智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常見的不間斷電源配置問題探討

白雪婧， 薛海龍

(中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100120)

0 引言

基于智能化設(shè)備用電的連續(xù)性、可靠性要求，不間斷電源(UninterruptiblePowerSystem/Uninterruptible Power Supply，UPS)在智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。

在智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中對(duì)于UPS的選擇主要考慮UPS容量以及配置方式的問題。UPS容量一般涉及輸出功率和電池連續(xù)供電時(shí)間問題；UPS配置方式主要分為“集中式”和“分散式”兩種。

為求精細(xì)、經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)，在UPS方案選擇時(shí)，應(yīng)依據(jù)需求綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、合理性、場地條件等因素以確定最終方案，做到既滿足需求，又避免因留有太多余量而浪費(fèi)。

1 智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中UPS供電需求

一般的工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中，遇到的智能化系統(tǒng)主要包括以下幾種:(1)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；(2)安全技術(shù)防范系統(tǒng)(入侵報(bào)警系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng))；(3)用戶電話交換系統(tǒng)；(4)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；(5)公共廣播系統(tǒng)；(6)電子會(huì)議系統(tǒng)；(7)視頻顯示系統(tǒng)；(8)電子信息系統(tǒng)機(jī)房等。

在日常設(shè)計(jì)中，對(duì)前四種系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員都會(huì)根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)UPS電源，其中信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括電子信息系統(tǒng)設(shè)備及綜合布線系統(tǒng)；對(duì)公共廣播系統(tǒng)，當(dāng)其與消防廣播合用時(shí)，需按照火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)要求設(shè)置消防電源；對(duì)電子信息系統(tǒng)機(jī)房，將根據(jù)等級(jí)設(shè)計(jì)不間斷電源系統(tǒng)，不間斷電源的供電時(shí)間應(yīng)能滿足信息存儲(chǔ)的要求；其他系統(tǒng)如甲方無特殊使用要求，一般設(shè)置普通電源。

本文對(duì)各智能化系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的規(guī)范及手冊(cè)內(nèi)容進(jìn)行了解讀、分析和總結(jié)，如表1所示。

各智能化系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的規(guī)范及手冊(cè)內(nèi)容解讀分析表 表1

2 UPS的選擇

在UPS選型時(shí)，有兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，即UPS容量和UPS持續(xù)供電時(shí)間。除此之外，設(shè)計(jì)者在選型時(shí)還應(yīng)關(guān)注UPS的輸入及輸出電壓，UPS的尺寸大小，UPS的前后左右操作及檢修空間，UPS的發(fā)熱量等問題。

2.1 UPS容量及持續(xù)供電時(shí)間的估算

除了本文表1所述規(guī)范特別說明外，其余場景下的UPS容量均依據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版)P102(或依據(jù)JGJ 16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》6.3.3條)的原則來確定，即“不間斷電源設(shè)備給電子計(jì)算機(jī)供電時(shí)，單臺(tái)UPS的輸出功率應(yīng)大于電子計(jì)算機(jī)各設(shè)備功率總和的1.2倍。對(duì)其他用電設(shè)備供電時(shí)，為最大計(jì)算負(fù)荷的1.3倍?！?/p>

依上所述，智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，UPS容量應(yīng)按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中，k1為UPS冗余系數(shù)；k2為設(shè)備儲(chǔ)備容量系數(shù)，即智能化設(shè)備銘牌標(biāo)稱功率中所包含的儲(chǔ)備容量系數(shù)，經(jīng)市場調(diào)研，工程計(jì)算中k2按1.25進(jìn)行估算；cosφ為功率因數(shù)，工程計(jì)算中近似取為0.9；P為需要UPS供電的設(shè)備負(fù)荷總和，kW；Sj為UPS容量，kVA。UPS電池的供電時(shí)間，應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的要求或協(xié)調(diào)業(yè)主高于規(guī)范的要求。

下面分系統(tǒng)介紹UPS容量及UPS電池供電時(shí)間的確定原則。

2.1.1火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

依據(jù)表1分析可得，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，UPS容量按式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算系數(shù)k1應(yīng)取1.2，故容量應(yīng)按式(2)計(jì)算:

依據(jù)GB 50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，UPS電池供電時(shí)間應(yīng)滿足T≥3h。

2.1.2安防系統(tǒng)

工程實(shí)際中，大多數(shù)情況下安防系統(tǒng)的三個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)機(jī)柜供電，相應(yīng)的備用電源(此處特指UPS)也是集中設(shè)置，但正如表1分析，三個(gè)子系統(tǒng)對(duì)連續(xù)供電時(shí)間的差異性很大，如果只是簡單的將三個(gè)子系統(tǒng)負(fù)荷求和選擇UPS容量，同時(shí)按最長的持續(xù)供電時(shí)間要求——48h，選擇UPS電池就會(huì)造成極大的浪費(fèi)。式(3)提出一種比較經(jīng)濟(jì)合理的UPS容量需求計(jì)算方法，式(4)通過電池容量(Ah)估算出電池持續(xù)供電時(shí)間:

式中，計(jì)算系數(shù)k1應(yīng)取1.3；P0為安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)荷總和，kW；P1為入侵報(bào)警系統(tǒng)負(fù)荷總和，kW；P2為視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)荷總和，kW；P3為出入口控制系統(tǒng)負(fù)荷總和，kW；T0為接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)中所需持續(xù)供電時(shí)長的最大值，即max{Ti}(Ti為接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安防系統(tǒng)所需持續(xù)供電時(shí)間)；T1為入侵報(bào)警系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)間要求，即8h；T2為視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)間要求，一般按1h設(shè)置；T3為出入口控制系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)間要求，即48h；T為 UPS電池供電時(shí)間，h；Uin為 UPS輸入電壓，Uout為 UPS輸出電壓，V。一般使用中，UPS的Uin、Uout值相等，所以式(4)可簡化為:

工程實(shí)際中，UPS的下級(jí)配電箱(或稱作分線箱)利用時(shí)間繼電器可以很好地實(shí)現(xiàn)UPS對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)的差異性供電。

2.1.3用戶電話交換系統(tǒng)

依據(jù)表1分析可得，用戶電話交換機(jī)系統(tǒng)，UPS容量按式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算系數(shù)k1應(yīng)取1.5，故容量應(yīng)按式(6)計(jì)算:

在一般設(shè)計(jì)中，根據(jù)建筑使用電話類型設(shè)置電源。當(dāng)使用光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)作為電話系統(tǒng)接入設(shè)備時(shí)，需要為系統(tǒng)供電；當(dāng)使用普通電話接線箱接入時(shí)，無需在末端廠房提出電量要求。ONU設(shè)備電源供電時(shí)間可參考電話交換機(jī)房電量需求——當(dāng)所在建(構(gòu))筑物有發(fā)電設(shè)備時(shí)，電池組應(yīng)滿足15～30min的放電時(shí)間；當(dāng)所在建(構(gòu))筑物無發(fā)電設(shè)備時(shí)，電池組應(yīng)滿足0.5～8h的放電時(shí)間[7]。具體供電時(shí)間可參考GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)范[8]，根據(jù)建筑類型及規(guī)模設(shè)計(jì)。

2.1.4信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

依據(jù)表1分析可得，信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)UPS容量按式(1)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算系數(shù)k1應(yīng)取1.2，故容量應(yīng)按式(2)計(jì)算:

對(duì)于大多數(shù)建筑，含有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電信間并非A(或B)級(jí)機(jī)房，且無柴油發(fā)電機(jī)組作為后備電源，但與生產(chǎn)過程密切相關(guān)，為滿足生產(chǎn)需求及信息存儲(chǔ)要求，設(shè)計(jì)人員一般按照0.5h的供電時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 UPS的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題

UPS帶載過輕(如1 000VA的UPS帶10VA負(fù)載)有可能造成電池的深度放電，會(huì)降低電池的使用壽命，同時(shí)也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。

UPS的輸出負(fù)載過高，會(huì)降低可靠性，一般控制在60%左右為最佳，可靠性最高。通過市場調(diào)研，為了權(quán)衡UPS運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，目前市面上的UPS一般將輸出負(fù)載控制在70%，如式(7)所示:

故應(yīng)對(duì)上述式(2)～(6)進(jìn)行修正。

市面銷售的UPS容量通常有一定檔位(或稱作模數(shù)，因?yàn)樗踀PS容量值是個(gè)離散量而不是連續(xù)量)，所以實(shí)際設(shè)計(jì)過程中指定 UPS容量時(shí)，應(yīng)在滿足式(2)～(6)的前提下，選擇接近式(7)計(jì)算值的檔位，使UPS運(yùn)行在自身的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式下。

2.3 UPS電池衰減的考慮

現(xiàn)在的UPS一般都用全密封的免維護(hù)鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，不可避免會(huì)遇到使用壽命的問題，同時(shí)在使用壽命內(nèi)還有衰減的問題。要使UPS連續(xù)供電時(shí)間在電池使用壽命內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，除了定期更換UPS電池外，還應(yīng)在電池連續(xù)供電時(shí)間選擇時(shí)，考慮電池衰減的因素。

經(jīng)市場調(diào)研，如果以6年為周期進(jìn)行電池更換，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求時(shí)長的1.2倍進(jìn)行UPS電池續(xù)航時(shí)間確定。所以，2.1.1～2.1.4章節(jié)內(nèi)容所得UPS供電時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行考慮電池衰減因素后的修正，修正后的結(jié)果見表2。

UPS供電時(shí)間修正前后對(duì)比表 表2

3 UPS的“集中式”與“分散式”配備方式

如果需要配UPS的設(shè)備較多，可以采用“集中式”與“分散式”兩種配備方式。

日常設(shè)計(jì)中常見智能化系統(tǒng)(不含核心機(jī)房)的UPS電源容量一般為2～7.5kVA，對(duì)于大容量或持續(xù)供電時(shí)間較長的UPS，由于UPS自身尺寸及散熱要求，應(yīng)集中設(shè)置；對(duì)于小容量、小尺寸的UPS既可以集中設(shè)置，也可以分散設(shè)置于設(shè)備機(jī)柜內(nèi)，兩種布置方式優(yōu)缺點(diǎn)如下。

(1)集中供電方式:一臺(tái)大功率UPS負(fù)載所有設(shè)備，便于管理。為UPS單獨(dú)設(shè)置位置，避免了將UPS放入設(shè)備機(jī)柜內(nèi)其散熱影響設(shè)備運(yùn)行的問題。UPS集中采購，容易控制UPS質(zhì)量，減少設(shè)備廠商購置的環(huán)節(jié)，節(jié)約采購費(fèi)用?？紤]用電設(shè)備同時(shí)使用的參差系數(shù)，集中設(shè)置利于降低UPS總?cè)萘?，容量設(shè)置相對(duì)合理，節(jié)約投資。但是，集中設(shè)置方式對(duì)建筑要求較高，現(xiàn)場配置成本增加，集中設(shè)置布線要求高，可靠性降低。

(2)分散供電方式:根據(jù)設(shè)備需要分別配備適合的UPS，可靠性高，布線要求低，將UPS與智能化設(shè)備間的線路暗敷在機(jī)柜內(nèi)，使配電線路盡量短，從而降低中性線與 PE線之間的電位差[8]，整合UPS單獨(dú)設(shè)置的空間，節(jié)約了整體成本。但是，分散設(shè)置不便管理，且由于單獨(dú)設(shè)置UPS冗余容量、UPS模數(shù)等，分散設(shè)置會(huì)使UPS總體容量大幅增加，造成浪費(fèi)。

設(shè)計(jì)中，可權(quán)衡投資與可靠性來選擇兩種方式。大型數(shù)據(jù)中心、控制中心宜采用“集中式”配置方式；對(duì)于常見普通建筑，“分散式”設(shè)置仍為現(xiàn)在比較可行的一種配備方式。但是設(shè)置過程中應(yīng)注意考慮多回路UPS用電時(shí)，需在智能化機(jī)柜內(nèi)增加一個(gè)小型分線盤作為UPS的下級(jí)配電設(shè)備，以滿足系統(tǒng)多回路用電需求。

4 結(jié)束語

智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的UPS供電方案，對(duì)于節(jié)省造價(jià)、合理利用建筑空間大有裨益。在以后的工程設(shè)計(jì)中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況因地制宜地確定最佳的UPS供電方案。