UPS電源及重要用戶保障方案探討

邵省平

（西安電信分公司設(shè)備維護(hù)中心，陜西 西安710004）

隨著微型機(jī)算機(jī)應(yīng)用的日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，在通信行業(yè)中的數(shù)據(jù)核心設(shè)備、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、核心網(wǎng)、IDC核心服務(wù)器等設(shè)備對(duì)高品質(zhì)的供電提出了越來越嚴(yán)格的要求。在微型計(jì)算機(jī)運(yùn)行期間供電中斷，將會(huì)導(dǎo)致隨機(jī)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的丟失和程序破壞，造成計(jì)費(fèi)丟失，有時(shí)甚至?xí)勾疟P盤面及磁頭遭到損壞，造成難以彌補(bǔ)的損失。在目前廣泛使用的微型機(jī)算機(jī)中，其內(nèi)部供電系統(tǒng)都裝有高速欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電網(wǎng)欠壓時(shí)，微機(jī)靠?jī)?chǔ)存在濾波電容中的能量來維持工作，一般能維持半個(gè)周期（10 ms）左右。為了避免存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的丟失，這就要求一旦市電發(fā)生瞬時(shí)斷電時(shí)，必須要有一種電源系統(tǒng)能在小于10 ms的時(shí)間間隔內(nèi)重新送電（通信行業(yè)的核心設(shè)備要求瞬時(shí)斷電時(shí)間小于4 ms），以保證微機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。微機(jī)除了要求供電系統(tǒng)具有連續(xù)可靠性之外，還要求市電的輸出應(yīng)保持良好的正弦波波形，而且不帶干擾。交流市電電網(wǎng)波動(dòng)較大，嚴(yán)重的干擾常常會(huì)造成計(jì)算機(jī)的計(jì)算錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)丟失，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)的損壞，給通信用戶造成重大損失，因此，必須采用高供電質(zhì)量的UPS電源。

1 UPS不間斷電源

1.1 UPS組成

UPS是不間斷電源（uninterruptible power system）的英文簡(jiǎn)稱，是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應(yīng)的重要外部設(shè)備，它由整流器（AC/DC）、逆變器（DC/AC）、蓄電池、靜態(tài)開關(guān)組成的。

1.2 UPS的功能

在市電供電時(shí)，UPS系統(tǒng)輸出無(wú)干擾的工頻交流電；當(dāng)市電掉電時(shí)，UPS系統(tǒng)由蓄電池供電，并輸出純凈的交流電。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的UPS不再只是單純的電源設(shè)備，而逐步成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中電源的管理中心，UPS由最初單純不間斷供電已發(fā)展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多種新技術(shù)，UPS不僅是提供不間斷電源的工具，而且當(dāng)負(fù)載設(shè)備無(wú)人值守時(shí)，當(dāng)市電故障后，UPS可以按照事先的約定順序關(guān)機(jī)，甚至還可以自動(dòng)發(fā)傳呼或E－mail給管理者?，F(xiàn)代的UPS與服務(wù)器上的軟件協(xié)同工作，還能實(shí)現(xiàn)事件記錄、故障告警、UPS參數(shù)自動(dòng)測(cè)試分析、調(diào)節(jié)等多項(xiàng)功能，提供了完全的電源管理解決方案?，F(xiàn)在有些UPS甚至可以對(duì)環(huán)境溫度、濕度和煙霧等進(jìn)行監(jiān)視。

2 幾種UPS工作原理

2.1 在線式UPS

在線式UPS電路結(jié)構(gòu)如圖1。當(dāng)市電正常供電時(shí)，市電經(jīng)UPS濾波吸收回路后，經(jīng)整流回路對(duì)電池組充電，同時(shí)整流器的輸出作為逆變器的輸入，再經(jīng)過變流器的轉(zhuǎn)換提供凈化過的交流電力給負(fù)載使用。若市電發(fā)生異常，則逆變器的輸入改由電池組來供應(yīng)，逆變器持續(xù)提供電力，達(dá)到完全不斷電的目地。由此可知，在線式UPS系統(tǒng)的輸出完全由變流器來供應(yīng)，不論市電電力品質(zhì)如何，其輸出均是穩(wěn)定且純凈的正弦波電源。

圖1 在線式UPS電路結(jié)構(gòu)

2.2 在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS電路結(jié)構(gòu)如圖2。這種不間斷電源主要由市電、整流器、蓄電池、逆變器、三端口變壓器組成。當(dāng)市電正常時(shí)，它經(jīng)一條交流旁路直接向負(fù)載供電；當(dāng)市電電壓在150～180 V或240～276 V范圍內(nèi)時(shí)，它經(jīng)由變壓器調(diào)壓向用戶提供經(jīng)過簡(jiǎn)單處理的市電（這時(shí)用戶實(shí)際使用的仍然是來自一般市電）；對(duì)于這種UPS來說只有當(dāng)市電電壓低于150 V或高于276 V時(shí)，它才向用戶提供真正的“UPS逆變器高質(zhì)量的正弦波電源”。

由此可見，這類UPS逆變器一直處于工作狀態(tài)，但從逆變器的角度來說，它又是處于非在線狀態(tài)。逆變器具有兩用性，即互動(dòng)性，所以稱為在線互動(dòng)式或者說是準(zhǔn)在線式。

圖2 在線互動(dòng)式UPS電路結(jié)構(gòu)

2.3 后備式UPS

后備式UPS電路結(jié)構(gòu)如圖3。對(duì)于這種UPS來說，當(dāng)市電電壓在170～270 V的范圍內(nèi)時(shí)，它經(jīng)由變壓器調(diào)壓向用戶提供經(jīng)過簡(jiǎn)單處理的市電（這時(shí)用戶實(shí)際使用的仍然是來自一般市電）；對(duì)于這種UPS來說只有當(dāng)市電電壓低于170 V或高于270 V時(shí)，它才向用戶提供真正的“UPS逆變器高質(zhì)量的正弦波電源”。

圖3 后備式UPS電路結(jié)構(gòu)

2.4 UPS電源逆變切換時(shí)間比較

旁路開關(guān)切換時(shí)間要短、備用時(shí)間要長(zhǎng)、恢復(fù)時(shí)間要快。

在線式UPS，從市電供電到市電中斷的過程中，UPS電源對(duì)負(fù)載供電的轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。

互動(dòng)式UPS，從市電供電向逆變器供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)負(fù)載而言，它約有4 ms左右的中斷供電，但其中斷時(shí)間小于微型機(jī)算計(jì)所允許的10 ms要求。

后備式UPS，從市電供電向逆變器供電進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)負(fù)載而言，它約有4 ms～12 ms左右的中斷供電。

結(jié)論：如果按技術(shù)性能的優(yōu)劣來排序的話，其順序應(yīng)為：在線式UPS＞在線互動(dòng)式UPS＞后備式UPS。

目前通信行業(yè)所用的均為在線式UPS。

3 在線式UPS并機(jī)運(yùn)行方式

目前通信機(jī)房普遍采用的UPS運(yùn)行方式，為兩臺(tái)（或兩臺(tái)以上）并列式UPS系統(tǒng)，旁路電源均由市電引入，兩臺(tái)并列式運(yùn)行的UPS設(shè)備總輸出負(fù)荷，不能超過一臺(tái)UPS設(shè)備輸出的額定容量。

這種兩臺(tái)并列式UPS系統(tǒng)運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)一臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，另一臺(tái)設(shè)備承擔(dān)給負(fù)載供電任務(wù)。

這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)：

a.UPS利用率低、電費(fèi)高、成本高。兩臺(tái)UPS額定容量，只能當(dāng)一臺(tái)使用，在提高UPS供電系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，損失了UPS設(shè)備的利用率。

b.單電源設(shè)備重要用戶得不到有效保護(hù)。當(dāng)UPS故障轉(zhuǎn)旁路供電時(shí)，旁路市電供電不可靠，當(dāng)市電波動(dòng)較大或閃斷時(shí)，會(huì)影響負(fù)載的正常運(yùn)行或中斷，給用戶造成重大損失。

c.機(jī)房有效面積利用率低，機(jī)房環(huán)境控制（溫度、濕度）投資大，能耗大。同一個(gè)電源機(jī)房往往有多套并聯(lián)運(yùn)行的UPS系統(tǒng)，各系統(tǒng)負(fù)載容量都只能是安裝容量的一半以下，投資成本高、利用率低，對(duì)機(jī)房有效使用面積占有率高，同時(shí)由于UPS散熱量大，對(duì)機(jī)房環(huán)境控制投資也會(huì)相應(yīng)加大。

那么，有什么方法能夠在保證重要負(fù)載用電安全的前提下，提高各系統(tǒng)設(shè)備的利用率，減少投資、提高機(jī)房有效利用面積，降低能耗，這是個(gè)很值得探討的問題。

4 重要用戶UPS電源保障方案探討

目前中國(guó)電信集團(tuán)公司要求對(duì)UPS電源系統(tǒng)重要用戶，保證供電方式應(yīng)滿足旁路和整流為兩路不同路由電源保障。為了更好地保障重要用戶UPS電源供電，保障用戶不間斷用電，提出以下探討性保障方案，以供參考。

4.1 保障方案一

對(duì)小容量UPS電源系統(tǒng)重要用戶保障方案。

小容量UPS電源系統(tǒng)大多數(shù)為重要用戶、大的營(yíng)業(yè)廳等供電，這些用戶對(duì)供電指標(biāo)要求較高，不能瞬時(shí)斷電。其保障方案是：建一臺(tái)大容量UPS，將大容量UPS輸出電源，作為小容量UPS設(shè)備的旁路引入電源。當(dāng)小容量UPS設(shè)備故障系統(tǒng)倒旁路供電時(shí)，旁路電源即為大容量UPS系統(tǒng)的輸出，這樣既保證了小容量UPS系統(tǒng)旁路電源的穩(wěn)定、可靠、又延長(zhǎng)了系統(tǒng)放電時(shí)間，且小容量UPS設(shè)備如果是并聯(lián)系統(tǒng)，該小容量UPS系統(tǒng)可以考慮各單臺(tái)UPS設(shè)備均在帶額定容量負(fù)荷下供電，提高了該小容量UPS系統(tǒng)的利用率。

注意事項(xiàng)：

a.市電引入方式：對(duì)于小容量UPS系統(tǒng)交流引入和大容量UPS設(shè)備交流引入可以來自同一臺(tái)變壓器。為了更加可靠，小容量UPS系統(tǒng)交流引入和大容量UPS設(shè)備交流引入應(yīng)來自不同的變壓器。

b.在選擇大容量UPS設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮該大容量UPS設(shè)備的輸出容量，應(yīng)滿足小容量UPS系統(tǒng)容量之和，連接方式如圖4。

圖4 對(duì)小容量UPS電源系統(tǒng)重要用戶保障方案連接方式

4.2 保障方案二

對(duì)多套小容量UPS電源系統(tǒng)重要用戶保障方案。

同方案一相同，建一臺(tái)大容量UPS，將大容量UPS輸出電源，作為各小容量UPS系統(tǒng)設(shè)備的旁路引入電源。當(dāng)某小容量UPS設(shè)備故障，系統(tǒng)倒旁路供電時(shí)，旁路電源即為大容量UPS的輸出，這樣就保證了該小容量UPS系統(tǒng)負(fù)荷的用電安全。

在選擇大容量UPS設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮該大容量UPS設(shè)備的輸出容量，只滿足最大小容量UPS系統(tǒng)容量之和即可。該方案最大優(yōu)勢(shì)是：

a.提高了各小系統(tǒng)設(shè)備的利用率，降低了能耗損失。

b.大容量UPS系統(tǒng)交流引入和各小容量UPS設(shè)備交流引入分別來自不同的變壓器，就更加保證了各小容量UPS系統(tǒng)旁路電源的穩(wěn)定、可靠，又延長(zhǎng)了系統(tǒng)放電時(shí)間。

c.減少了機(jī)房面積占有率。各小容量UPS系統(tǒng)均不需要考慮備份，避免了各小系統(tǒng)設(shè)備量的成倍增加，減少了機(jī)房面積占有率。

d.減少了投資成本。連接方式如圖5。

4.3 保障方案三

對(duì)由UPS電源系統(tǒng)供電的IDC大負(fù)荷重要用戶保障方案。

圖5 對(duì)多套小容量UPS電源系統(tǒng)重要用戶保障方案連接方式

對(duì)三臺(tái)并機(jī)的大負(fù)荷UPS系統(tǒng)，給IDC設(shè)備做重要保障供電時(shí)，如果考慮另建一套同系統(tǒng)UPS系統(tǒng)，作為該系統(tǒng)的保障電源，投資很大，且機(jī)房占地面積較大，不切實(shí)際。但該系統(tǒng)同樣重要，不能瞬時(shí)斷電，為了保障大容量UPS系統(tǒng)負(fù)荷的安全可靠性，其保障方案是：用一臺(tái)大容量的UPS設(shè)備輸出，作為該系統(tǒng)設(shè)備的旁路電源。當(dāng)UPS系統(tǒng)某臺(tái)設(shè)備故障，系統(tǒng)倒旁路供電時(shí)，旁路電源即為保障UPS的輸出電源，這樣既保證了UPS系統(tǒng)旁路電源的穩(wěn)定、可靠和用戶的安全，又節(jié)省了投資。

注意事項(xiàng)：

a.市電引入方式：被保障UPS系統(tǒng)交流引入，與作為保障設(shè)備的大容量UPS設(shè)備交流引入，應(yīng)來自不同的變壓器。

b.在選擇保障設(shè)備的大容量UPS設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮該大容量UPS設(shè)備的輸出容量，應(yīng)滿足被保障UPS系統(tǒng)兩臺(tái)UPS容量之和。

在三臺(tái)并機(jī)的大UPS系統(tǒng)中，一臺(tái)UPS設(shè)備作為系統(tǒng)中任意一臺(tái)的備機(jī)，保障設(shè)備的大容量UPS作為該系統(tǒng)的保障電源，連接方式如圖6。

圖6 對(duì)由UPS電源系統(tǒng)供電的IDC大負(fù)荷重要用戶保障方案連接方式

5 結(jié)束語(yǔ)

UPS電源在通信行業(yè)保障核心設(shè)備和重要用戶方面使用的越來越多，重要性越來越強(qiáng)，其系統(tǒng)供電的安全性非常重要，直接影響著企業(yè)的信譽(yù)和利益。這就要求必須做好UPS供電系統(tǒng)的保障工作。所以在新建UPS系統(tǒng)和系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)，必須考慮在確保重要用戶用電安全的同時(shí)，盡量減少投資，更好的節(jié)約能耗和提高設(shè)備利用率，減少機(jī)房面積占有率，做好規(guī)劃工作尤為重要。

［1］ 李成章，王淑芳.新型UPS不間斷電源原理與維修技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999.