1、通信機房 UPS 供電系統設計方案探討摘 要 本文對通信機房 UPS 供電系統的設計方案作了探討,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。1引言計算機在通信系統中的廣泛應用, 對供電質量提出了越來越高的要求, 由此在通信機房 中安裝 UPS(不間斷電源供電系統變得越來越普遍。一個設計良好的 UPS 供電系統能給 負載提供優質電源,然而在實際應用中,許多問題又往往是 UPS 供電系統本身引起的。因 此,如何建立個合理的、安全的 UPS 供電系統成為大家關注的問題。本文將從 UPS 供電 系統設計角度對這問題進行探討。2對 UPS 前級供電系統的要求UPS

2、 可以向負載提供穩壓精度高、穩頻、波形失真度小的高質量電源,并且在與靜態 旁路切換時可以做到供電無間斷。 但要做到這點, 它的前級供電質量不容忽視。 我們在設計 通信機房前級供電系統時,應考慮以下幾個方面:(1前級供電系統電源質量不宜太差,電壓及頻率應穩定在正常范圍。一般地講,大 容量 UPS 主機輸人電壓范圍應為 380V±15%。電壓過低,將使 UPS 備電池頻繁放電,最 終因長期處于欠壓充電狀態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定的范圍,一般為額定電壓±10%,額定頻率 ±15%, 如果前級

3、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 抗干擾交流穩壓電源, 但不宜采用電子管型交流穩壓器或磁飽和穩壓器, 因為這兩類穩壓器 在開機時可產生瞬時高壓,輸出波形失真度也較大,易造成 UPS 故障。(2前級供電系統中不應當帶有別的頻繁啟動負載,比如經常使用的電梯,頻繁開啟 的空調等。 原因是在這些負載開、 關機時會出現瞬間高低壓, 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

4、可耀于電網輸入的前端。(3前級供電系統中的交流發電機組容量應適當放大。大多數通信機房都備有發電機 組,以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發電機組時,其容量應考慮不少于 UPS 電源額定輸出功率的 1.5-2倍, 以保證發電機輸出電壓、 頻率正常, 并改善其波形失真度。3UPS 容量的確定根據負載容量及性質,選擇適當的 UPS,既可保證 UPS 的供電質量,降低故障率,又 可節省投資,提高經濟效益。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負載性質對 UPS 輸出功率的影響。當前大部分 UPS 生產廠家在產品說明書中所 給的輸出功率都是指負載功率

5、因數為一 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密切相關的, 當負載為純電阻性或電感性時, 逆變器在額定機在功率下 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要進行功率折算, 通常可作這樣的估算:假設負載功率因數為一 0.8(滯后時 UPS 額定功率為 1KVA,則當 功率因數為一 0.9和-1.0時,輸出功率分別約為 0.9-0.92kVA 和 0.74-0.77kVA。對于 計算機類負載, 只要負載的峰值系數在 UPS 允許的范圍內, UPS 基本上可以輸出額定功率 ,對于電阻性或電感性負載,則需酌情加大 UPS 容量。(2U

6、PS 容量較負載不宜過大,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。(3UPS 容量不宜過小,使其長期處于重載運行狀態。這樣雖可節省一部分投資,但 由于逆變器處于重載運行, 其輸出波形將發生畸變, 輸出電壓幅值抖動過大。 這樣既不能為 負載提供優質電源,還極易造成 UPS 逆變器的本級驅動元件損壞,所以,即使從經濟角度 講也是得不償失。根據目前一些 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

7、情況,在首期配置 UPS 容量時,應 適當考慮中遠期發展趨勢, 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。4供電系統的電氣隔離及接地一般來說,電網中經常存在差模噪擾和共模噪擾,這些噪擾對計算機正常運行存在著 不同程度干擾。另外,零線電位的偏移也會對計算機運行造成影響。所以在考慮 UPS 供電 方案時應采取措施把這些影響減少到最小。傳統的 UPS 通過內部的工頻輸入及輸出變壓器 來實現負載和電網間的電隔離和電壓匹配, 抑制來自

8、電網的共模及差模噪擾電壓, 使其不致 耦會到計算機電源。此類 UPS 的輸出零點是取自隔離變壓器次級 Y 型繞組的中性點。為保 證輸出零點電壓不偏移,應從通信機房的交流工作接地排上單獨引線至該輸出點。為了解決通信機房面積窄小及樓板荷載能力不足問題, 近年來, 出現了采用高頻鏈結構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,但因為其輸出瑞直接通過變換元件輸出,一定程度上存在直流高壓過人負載的危險, 而且在三相負載不平衡情況下, 還存在電壓零點偏移問題。 中性線與地線間的電壓可達十幾 伏甚至更高, 大大超出一些計算機廠家的要求。 所以對于大型計算機網絡

9、等比較重要的負載 , 供電系統應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停電時,也能利用 UPS 電源繼續向計算機提供高質量供電,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 UPS 電池后備時間應大于從市電中斷 到恢復的時間或到發電機組正常供電所需時間(前級供電系統配有發電機組 ,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

10、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, 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。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,各種方式都有優缺點, 考慮方案時要根據實際負載情況,選擇合適的模式。當前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 UPS1輸出接到另一臺作為主機的 UPS2的旁 路輸入,正常運行時由 UP

11、S2供電,UPS1處于備份。當 UPS2故障時,負載切換至 UPS2旁路,由 UPS1承擔負載供給任務。此系統結構及控制簡單,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,兩機的元件老化程度不均勻;在從機供電的狀態下,主機 靜態旁路故障時將導致系統供電失敗;系統負載不能超過單機容量且以后無法擴容。 (2 功率均分并聯備份。 該系統將兩臺或多臺 UPS 逆變單元并聯運行, 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 從系統中脫離,用戶所需 負載電流,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構,一種是 UPS 通 過外加并機柜方式并聯, 并

12、機柜提供同步及多機均流控制, 同時提供并聯系統的總靜態旁路 ; 另一種是在每臺 UPS 內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,并機柜成為系統的公共瓶頸點,一旦它內部失 控或故障,會導致整個系統供電失敗。 (b由于各臺 UPS 輸出量參數難以保持完全一致, 導致各 UPS 在向負載供電同時,還在 UPS 內部的逆變器間形成環流,當環流過大,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

13、會引發故障,一般來說,供電系統中并機數量越多, UPS 電源系統 發生故障的概率也越大。(3并聯熱備份。該系統將兩臺 UPS 的電池組輸入,整流器輸出及逆變器輸出并聯, 并共用旁路, 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 靜態開關選擇其中一臺逆變器向負載供電, 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, 系統將負載切至共同靜態旁路, 由市電繼續向負載供電。 該方案沒有瓶 頸故障點,任何一臺 UPS 局部或整體故障,系統仍能繼續向負載供電,由于真正輸出只有一臺逆變器，故也不存在逆變器間的環流，但由于此模式類似單機運行模式，帶載能力相對 差

14、且不易擴容。 7 供電系統應具備智能性 為了保證供電系統能長期不間斷運行，UPS 必須具有智能性，對運行中的 UPS 狀態自 動檢測，對 UPS 故障及時發現。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的一部分，應提供通信協議，以便納入動力集中監控網絡內。因此， 在系統設計時，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）實時監測功能。監視電路中各部分狀態，隨時獲取主機工作時的有關參數。 （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 內部的各種臨 界工作點閥值，也可讀取 UPS 電源各種工作參數。 （3）故障診斷功能。對監測到的不正常參數及