信息通信系統(tǒng)中交流不間斷電源的技術(shù)應(yīng)用探討

1 交流不間斷電源應(yīng)用概況

在早期的信息通信系統(tǒng)中，通信設(shè)備的不間斷供電主要由高頻開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)，也就是說，通信設(shè)備采用的是直流供電模式。采用直流供電模式，理論上來說，可以起到提高通信質(zhì)量的作用。早期的通信設(shè)備功率較小，一臺交換機(jī)機(jī)柜的功率一般只有幾百瓦，一個交換局即使有100臺機(jī)柜，總功率也只有幾十kW，采用1套-48 V的直流電源來供電可以滿足要求。采用直流供電系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，蓄電池組與直流配電的輸出端可以直接并聯(lián)，輸出至通信設(shè)備，這使得直流電源系統(tǒng)的供電可靠性相對較高。

為了滿足業(yè)務(wù)開展的需要，運(yùn)營商配套建設(shè)了很多IT系統(tǒng)，如計(jì)費(fèi)賬務(wù)系統(tǒng)，經(jīng)營分析系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)以服務(wù)器、計(jì)算機(jī)終端為主，設(shè)備采用交流供電。另一方面，隨著信息通信技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)迅猛增長，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)以路由器和IP交換機(jī)為核心，這些設(shè)備也是采用交流供電。

近十幾年來，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）從無到有，尤其是近幾年，隨著網(wǎng)絡(luò)視頻、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)游戲等業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，IDC業(yè)務(wù)的市場高速發(fā)展，數(shù)據(jù)顯示，2019年，中國IDC業(yè)務(wù)的市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1 562.5億元人民幣，比上年增長27.2%，預(yù)計(jì)到2022年，市場規(guī)模將超過3 200億元[1]。對通信運(yùn)營商來說，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的IP化，運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)資源部署正從區(qū)域分層組網(wǎng)轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)中心為核心的組網(wǎng)，大量傳統(tǒng)的電話端局機(jī)房也在向數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型重構(gòu)，數(shù)據(jù)中心將是信息通信網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。數(shù)據(jù)中心內(nèi)以大量的服務(wù)器機(jī)柜為主，服務(wù)器采用交流供電。而要實(shí)現(xiàn)交流不間斷供電，就必須采用交流不間斷電源（UPS）。

由上面的分析可知，隨著信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)中的交流用電設(shè)備將不斷增多，交流不間斷的供電模式將應(yīng)用得越來越多，且越來越重要。

本文將從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，介紹交流不間斷電源（UPS）的分類，探討信息通信系統(tǒng)中UPS的類型選擇，針對UPS的各種運(yùn)行方式，探討最適合信息通信系統(tǒng)使用的運(yùn)行方式，并對后備蓄電池的容量配置提出建議，最后對UPS的技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 UPS的分類與選擇

UPS的分類方式有很多種，可以按照安裝方式、輸入輸出相數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、整流方式等進(jìn)行分類。

按照UPS的安裝方式，UPS可以分為塔式UPS和機(jī)架式UPS。所謂塔式UPS就是指UPS設(shè)備外形為獨(dú)立的設(shè)備機(jī)柜，安放于機(jī)房地面上；而機(jī)架式UPS是指UPS設(shè)備安裝于19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，通過導(dǎo)軌固定。塔式UPS由于外形幾乎不受限制，容量范圍很寬，一般為1 kVA～600 kVA，甚至有的廠商單機(jī)UPS容量可大于1 000 kVA。而機(jī)架式UPS由于受標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜尺寸和承重的限制，一般不大于30 kVA。

按照UPS的輸入輸出方式，UPS可以分為單進(jìn)單出型UPS、三進(jìn)單出型UPS、三進(jìn)三出型UPS，單進(jìn)單出型UPS是指UPS的輸入和輸出均為單相交流電，主要為小功率UPS，輸出功率范圍一般為1 kVA～10 kVA；三進(jìn)單出型UPS是指UPS的輸入為三相交流電，輸出為單相交流電，輸出功率范圍一般為5 kVA～30 kVA；三進(jìn)三出型UPS是指UPS的輸入和輸出均為三相交流電，輸出功率范圍一般為10 kVA以上。

按照UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，UPS可以分為后備式UPS、在線互動式UPS和雙變換式UPS[2]。后備式UPS主要由充電器、逆變器和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成，后備式UPS的輸出功率一般較小，一般在2 kVA以下；在線互動式UPS主要包括一個雙向變換器和一個交流電源接口，輸出功率一般也不大，一般在10 kVA以下；雙變換式UPS一般包括整流器、逆變器、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)等，容量范圍很寬，大、中容量的UPS均為雙變換式UPS。以上三種UPS，只有雙變換式UPS的可靠性、穩(wěn)定性、供電質(zhì)量、切換時間等可以滿足信息通信設(shè)備的要求，因此，在信息通信系統(tǒng)中，一般均采用雙變換式UPS。

對于雙變換式UPS，按照整流方式又可以分為可控硅整流型UPS和IGBT整流型UPS，相對于可控硅整流型UPS，IGBT整流型UPS體積相對較小，重量較輕，轉(zhuǎn)換效率更高，因此在信息通信系統(tǒng)中，IGBT整流型UPS已經(jīng)成為了主流應(yīng)用類型。

目前在業(yè)界通常將可控硅整流型UPS稱為工頻UPS，IGBT整流型UPS稱為高頻UPS，需要指出的是，這僅僅是一個通俗的市場化稱呼，而無論是在國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)，還是在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，均沒有工頻機(jī)和高頻機(jī)的定義。

可控硅整流型UPS由于是一種降壓整流方式，因此一般來說需要在輸出前配置輸出隔離變壓器進(jìn)行升壓。但是，這也不是絕對的，筆者曾經(jīng)見過可控硅整流型UPS不帶輸出隔離變壓器的產(chǎn)品，這種UPS在整流器后面增加了Boost升壓電路，從而在逆變器后端不再需要配置輸出隔離變壓器來進(jìn)行升壓。

IGBT整流型UPS的整流器由于采用的是IGBT整流器，其輸出直流電壓可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)高低，直流輸出電壓可達(dá)800 V，因此逆變器后端無需再配置輸出隔離變壓器即可以滿足輸出電壓的要求。但是，市場上也有帶輸出隔離變壓器的IGBT整流型UPS，原因是IGBT整流器的直流輸出電壓不夠高，或者是希望通過增加隔離變壓器來隔離后端負(fù)載的沖擊。

近年來，模塊化UPS得到廣泛的應(yīng)用，模塊化UPS是由若干臺功率模塊組成，有的還帶有集中的旁路裝置、充電裝置。本質(zhì)上來說，其內(nèi)部的每臺功率模塊均相當(dāng)于1臺獨(dú)立的IGBT整流型UPS。模塊化UPS由于功率模塊可以熱插拔，其系統(tǒng)可用性和可維護(hù)性理應(yīng)得到較大的提升，但是，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的功率模塊數(shù)量較多時，如何控制環(huán)流、如何使各功率模塊協(xié)調(diào)一致地工作，就非?？简?yàn)制造商的生產(chǎn)工藝水平和技術(shù)研發(fā)水平了，根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平，建議一套模塊化UPS系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)的功率模塊數(shù)量不宜大于10個。另外，單個功率模塊的容量也不應(yīng)過大，否則，單個模塊的體積和重量過大，將降低其可維護(hù)性，根據(jù)當(dāng)前市場的功率密度技術(shù)發(fā)展水平，單臺功率模塊的容量應(yīng)不大于50 kVA。

3 UPS的運(yùn)行方式和選擇

在信息通信系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備重要性高，因此，它要求供電電源能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。而交流不間斷電源雖然內(nèi)部配置了蓄電池，但由于蓄電池并聯(lián)在UPS內(nèi)部的直流總線上，當(dāng)市電故障停電時，蓄電池必須要通過逆變器才能輸出給負(fù)載使用，這就使得逆變器成為了一個單點(diǎn)故障點(diǎn)。

通過UPS的冗余備份，可以提升供電可靠性。冗余備份的方式有很多種，早期的串聯(lián)熱備份，雖然提升了可靠性，但并不能消除單點(diǎn)故障點(diǎn)，因此實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)很少采用。在并聯(lián)冗余方式中，有并聯(lián)熱備份冗余和并聯(lián)功率均分冗余。并聯(lián)熱備份冗余方式在故障切換時電流沖擊較大，備份單機(jī)需要快速地轉(zhuǎn)入帶載運(yùn)行，各單機(jī)的老化程度也很難同步，因此，并聯(lián)熱備份已經(jīng)應(yīng)用很少，而并聯(lián)功率均分冗余很好地避免了這些缺點(diǎn)，N+1并聯(lián)冗余的UPS供電系統(tǒng)圖如圖1所示，其中，N是指基本需求，1為備份。圖中的虛線是指組成并機(jī)系統(tǒng)的N+1臺單機(jī)需要并機(jī)同步輸出。

圖1 N+1并聯(lián)冗余UPS供電系統(tǒng)

并聯(lián)功率均分冗余的難點(diǎn)在于組成并機(jī)系統(tǒng)的各臺單機(jī)UPS間的環(huán)流抑制問題和負(fù)載均分問題，在實(shí)踐中，這很難得到完美的解決。另一方面，當(dāng)發(fā)生過載切換時，各臺UPS的靜態(tài)切換開關(guān)的動作一致性也將決定系統(tǒng)能否順利切換。因此，N+1并機(jī)冗余UPS系統(tǒng)宕機(jī)事故也時有發(fā)生。

從上面的分析可以知道，由于組成并機(jī)UPS系統(tǒng)的各臺單機(jī)UPS系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致并機(jī)UPS系統(tǒng)也無法保證高可靠性，那能否采用完全獨(dú)立的兩套UPS系統(tǒng)來給負(fù)載供電呢？答案是肯定的，這就是雙總線供電方式。

UPS的雙總線供電方式有兩種，分別為2N雙總線和2（N+1）雙總線。

2N雙總線UPS供電系統(tǒng)圖如圖2所示，圖中包括上下兩條UPS總線，每條總線是指一套并機(jī)UPS系統(tǒng)，內(nèi)含N臺UPS單機(jī)。兩條總線相互獨(dú)立，互為備份，當(dāng)其中1套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障時，不會影響負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，UPS系統(tǒng)的冗余量為系統(tǒng)總?cè)萘康亩种弧?/p>

圖2 2N雙總線UPS供電系統(tǒng)圖

2(N+1)雙總線UPS供電系統(tǒng)圖與2N雙總線類似，區(qū)別在于單條總線上有N+1臺UPS單機(jī)并聯(lián)冗余運(yùn)行。

從用電設(shè)備的角度來考慮，只要其兩路電源來自于不同的UPS供電系統(tǒng)，其供電可靠性就有保障。從這個角度出發(fā)，除了雙總線方式外，實(shí)踐中還有分布式冗余（DR）供電方式和后備式冗余（RR）供電方式。

分布式冗余（DR）UPS供電系統(tǒng)圖如圖3所示，它是由3套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)組成，互為備份。當(dāng)其中1套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障時，不會影響負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，UPS系統(tǒng)的冗余量為系統(tǒng)總?cè)萘康娜种弧?/p>

后備式冗余（RR）UPS供電系統(tǒng)圖如圖4所示，它采用了一套UPS系統(tǒng)為其它若干套UPS系統(tǒng)提供公共備份。任何一套UPS系統(tǒng)發(fā)生故障，不會影響負(fù)載的正常運(yùn)行。

圖3 分布式冗余（DR）UPS供電系統(tǒng)

圖4 后備式冗余（RR）UPS供電系統(tǒng)圖

以上幾種常見的UPS系統(tǒng)冗余方式的對比，如表1所示。

由于2(N+1)雙總線冗余方式投資很高，很少采用。而DR和RR雙總線冗余方式由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，不利于現(xiàn)場人員的操作和維護(hù)，也不建議采用。

因此，對于重要的信息通信機(jī)房，UPS供電系統(tǒng)建議采用2N雙總線冗余方式。

還要指出的是，2N雙總線包括兩種，一種帶同步控制器，另一種不帶同步控制器、完全獨(dú)立[3]。通常建議采用不帶同步控制器，完全獨(dú)立的2N雙總線冗余方式。

4 后備蓄電池組的配置

在信息通信系統(tǒng)中，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，A類數(shù)據(jù)中心的交流不間斷電源應(yīng)配置備用時間15分鐘的蓄電池組[4]。在工程實(shí)踐中，該配置一般以單套UPS的滿載容量來配置。A類數(shù)據(jù)中心一般采用2N雙總線供電方式,根據(jù)表1可知，正常工作情況下，最大負(fù)荷率為40%，因此，后備蓄電池的實(shí)際放電時間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15分鐘。下面舉例說明：

某數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)柜采用2N雙總線供電方式，每條總線為3臺500 kVA的高頻UPS并聯(lián)運(yùn)行；每臺UPS單獨(dú)配置蓄電池，蓄電池按單機(jī)滿載后備時間15分鐘配置。假設(shè)UPS的蓄電池標(biāo)稱電壓為480 V，輸出功率因數(shù)為0.9，逆變器效率為0.95，2 V蓄電池放電終止電壓為1.67 V，某廠商蓄電池的恒功率放電數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 常見UPS系統(tǒng)冗余方式對比表

表2 某廠商2V蓄電池恒功率放電表（放電至1.67 V)（W）

經(jīng)過配置計(jì)算可知，每臺500 kVA的單機(jī)UPS需要配置1組GFM 800蓄電池，含240只2V蓄電池，6臺UPS一共配置了1 440只蓄電池。在實(shí)際運(yùn)行中，UPS運(yùn)行的負(fù)荷率不超過80%，即最大的總負(fù)荷為1 200 kVA，且為6臺UPS共同分擔(dān)，此時，經(jīng)過計(jì)算，并經(jīng)插值法可確定，整套系統(tǒng)的蓄電池實(shí)際后備時間約為76分鐘。

由此可見，當(dāng)按照單機(jī)滿載后備時間15分鐘來配置蓄電池時，其實(shí)際工作時的后備時間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過15分鐘，原因主要有如下兩個：

（1）設(shè)計(jì)配置時考慮了單條總線故障，此時只有一半的蓄電池可以正常放電。

（2）單條總線故障時，UPS運(yùn)行的最大負(fù)荷率不超過額定容量的80%。

單條總線發(fā)生故障，同時市電發(fā)生故障，兩者同時發(fā)生的概率較小，建議在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)正常工作情況下的最大負(fù)荷對蓄電池組進(jìn)行容量配置，這樣可以節(jié)約工程投資，降低機(jī)房面積和承重的要求。

5 UPS的技術(shù)發(fā)展趨勢

在信息通信系統(tǒng)中，供電電源起著非常重要的作用。高可靠性、高效率、高功率密度、高可維護(hù)性是供電電源的永恒追求，UPS也不例外。用戶的這些需求推動著UPS技術(shù)的發(fā)展，而要滿足這些需求，UPS技術(shù)已經(jīng)在朝著下面趨勢進(jìn)行發(fā)展：

（1）高頻化。隨著功率器件開關(guān)頻率的提高，設(shè)備體積可以顯著減小，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應(yīng)得到改善，目前，開關(guān)頻率已經(jīng)上升到MHz以上。

（2）小型化。小型化可以節(jié)約機(jī)房空間。幾年前，400 kVA的主流UPS主機(jī)尺寸約為2 400 mm*1 100 mm*2 000 mm左右（長*寬*高），現(xiàn)在體積已經(jīng)降低了一半以上，部分廠商的體積降為了原來的35%左右。

（3）模塊化。模塊化UPS內(nèi)的功率模塊可熱插拔，這使得可維護(hù)性大大提高，模塊化還可以降低初始投資，系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷率也能提高，而較高的負(fù)荷率可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效率。

（4）智能化。UPS系統(tǒng)的運(yùn)行更加智能，對系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)監(jiān)控更加全面，設(shè)備的人工界面也更加友好，這些都使UPS的可靠性和可維護(hù)性得到提升。

6 結(jié)論

從上文的分析可知，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）信息通信網(wǎng)絡(luò)中的交流用電設(shè)備將越來越多，交流不間斷電源的應(yīng)用日趨普遍和重要。

（2）信息通信網(wǎng)絡(luò)中，交流不間斷電源應(yīng)主要選擇IGBT整流型UPS（含模塊化UPS）。

（3）模塊化UPS內(nèi)的功率模塊數(shù)宜不大于10個，單個功率模塊的容量應(yīng)不大于50 kVA。

（4）重要的信息通信系統(tǒng)，UPS的運(yùn)行方式宜選擇2N獨(dú)立雙總線冗余方式。

（5）后備蓄電池組容量宜按照正常運(yùn)行情況下的最大實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行配置。

（6）UPS的永恒發(fā)展目標(biāo)是高可靠性、高效率、高功率密度、高可維護(hù)性，技術(shù)發(fā)展趨勢是高頻化、小型化、模塊化、智能化。