设备已存在,实际使用过程中,通过升级UPS元器件和提升设备制造工艺来提高系统的可靠性已不现实,如果能从UPS的冗余技术入手,适当调整系统配线结构,设计更佳的配电拓扑方案,使设备在发生故障时尽可能地缩短平均修复时间,甚至具有一定的“自愈”能力,那么整个UPS系统的可靠性将得到进一步提高。

3.1  双机双总线供电系统

通过上述分析，不管在市电输入端还是在UPS输出端，双机冗余单总线供电方案中的“单点瓶颈”主要原因还是由于只有一条总线，如果能合理地增加一条冗余通道，提高系统关键点的复用性，那么问题就可迎刃而解。

（1）市电输入。

在原有设备的基础上,增加一组ATS转换设备,即使在一组ATS发生故障不能转接的情况下,另外一组ATS也能照常工作,至少能为一台UPS提供市电输入,如图3所示。

图3 两种供电方案ATS连接原理图

（2）UPS输出。

考虑到云和县电力局机房UPS供电系统总体负载不大,可以将两台并联的UPS分开,使其单独出线,形成两条总线为设备供电,即所说的双机双总线供电系统。

从图中可以看出，系统总供电容量未发生变化,依旧为2×20kVA，双机双总线供电方案具有两条系统总线，很好地解决了双机冗余单总线供电方案的“单点瓶颈”问题，但分开单独供电之后，两台UPS各以20kVA的容量向连接到各自输出端的负载供电，设备在失去并机大容量负载能力的同时，也使得连接在UPS一端的单电源负载设备显得更加脆弱，一旦其中一台UPS故障，另一台UPS将不能提供并联供电输出能力，所以故障UPS将不得不通过市电旁路来为连接其后端的设备供电，由于旁路引自于非主电源输入的市电，其输入的不稳定性将直接影响到后端负载的供电可靠性。

那么如何通过更好的拓扑设计使得在一台UPS故障情况下,能由另外一台UPS继续向其后端负载供电呢?

如果能有一种类似于ATS的装置并能在短时间内对UPS两路输出电源进行切换而不影响设备运行,那么问题也将得到很好的解决。

而静态转换开关STS的出现,使电源的不间断切换变成可能。

静态转换开关STS原本是为了代替自动转换开关ATS而出现的。

由于ATS具有切换时间长、寿命短、切换声音大和有火花*的缺点,使用上存在一定程度的不便。

现在所说的STS实际上已经是DSTS,即数字式静态开关,其整个切换时间小于4ms,其切换方式是先断后合,因此两电源在切换时的相位差甚至可以大于180°。

图4为DSTS的电路原理图,右边是其电路符号。

图4 DSTS的电路原理图

DSTS的确具备ATS所无法做到的一些性能，比如DSTS的切换时间比ATS要快上一千多倍，而且没有声音、没有火花，对一般电子设备来说，这种两个电源之间的切换间隔几乎是没有感觉的。

通过将STS安装在负载设备前端,利用其不间断切换的功能来弥补市电的不稳定性,从而提高单电源设备的供电可靠性,如图5所示。

图5 带STS设备双机双总线方案图

3.2  双开关三单机双总线供电系统

通过对双机双总线供电方案进行改进,能够得到另一种同时具有双市电输入和两路独立UPS输出电源的供电方案,双开关三单机双总线结构如图6所示。

图6 双开关三单机双总线结构

这个电路结构的特点在于每台UPS有两个输入开关,一个普通断路器和一个ATS转换开关。

普通断路器供UPS主电路使用,ATS供两台UPS的旁路用电,这样一来从输入开关上就增加了一层冗余保障,即使其中一路市电故障断电,仍能保证双电源设备的双路供电。

这里只用了一个较大容量STS为单电源设备供电,与双机并联冗余相比,增加设备不多。

如果采用分散小型STS结构方案,即采用容量和体积均较小且可安装在机柜内部的小型STS为设备切换供电,那么功耗、价格和占地面积还可以降低。

正常情况下,三台UPS中只有UPS1和UPS2工作,当一路市电故障（比如市电1）断电时,断电的这一路UPS1的输出就是通过ATS送过来的旁路市电（Bypass1）,这样一来,双电源设备的两个输入就有一路是市电,有可能引入*。

此时,UPS3开始显现其重要性,其作用就是排除由市电旁路带入到系统中的*,提供稳定的旁路输出,此结构同时也具有了串联热备份的功能。

从系统的拓扑结构中发现,双开关三单机双总线系统具有更佳的系统扩展性。

一旦系统容量不能满足要求时,系统可以不用改变现有配线结构的情况下,通过增加UPS设备,可以平滑地扩展系统容量,如图7所示。

图7 多机双总线冗余方案

无论是双机双总线方案还是双开关三单机双总线方案，都为机房负载提供了两路独立的输入电源，两者都能有效地解决双机冗余单总线系统中的“单点瓶颈”弊端，较大程度地提高了系统的供电可靠性。

从成本上考虑,由于双机双总线的结构与云和县电力局中心机房现有配线结构相类似,在实际实施过程中只要做较小改动即可完成,在工程量和实施进度上都能得到很好的保证。

相对而言,双开关三单机双总线系统却要复杂得多,不但需要根据系统的容量增加UPS设备,同时还需要根据系统的结构对设备接线方式和配电线路进行调整,同时系统的实施工程量和难度也进一步增加。

在系统后期维护方面,由于双开关三单机双总线方案具有更高的供电可靠性、更多的设备冗余,更完善的网络结构,所以在后期运行维护方面能得到更大的优势。

同时,更完善的网络结构也给系统容量平滑升级带来了很大的便捷。

4  结束语

由于电力企业“SG186”一体化应用平台的深化应用,其信息化步伐进一步加快。

电力企业对计算机系统及网络系统的依赖越来越强,UPS作为各机房的基石,其重要程度不言而喻。

在此讨论的两种优化方案都是以云和县电力局中心机房的动力系统为原型进行的改进。

我们有理由相信随着时代的进步和行业的发展,UPS系统将会更加先进、稳定和高效,同时也将为保障电力行业的生产做出更大的贡献。

UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类：

　　后备式UPS是我们最常用的，它具备了自动稳压、断电保护等UPS最基础也最重要的功能，虽然一般有10ms左右的转换时间，逆变输出的交流电是方波而非正弦波，但由于结构简单而具有价格便宜，可靠性高等优点，因此广泛应用于微机、外设、POS机等领域；

　　在线式UPS结构较复杂，但性能完善，能解决所有电源问题，其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于需要较大的投资，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中；

　　模块化UPS与传统UPS相比有诸多优点，代表UPS的发展方向之一，但目前还存在成本高，部分产品实际的可靠性并不如理论计算值高，但安全系数已经远远超过传统UPS；对模块化UPS的研究将有利于促进模块化的可靠性提高，从而提高模块化UPS在客户中的认可度，加快模块化UPS的发展。

EAST（易事特）模块化UPS每个模块就是一台独立工作的UPS，功率段齐全可选，高效率低干扰，环保节能，安全系数高。

　　3.为什么要配备UPS？

据IDC统计，全部电脑故障的45%是由电源问题引起的；在中国，大城市停电的次数平均为0.5次/月，中等城市为2次/月，小城市或村镇为4次/月，电网存在至少九种问题：

断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰；因此从改善电源质量的角度来说给电脑配备一台UPS是十分必要的。

另外，精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的，即使是一台普通电脑，其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。

　　4.我应该配备什么样的UPS？

根据设备的情况、用电环境以及想达到的电源保护目的，可以选择适合的UPS；例如对内置开关电源的小功率设备一般可选用后备式UPS，在用电环境较恶劣的地方应选用在线互动式或在线式UPS，而对不允许有间断时间或时刻要求正弦波交流电的设备，就只能选用在线式UPS。

　　5.我应该配备多大功率的UPS？

首先要确定您的设备是多大功率的，一般来讲普通PC机或工控机的功率在200W左右，苹果机在300W左右，服务器在300W与600W之间，其他设备的功率数值可以参考该设备的说明书。

其次应了解UPS的额定功率有两种表示方法：

视在功率（单位VA）与实际输出功率（单位W），由于无功功率的存在所以造成了这种差别，两者的换算关系为：

视在功率*功率因数=实际输出功率后备式、在线互动式的功率因数在0.5与0.7之间，在线式的功率因数一般是0.8。

给设备配UPS时应以UPS的实际输出功率为匹配的依据，有些经销商有意或无意会混淆（VA）与（W）的区别，这点要提请用户注意。

　　6．UPS的"集中式"与"分散式"配备方式有什么区别？

　　如果需要配UPS的设备较多，您可以采用"集中式"或"分散式"两种配备方式：

"集中式"，就是用一台较大功率的UPS负载所有设备，如果设备之间距离较远，还需要单独铺设电线，大型数据中心、控制中心常采用这种方式，虽然便于管理，但成本较高。

"分散式"配备方式是现在比较流行的一种配备方式，就是根据设备的需要分别配备适合的UPS，譬如对一个局域网的电源保护，可以采取给服务器配备在线式UPS，各个节点分别配备后备式UPS的方案，这样配备的成本较低并且可靠性高。

这两种供电方式的优缺点如下表：

　　集中供电方式：

便于管理、布线要求高、可靠性低、成本高。

　　分散供电方式：

不便管理、布线要求低、可靠性高、成本低。

　　UPS的配备需要较专业的知识，请咨询专业人士，他们会为您设计合理的配备方案。

　　7.为什么UPS一定要买名牌？

UPS产品的功能在于保障，对用户而言UPS常常是保护设备与数据安全的最后防线，相比其他产品"可靠性与品质"对UPS具有更重要的意义，而惟有长期建立起来的名牌产品才能有这样的实力。

中国目前的UPS市场十分繁荣，国际知名的品牌基本上都已进入中国，如来自欧洲的梅兰日兰，来自美国的爱克赛、APC等，洋品牌在技术上有一定优势，同时价格也较为昂贵，其主要市场份额集中在中大功率UPS市场（10KVA以上）；上世纪九十年代以来，国内一些优秀品牌在UPS市场异军突起，凭借在技术上的不断追求与本土化的生产服务优势，取得了令人瞩目的成绩，已经成为中小功率UPS市场的主力军。

　　8.UPS备用时间的长短是由什么决定的？

是由UPS的储能装置决定的，现在的UPS一般都用全密封的免维护铅酸蓄电池作为储能装置，电池容量的大小由"安时数（AH）"这个指标反映，其含义是按规定的电流进行放电的时间。

相同电压的电池，安时数大的容量大；相同安时数的电池，电压高的容量大，通常以电压和安时数共同表示电池的容量，如12V/7AH、12V/24AH、12V/65AH、12V/100AH。

后备式UPS一般内置4AH或7AH的电池，其备用时间是固定的；在线式与在线互动式UPS有内置7AH电池的标准机型，也有外配大容量电池的长效机型，用户可以根据需要实现的备用时间而确定配备多大容量的电池。

蓄电池是UPS的重要组成部分，占有很大的价值比重，并且其质量的好坏直接关系到UPS的正常使用，所以应慎重选择有质量保证的正牌蓄电池。

　　9.使用UPS有哪些注意事项？

　　1）UPS的使用环境应注意通风良好，利于散热，并保持环境的清洁。

2）切勿带感性负载，如点钞机、日光灯、空调等，以免造成损坏。

3）UPS的输出负载控制在60%左右为最佳，可靠性最高。

4）UPS带载过轻（如1000VA的UPS带100VA负载）有可能造成电池的深度放电，会降低电池的使用寿命，应尽量避免。

5）适当的放电，有助于电池的激活，如长期不停市电，每隔三个月应人为断掉市电用UPS带负载放电一次，这样可以延长电池的使用寿命。

6）对于多数小型UPS，上班再开UPS，开机时要避免带载启动，下班时应关闭UPS；对于网络机房的UPS，由于多数网络是24小时工作的，所以UPS也必须全天候运行。

7）UPS放电后应及时充电，避免电池因过度自放电而损坏。

PS系列的工作原理

一．PS系列的高频化优势首先，PS系列UPS的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器，而采用SPWM技术实现整流高频化（AC/DC）。

一方面提高了市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用数字信号处理器（DSP）控制，使输入电流正弦化，并与市电电压同相，从而实现UPS高输入功率因数（PF≈1），消除对市电的谐波"污染"，达到环保目的，是一款绿色UPS，同时大副度减少无功损耗，明显降低了运行成本。

其次，抛弃了传统的逆变输出工频变压器，用高频变压器来实现UPS与市电的隔离，不仅噪音低，而且效率高，在UPS的输出级逆变控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统的模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制，使UPS动态响应特性非常好，而且输出的正弦波非常纯净光滑。

另外，在逆变保护电路中采用性能优良的过滤保护技术，使逆变器不仅具有较强的过载功能，，而且具有强有力的自身保护；PS系列UPS内部的蓄电池组也采取高频变换方式充电，当市电停电，UPS转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实现。

二．PS系列的智能化优势UPS的智能化包括系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊断、蓄电池自动监测管理、智能化内部信息检测与显示等。

在系统运行状态识别与控制方面，通过内部传感器和状态逻辑及时识别系统所处的运行状态，判定系统运行程序和运行是否正常，有效地防止了系统的误操作对系统自身和负载所带来的危害，提高了UPS的可靠性。

UPS智能化的另一个方面是通过运行于PC机内的监控软件实现的，通过RS232接口将UPS与PC机串口连接，并在PC机上运行UPS的监控软件，由PC机定时发送查询指令，UPS则在规定的时间内返回运行参数信息，再由PC机进一步对UPS的运行状态、故障的具体部位等进行判断，并在必要时对UPS发出指令进行干预和提醒维护人员，并在UPS供电时间结束前自动中止计算机或局域网的运行，并将现场信息自动存盘。

三．PS系列的网络化优势在大量引进微处理监控技术的基础上，四通PS系列能在UPS和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能，把UPS当作广域网络的一个独立节点并装上通讯适配器，给UPS分配独立的IP地址。

这样，网管员或被授权人可在网络的任何地方通过网络像管理计算机一样对UPS的情况进行实时远程监控，利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数（例如：

输入、输出的电压、电流和频率，UPS电池组的充电、放电和电压值的显示，UPS的输出功率及有关的故障、报警信息）。

此外，用户还可在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作，有序的关机操作将确保用户的软件和数据的安全可靠。

总之，四通PS系列UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，成功地实现了高频化、小型化与高效率，也延长了蓄电池的使用寿命，而网络智能化技术不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能提供了一种最佳的方案。

可以说四通PS系列顺应了最新的UPS技术发展趋势，是一款在性能价格上极具竞争力的产品，必将在中国的企业级UPS市场上取得令人瞩目的成绩。

12.蓄电池的容量是什么含义？

部分国家采用20小时放电率（C20）的安时数代表电池额定容量的大小，即在25℃下以恒定电流放电20小时至终止电压（1.75V/单格），该电流乘以20即为电池的C20容量，一般用AH数表示。

例如，12V/100AH的电池是指该电池能够以5A（0.05C）的电流恒定放电至终止电压10.5V，可连续放电20小时。

另外要注意，电池放电时间与放电电流不是线性关系，如100AH电池以100A的电流放电支持不了1个小时，只有数十分钟；而以1A的电流放电，则会超出100小时（不推荐如此方式放电）。

13.标准型UPS是否可以直接外接电池作长效型UPS使用？

不适合，由于标准型UPS设计的充电电流较小，另外受散热条件的限制，如作长效型UPS使用，一方面达不到使用目的，另一方面也容易对UPS、电池的使用造成不良影响，甚至于损坏。

14.如何延长不间断电源系统的供电时间？

　延长不间断电源系统的供电时间有两种方法：

1.外接大容量电池组：

可根据所需供电时间外接相应容量的电池组，但须注意此种方法会造成电池组充电时间的相对增加，另外也会增加占地面积与维护成本，故需认真评估。

2．选购容量较大的不间断电源系统：

此方法不仅可减少维护成本，若遇到负载设备扩充，较大容量的不断电系统仍可立即运作。

15.常见的电力问题有哪些？

又有什么不同的解决方式？

有一种常见的误解，认为我们使用的市电，除了偶尔发生的断电事故，是连续而且稳定的，其实不然。

市电系统作为公共电网，上面连接了成千上万各种各样的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶化电网的供电品质。

另外意外的自然和人为事故，如地震、火灾、雷击、输变电系统短路等，都会危害电力的正常供应，从而影响负载的正常工作。

根据电力专家的测试，电网中经常发生并且对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种：

1、电涌（powersurges）：

指输出电压有效值高于额定值110％，而且持续时间达一个或数个周期,电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压。

2、高压突波（highvoltagespikes）：

指峰值达6000V，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）的电压,这主要是由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。

3、暂态过电压（switchingtransients）：

指峰值电压高达20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压，其主要原因及可能造成的破坏类似于高压突波，只是在解决方法上会有区别。

4、电压下陷（powersags）：

指市电电压有效值介于额定值的80％至85％之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期，大型设备开机、大型电动机启动或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。

5、噪声干扰（electricallinenoise）：

指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EFI）以及其它各种高频干扰，马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起噪声干扰。

6、频率飘移（frequencyvariation）：

系指市电频率的变化超过3Hz以上，这主要是由于应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。

7、电压过低（brownout）：

指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间，其产生原因包括：

大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载等。

8、市电中断（powerfai1）：

指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况，其产生原因有：

线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障等。

针对以上各种电力问题，有几种不同解决方式，