模塊化UPS測試探討

李 菁，周啟龍

（中國電信股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢430070）

1 前 言

近年來，模塊化UPS技術有了較大的發(fā)展，在通信業(yè)界得到了越來越多的推廣應用。模塊化UPS作為新技術其可靠性、高效性、可維護性還有待在測試和應用中檢驗和完善。

2 模塊化UPS測試的目的

模塊化UPS測試的主要目的是檢驗各品牌模塊化UPS的外觀結構、技術指標、功能性能是否滿足通信應用場景的要求。通過測試，及時發(fā)現(xiàn)技術、產品等存在的問題，消除設備隱患，引領設備廠家的技術改進和完善，提升設備的安全性、可靠性、易操作性和可維護性。同時，通過測試，也可以使維護人員深入了解模塊化UPS產品和技術，為今后模塊化UPS的應用、維護和選型積累經驗。

3 模塊化UPS測試的內容

《YD／T2165－2010通信用模塊化UPS不間斷電源》的第五部分，對于模塊化UPS的要求包含：一、環(huán)境條件，二、外觀與結構，三、電氣性能，四、電磁兼容性，五、抗擾性，六、保護功能，七、風扇故障告警，八、防雷性能，九、熱插拔功能，十、電池組智能管理功能，十一、手動維修開關（可選），十二、監(jiān)控功能，十三、系統(tǒng)告警功能，十四、接地性能，十五、安全要求，十六、可靠性?！禮D／T2165－2010通信用模塊化UPS不間斷電源》的第六部分，對包含外觀與結構等共計37個項目的測試方法進行了說明。

與設備廠家的出廠檢驗測試不同，作為產品使用者的通信運營商等用戶進行產品驗收測試沒有必要也不可能進行所有項目的全面測試，部分測試內容可查閱泰爾認證等第三方的測試報告。由模塊化UPS產品用戶組織進行驗收測試的內容應根據(jù)模塊化UPS應用場景、關鍵指標和差異化需求等來制定。

根據(jù)武漢電信公司的經驗，推薦檢測以下內容：

（1）外觀與結構：結構組成、母排纜線規(guī)格、絕緣防護等。

（2）性能指標：①系統(tǒng)效率；②諧波；③頻率跟蹤范圍和跟蹤速率；④逆變旁路轉換時間；⑤功率模塊過載能力；⑥功率模塊輸出電流不均衡度；⑦旁路電流不均衡度；⑧空載環(huán)流。

（3）保護功能：如有條件，進行全部保護功能的測試。

（4）故障模塊自動退出。

（5）電池組智能管理功能。

（6）監(jiān)控功能。

（7）系統(tǒng)告警功能。

4 模塊化UPS的廠驗測試和現(xiàn)場測試

由用戶組織的模塊化UPS驗收測試，一般包含兩個部分：廠驗測試和現(xiàn)場測試。

4.1 廠驗測試

側重于模塊化UPS設備在組成、外觀與結構、主要電氣指標、功能性能測試的詳細檢查。關鍵是要進行多模塊并聯(lián)、長時間帶載下的運行測試。

但目前受限于廠家實驗室條件和差異，測試存在局限性：

（1）不能進行系統(tǒng)滿載測試，只能進行模塊滿載測試。

（2）UPS輸入輸出無法模擬通信局站的復雜配電情況。

（3）測試廠家提供的UPS產品，而非實際使用的UPS產品。

（4）不能按實際應用場景配置UPS電池組進行測試。

（5）不能測試UPS與油機的配合。

（6）只能測試廠家監(jiān)控軟件的運行情況。

希望模塊化UPS廠家能夠不斷提升實驗室條件，提升廠驗水平，將廠驗作為測試關鍵指標和重要功能的必要環(huán)節(jié)，以便盡早發(fā)現(xiàn)設備缺陷和瑕疵，盡早解決和完善。

4.2 現(xiàn)場測試

側重于應用于通信機房現(xiàn)場的由模塊化UPS、輸入輸出配電屏、蓄電池組、油機、動環(huán)監(jiān)控等組成的不間斷供電系統(tǒng)的測試。重點針對于廠驗測試中發(fā)現(xiàn)的問題和未驗證的項目：

（1）UPS輸入輸出波形、諧波、輸出零地電壓測試。

（2）UPS全部模塊滿載或重載測試：穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能、市電電池及逆變旁路切換等。

（3）UPS電池管理功能測試：放電記錄、充電管理、溫度補償?shù)取?/p>

（4）UPS與油機的配合測試：UPS輸入側諧波、功率因數(shù)；油機輸出頻率、UPS的頻率跟蹤范圍和速率等。

（5）UPS接入動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的測試：系統(tǒng)正常工作方式／電池／旁路供電、過載、市電故障、功率模塊故障等重要狀態(tài)與告警。系統(tǒng)主輸入與旁路輸入電壓、輸出電壓與電流、以及模塊和電池組等遙測數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場測試是設備運行前的最后一關，主要關注模塊化UPS工作模式變換、運行安全性、可維護性等功能性項目，對測試發(fā)現(xiàn)的問題，尤其是特異性問題要進行深入分析，進行反復“測試－－改進－－再測試”的往復循環(huán)直至解決，切忌存疑。

5 模塊化UPS測試的情況

5.1 測試的總體情況

近年來，經過對多種品牌、規(guī)格的模塊化UPS進行測試和應用，從外觀結構、性能指標、功能驗證三個主要項目來看，測試結果基本合格。相比于傳統(tǒng)UPS，模塊化UPS在效率（如表1）、輸入諧波等指標上更優(yōu)，采用功率模塊N＋X、旁路模塊N＋1方式使UPS系統(tǒng)的可靠性更高，可維護性更好，體現(xiàn)了模塊化UPS的優(yōu)勢。

表1 傳統(tǒng)UPS與模塊化UPS效率對比

5.2 測試中發(fā)現(xiàn)的問題及解決措施

5.2.1 功率模塊內器件燒毀導致輸出中斷

羊肚菌是珍稀名貴食用菌，具有獨特的風味、豐富的營養(yǎng)和重要的保健作用，特別是在益腸胃、助消化、防癌抗癌和補腎助陽、補腦提神及提高人體免疫力等方面有明顯的功效，因而備受國內外高端消費市場的青睞。

【問題描述】某模塊化UPS在現(xiàn)場帶載測試中發(fā)生了功率模塊內部器件燒毀，同時導致輸出明顯中斷。

【原因分析】

（1）功率模塊器件燒毀的原因

如圖1所示，逆變2管由于體二極管工藝特性影響，其驅動在工作過程中容易受到干擾，出現(xiàn)了誤導通。逆變2管當受干擾導致本該處于截止狀態(tài)的2管誤導通，此時逆變3管和4管處于正常的導通狀態(tài)，導致逆變1管承受的電壓應力為正負BUS電壓之和，高達800 V以上，造成逆變1管因耐壓擊穿而損壞。

圖1 功率模塊電路示意圖

（2）功率模塊故障導致輸出中斷的原因

功率模塊故障應及時退出系統(tǒng)，不允許輸出中斷。根據(jù)《GB50174－2008電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》電子信息設備供電質量要求，允許斷電持續(xù)時間A級為0～4 ms，B級為0～10 ms。

此類功率模塊損壞相當于輸出發(fā)生了短路，由于原設計中功率模塊的輸出保險管熔斷速度較慢，其I2T值（熔化熱能）較大，發(fā)生短路故障后其不能及時熔斷，導致該模塊不能及時退出，系統(tǒng)上其它模塊向該故障模塊持續(xù)灌入大電流，導致系統(tǒng)較長一段時間處于輸出短路狀態(tài)，輸出電壓被持續(xù)拉低。

【解決措施】

功率模塊增加保護功能設計：

（1）逆變電流快速保護功能：功率管驅動受干擾誤導通時，逆變電流遠大于正常工作電流，檢測到異常電流時即可判斷逆變工作異常，觸發(fā)模塊退出機制。與逆變快速保護相比，此保護電流更大，檢測時間更短。

（2）逆變電壓快速保護：功率管受干擾誤導通時，逆變電壓波形將出現(xiàn)畸變，對逆變波形與理想波形進行比較，比較檢測到電壓波形畸變即觸發(fā)保護。

5.2.2 輸入側諧振

【問題描述】某臺模塊化UPS現(xiàn)場測試時發(fā)現(xiàn)：UPS空載開機后，UPS輸入電壓波形畸變嚴重；UPS關機后，輸入電壓波形正常；UPS空載輸出零地電壓為5 V，遠高于《GB50174－2008電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》的零地電壓為2V的要求；UPS開機后，配電機房的ABB空開能聽到明顯的嗡嗡聲。

【原因分析】

整體配電示意圖如圖2，取了三相中一相進行說明：

圖2 模塊化UPS配電示意圖

從配電示意圖可以看到從低壓配電柜至UPS電路中存在多個電感和電容，不同的電感和電容組合會有不同的諧振點，諧振頻率f＝1／2π。當UPS帶較大負載功率工作時，電路上流過較大的電流。由于市電電壓和UPS的輸入電流都不可能為完美的正弦波，其必然含有一定的高次諧波，該高次諧波中與諧振頻率相同的電流成分會導致LC產生諧振，產生較大的諧振電流。負載越大，電網上流過電流中高次諧波電流也越大，相當于諧振的激勵源也越大，所以負載加重時，諧振現(xiàn)象會更為嚴重。

模塊化UPS輸入側諧振的形成與其應用現(xiàn)場的配電電路相關，因此現(xiàn)場測試要關注輸入側電壓電流波形、輸出側零地電壓的檢查。

【解決措施】

改進必要性：諧振是大功率UPS在現(xiàn)場應用時可能會遇到的問題。諧振不僅影響模塊化UPS正常運行，同時對整個機樓配電系統(tǒng)乃至電網都是損害。

諧振產生需要以下條件：（1）電路中存在諧振源，即電路中的電感、電容；（2）電路中存在激勵源，即UPS或其它電源設備；（3）激勵源中有與諧振源頻率一致的激勵電流。只要任何一個條件不滿足，諧振就可以得到抑制。

圖3 諧振抑制箱示意圖

抑制諧振的方法是改變電路的LC即可改變諧振頻率。結合現(xiàn)場的應用條件，一般通過諧振抑制插箱（如圖3），將該插箱插入UPS模塊柜的空余槽位即可改變電路中的諧振頻率，抑制諧振的產生（如圖4）。

5.2.3 電池放電時斷開電池開關UPS轉旁路會中斷

【問題描述】某模塊化UPS測試時電池放電時手動斷開電池開關，UPS轉旁路。輸出波形有2個周波約40 ms的畸變（波峰值為160 V），并有5 ms的波峰值跌落至80 V。同時，在2011年中國電信集團組織的模塊化UPS功能性測試中此問題較普遍。

圖4 諧振抑制前后輸入波形對比圖

【原因分析】當UPS系統(tǒng)在無交、直流供電時，逆變的輸出完全靠模塊內部電容放電維持，所以隨著電容放電、直流母線電壓逐漸降低，逆變輸出會出現(xiàn)削頂?shù)牟ㄐ?。由于設計人員考慮到出現(xiàn)這種問題的概率很低，原來靜態(tài)開關的默認欠壓保護切換值為176 V，再加上采樣判斷時間，因此就出現(xiàn)切換時間較長的現(xiàn)象。

因此在現(xiàn)場測試時有必要進行該項測試來模擬電池放電下出現(xiàn)故障導致切換旁路的情況，檢驗切換旁路時輸出是否中斷。

【解決措施】

改進必要性：據(jù)不完全統(tǒng)計，UPS系統(tǒng)故障的40%為電池故障。一旦在電池放電時由于電池性能的原因導致電池組斷開，UPS必須要能快速由逆變切換到旁路，不能因切換時間過長導致UPS的瞬斷。

（1）該廠家改進了控制電路，首先將靜態(tài)開關的逆變欠壓保護值由原來的176 V提升到198 V，同時改進采樣電路，判斷時間的速度提高一倍，這樣使切換時縮短，波峰的跌落不至于很低，輸出電壓仍在允許范圍之內時就切換到旁路，保證切換過程負載不掉電。（2）還有廠家采用母線電壓 ＋ 輸出電壓雙檢測，但主要依靠母線電壓故障檢測模式，保障故障在前端及時發(fā)現(xiàn)并處理，避免純粹依靠后端輸出電壓檢測方式增加切換時間。

5.2.4 旁路模塊不能更換或不能在UPS逆變工作下更換

【問題描述】測試過多個品牌的模塊化UPS，普遍存在旁路模塊不能更換，或不能在正常逆變工作下更換，部分產品可實現(xiàn)將UPS從逆變工作轉入旁路工作后進行更換。同時，在2011年中國電信集團組織的模塊化UPS功能性測試中此問題較普遍。

【原因分析】此問題有以下原因：（1）旁路模塊非獨立功能設計，它不但具備旁路控制功能，還整合了模塊化UPS監(jiān)控系統(tǒng)通信和供電接口、并機通信線接口、維修旁路狀態(tài)檢測接口。因為具備重要的監(jiān)控功能無法實現(xiàn)在逆變工作下將故障的旁路控制模塊退出。（2）旁路模塊是獨立模塊化，但設計人員為了防止在更換時，逆變工作突然轉入旁路工作導致輸出中斷，從控制電路設計上就防止旁路模塊在逆變狀態(tài)下進行更換。

【解決措施】

改進必要性：旁路模塊不能更換就意味著存在單點故障；旁路模塊只能在旁路工作方式下更換就意味著輸出中斷風險增加：旁路工作狀態(tài)就是市電，就是不可靠電源，隨時都有中斷的可能。

技術改進的思路：（1）旁路模塊獨立功能設計。（2）通過旁路模塊1＋1并聯(lián)方式實現(xiàn)對單個旁路模塊進行正常更換。（3）旁路模塊通過先給控制電路一個“旁路不在線”信號或其它方式來鎖定逆變工作方式，然后可進行旁路模塊更換，完成后解除鎖定。

5.3 測試中發(fā)現(xiàn)的問題匯總

在模塊化UPS測試和應用中，雖然暴露出一些的問題（如表2），但這些問題主要是由于設計人員和維護人員的思路不同導致，而不是技術水平問題。設計人員思路是保障設備安全下兼顧成本控制，維護人員思路是確保UPS輸出不間斷。通過測試溝通，改進后的各廠家模塊化UPS在外觀結構、性能指標、功能驗證三個項目上都能達到要求。說明通信用模塊化UPS產品從技術、設計到行規(guī)都有待進一步完善。

表2 模塊化UPS測試中發(fā)現(xiàn)的問題匯總

6 結束語

模塊化UPS作為一項新技術，通過測試，我們認為相對于傳統(tǒng)UPS而言，在高效節(jié)能、系統(tǒng)冗余、安全可靠、維護擴容、投資成本等方面具有一定的優(yōu)勢。

模塊化UPS技術真正應用到通信行業(yè)的時間不長，在測試中也暴露出一些的問題，產品的成熟度和穩(wěn)定度仍待提升，對于其在今后應用和維護中的風險也要做好充分的準備。當前，測試仍是檢驗模塊化UPS產品和技術的有效手段，需要堅持下去。同時，通過測試使用戶與廠家雙向溝通，深入交流，達成共識，促進適合于通信應用場景的模塊化UPS的技術完善，促進不斷優(yōu)化的模塊化UPS逐漸取代傳統(tǒng)UPS，兼顧供電的安全和效率，使其真正為通信行業(yè)的節(jié)能減排和綠色發(fā)展作出貢獻。

［1］YD／T2165－2010.通信用模塊化 UPS不間斷電源［S］.2010.

［2］GB50174－2008.電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范［S］.2008.