一種調(diào)度自動化機房UPS電源設(shè)計方案

丁仁杰 張楠

摘要：由于市電的非可持續(xù)性和非標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出的缺陷，UPS作為一種可靠的能源設(shè)備，在各個應(yīng)用領(lǐng)域都顯得尤為重要，本文針對多數(shù)電力調(diào)度自動化機房存在的UPS供給問題，結(jié)合實際情況，提出了一種雙母線冗余方式，確保調(diào)度自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：UPS;雙母線冗余;調(diào)度自動化

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0228-02

電力系統(tǒng)調(diào)度自動化是為實現(xiàn)電力系統(tǒng)功能規(guī)劃以及裝備配置的一項系統(tǒng)設(shè)計工作，其是電力系統(tǒng)設(shè)計的組成部分。一旦調(diào)度自動化系統(tǒng)陷入癱瘓，調(diào)度控制將無法進(jìn)行，調(diào)控員不能及時掌握電網(wǎng)狀況以及設(shè)備作業(yè)情況，嚴(yán)重影響電網(wǎng)正常運行。因此運用UPS（Uninterruptible Power System不間斷電源系統(tǒng)）為調(diào)度自動化機房提供高質(zhì)量、不間斷的電源可以有效避免調(diào)度自動化系統(tǒng)長時間的中斷，確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 UPS概念

1.1 UPS電源簡介

不間斷電源系統(tǒng)UPS是一種含有儲能裝置，并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻不間斷電源[1]。其主要應(yīng)用在給計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電網(wǎng)及電力電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心提高不間斷高品質(zhì)的電力供應(yīng)。

UPS主要由五部分組成：蓄電池、整流器、逆變器、逆變與旁路切換電路、主路與旁路及電池等電源的輸入電路。其中蓄電池是用來存儲電能的裝置，當(dāng)外部供電中斷時，蓄電池可向工作設(shè)備供電;整流器的作用是將交流電（AC）轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡―C），在UPS中其向蓄電池和逆變器提供電能;逆變器是UPS中十分重要的組成部分，其性能直接影響了UPS產(chǎn)品的可靠性、效率、輸出波形等重要指標(biāo)，主要作用是將直流電（DC）轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡ˋC）;逆變與旁路切換電路的主要作用是進(jìn)行旁路轉(zhuǎn)換，當(dāng)UPS出現(xiàn)過載、故障等情況時，逆變與旁路切換電路可使UPS自動切換至市電供電。有效地提高了UPS的安全性和可靠性。

1.2 調(diào)度自動化所用UPS工作方式及原理

UPS的分類較多，分類方式也較多，若按照工作方式分類大致可以分為后備式、在線交互式、在線式三類。

調(diào)度自動化機房一般采用在線式UPS，其具有三種工作方式。

1）正常方式

UPS在市電正常時，將市電經(jīng)整流器整理濾波為純凈直流電，之后一路對蓄電池進(jìn)行充電，另一路輸入逆變器轉(zhuǎn)換為所需的穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電準(zhǔn)備為負(fù)載供電。

2）蓄電池方式

當(dāng)市電異常，進(jìn)入逆變器的輸入改由蓄電池提供，從而保證為負(fù)載持續(xù)提供電力，但其供電時間有限。

3）旁路方式

當(dāng)UPS出現(xiàn)故障、超載等故障或有手動的旁路命令時通過轉(zhuǎn)換開關(guān)由逆變輸出轉(zhuǎn)為旁路輸出（市電供電）。一般應(yīng)當(dāng)采樣電子開關(guān)來縮短轉(zhuǎn)換時間，避免轉(zhuǎn)換過程影響到設(shè)備正常工作。

如圖1所示是在線式UPS結(jié)構(gòu)圖。

在線式UPS無論工作在何種模式下其逆變器總是處于工作狀態(tài)。并且在線式UPS為正弦波輸出，實現(xiàn)了對用電設(shè)備的不間斷供電，隔離了市電和用電設(shè)備，消除了來自電網(wǎng)電壓對負(fù)載的干擾，為用電設(shè)備提供了高質(zhì)量可靠的電能。是調(diào)度自動化機房理想的供電設(shè)備。

2 存在問題[2]

由于市電并不是一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸出，所以其存在諸多缺陷如電壓浪涌、欠壓過壓、電源中斷等。市電難以保證對用電設(shè)備的不間斷供電，且對于一些高要求設(shè)備也難以保證電能的質(zhì)量。調(diào)度自動化系統(tǒng)在電網(wǎng)系統(tǒng)中被視為保護(hù)的重中之重，因為調(diào)度自動化系統(tǒng)處于安全Ⅰ區(qū)，是直接對電力一次設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控的系統(tǒng)，供電安全問題尤為重要。

但受限于多種問題，許多地方電力公司與單位并不能為調(diào)度自動化機房的每一個用電設(shè)備都配備一個專用的UPS，通常情況下為多個用電設(shè)備共用一個UPS?；诖朔N情況，本文提出一種改進(jìn)方案，即放棄傳統(tǒng)的1+1并聯(lián)冗余，采用雙母線UPS冗余方式用以保障調(diào)度自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 改造方案

調(diào)度自動化機房的負(fù)載主要為各類調(diào)度自動化系統(tǒng)、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)、路由器及交換機，這些系統(tǒng)及設(shè)備具有的冗余度較高，雙電源設(shè)備站比例也較高。

3.1 UPS容量選擇

選擇UPS容量應(yīng)考慮以下幾個問題[3]

1）負(fù)載性質(zhì)。UPS實際可帶負(fù)載是與實際功率因數(shù)密切相關(guān)的。自動化機房主要所帶的負(fù)載是計算機，在計算機運行狀態(tài)下平均功率小、瞬時功率較高，此時UPS在帶計算機設(shè)備時的功率因數(shù)約為0.65。

2）UPS的容量選擇不能過大也不能過小，若UPS容量過大可能會造成輕載運行，這會使得蓄電池放電過小、放電時間偏長造成由蓄電池深度放電造成的永久硬件損壞。若UPS容量過小可能會造成重載運行，輸出波形會發(fā)生變化，不能持續(xù)輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，同時也會損壞元器件。

3）UPS的容量選擇時應(yīng)考慮后期發(fā)展，為之后可能添加的負(fù)載留有余量。

3.2 橫截面計算

橫截面計算要考慮到調(diào)度自動化機房實際用電設(shè)備的總功率，假設(shè)單個機柜中最多安裝4臺服務(wù)器，則其額定功率一般為3kW，運行時功率不會超過1.5kW。

3.3 改造方案

放棄并聯(lián)冗余，采用雙母線制，即將兩個獨立的UPS系統(tǒng)通過一定的適配電路，使得所有負(fù)載均可以由其中一臺UPS進(jìn)行供電。具體運行時，將兩臺UPS的輸出母線上均接入一半負(fù)載，當(dāng)一臺UPS發(fā)生故障時，另外一臺可以自動供電。利用LBS（負(fù)載母線同步）系統(tǒng)可以有效避免電源和負(fù)載產(chǎn)生環(huán)流，同時可以解決任意情況下UPS間的同步問題。同時利用STS（靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)）承接一路輸出為單電源設(shè)備供電，另一路輸出為雙電源設(shè)備供電。其連線圖如圖2所示。

4 小結(jié)

本文從UPS基本概念入手，從實際情況出發(fā)制定了一種UPS雙母線改造方案，在UPS系統(tǒng)設(shè)計改造中不應(yīng)局限于常用的方法，根據(jù)不同情況合理設(shè)計不同方案可以得到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴亞芳.調(diào)度自動化機房UPS電源系統(tǒng)改造實踐[D].華北電力大學(xué)，2016.

[2]劉志勇，劉小川. 電力系統(tǒng)運動[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]陳洪偉，徐新民. 不間斷電源應(yīng)用分析[J].電源世界，2017（5）：34-36.

【通聯(lián)編輯：梁書】