通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案探討

1、通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案探討婁潔良(復(fù)旦大學(xué)上海 200433)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，如何建立一個(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)

2、角度對(duì)這一問題進(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)輸入電壓范圍應(yīng)為380V±15%。電壓過低，將使UPS后 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)也有一定的范圍，一般為額定電壓的±

3、10%,額定頻率的±5%,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

4、下，宜將UPS電源盡可能置于電網(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1.52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： (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

5、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逆變器的末級(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

6、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，使其不致耦合到計(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

7、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)槠漭敵龆酥苯油ㄟ^變換元件輸出，一定程度上存在直流高壓進(jìn)入負(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

8、配置尤為重要。當(dāng)負(fù)載不允許被中止供電時(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

9、，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)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。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

10、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，如圖2（a）所示；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，如圖 2（b）所示。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)

11、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。圖2 功率均分并聯(lián)備份 (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

12、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。系統(tǒng)框圖如圖3所示。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。 圖3 并聯(lián)熱備份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?？砂磳?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