通信UPS供電系統(tǒng)合理化配置的探討

1 引言

　　當今通信網絡，技術發(fā)展趨勢是IT（信息技術）與CT（通訊技術）的日益融合。為了保證供電安全的可靠性，建立在以軟交換技術為基礎的核心網絡技術上的下一代通信網絡（NGN）雖然仍將以直流電源作為基礎供電電源模式，但在業(yè)務支撐系統(tǒng)平臺上，使用交流電源供電模式也將同時并存。基于計算機類設備的大量應用，UPS系統(tǒng)設備在通信網絡上的使用也越來越多。其供電對象已經由單臺計算機設備發(fā)展到業(yè)務終端、網絡服務器、網絡設備、數據存儲設備、業(yè)務支撐平臺乃至整個通信網絡。供電對象的范圍主要涉及到計算機終端、服務器、路由器、交換器、顯示器、磁盤存儲陣列、小型機等。供電的方式也由小型 UPS 分散供電演變到大型UPS 的集中供電。為保證供電可靠性，甚至采用n+1 并聯熱備份系統(tǒng)乃至雙總線UPS 系統(tǒng)供電方式。一個設計良好的UPS 供電系統(tǒng)能給負載提供優(yōu)質電源，然而在實際應用中，許多問題又往往是UPS 供電系統(tǒng)引起的。因此，如何建立一個合理的、安全的UPS 供電系統(tǒng)成為大家關注的問題。本文將從UPS 供電系統(tǒng)設計角度對這一問題進行探討。

　　2 UPS 系統(tǒng)容量的配置

　　UPS 的帶載能力是用戶選擇UPS 時首先要考慮的問題，即需要一個多大容量的UPS，被選中的UPS 在各種情況下帶負載的能力又如何，都是需要認真對待的。UPS 不象變壓器那樣，只要負載功率不超過其額定輸出容量（kVA）數值，無論什么負載都行，UPS 的輸出容量不僅與負載大小有關，還與負載的性質有關。合理配置系統(tǒng)容量既可保證UPS 的供電質量，降低故障率，又可節(jié)省投資，提高經濟效益。

　　2.1 根據負載大小選擇系統(tǒng)容量在UPS

　　選型時必須充分注意，不能為追求UPS 運行的高可靠性，片面地認為UPS 的容量越大可靠性就越高。若UPS 長期處于輕載運行，雖然有利于降低逆變器的損壞概率，但卻增加了UPS 內部蓄電池失效的可能性。因為蓄電池的放電電流過小而放電時間偏長，容易造成深度放電，遭永久性損壞。若UPS 長期處于重載運行，這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優(yōu)質電源，還極易造成UPS 逆變器的本級驅動元件損壞，所以，即使從經濟角度講也是得不償失。根據目前一些UPS 廠家推薦，UPS 單機按帶載量60%～80%來配置，并機按每臺帶載 35%～40%來配置為佳。

　　另外在UPS 選型時還要考慮負載系統(tǒng)的擴容問題，其預增加帶載量為20%左右。對于通信機房面積較大，負載不斷分期擴容的情況，在首期配置UPS 容量時，應適當考慮中遠期發(fā)展趨勢，并在選型中挑選可并機或多機運行的機型，以使中遠期負載容量增大時，通過UPS 并機擴大其輸出容量。相應地，配置UPS 輸入輸出配電屏時，應預留多臺 UPS 的輸入開關和中遠期的負荷分路開關，以便今后擴容。例如，UPS 的實際負載量為60kVA，則UPS 的最小選擇容量可估算為：（60kVA+60kVA× 20％）/60%=120kVA。

　　2.2 根據負載性質選擇系統(tǒng)容量

　　負載性質一般分為線性負載（包括阻性負載或功率因數已校正負載、感性負載、容性負載）和非線性負載(即帶有電解電容的整流濾波型負載）。

　　根據上表可看出，不同性質的負載有不同的功率因數和峰值因數，所以選擇UPS 時，必須考慮負載的性質。

　　大多數計算機設備的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS 主要針對的負載正是這些智能精密設備，基于這樣的原因，所有的UPS 設計均需采用輸出功率因數匹配為0.7～0.8 的參數，從而最大限度地發(fā)揮UPS 的帶載能力。在功率因數匹配的情況下，即計算機負載的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS 標定的輸出功率因數也為0.7 時，負載的VA 數與UPS 的VA 數比值為1：1。也就是說1VA 容量的UPS 在不考慮沖擊、曾容等余量因素時可帶1VA 的此類負載。若功率因數不匹配，例如電阻負載，1VA 容量的UPS 只能帶0.7VA 的電阻負載，否則UPS 會出現過載現象(即使UPS 的VA 數大于負載此時的VA 數)。

　　選擇負載容量還應考慮不同負載的沖擊電流，通常UPS 的峰值因數為3：1，適合電腦等非線性負載在正常工作中的峰值因數要求。但當沖擊較大時，UPS 等供電設備的電流容量乘以3 后還不足以滿足負載的瞬間電流要求。在這種情況下需要考慮增加供電設備的容量，從而提高電流提供能力。通常計算機負載在開機時會產生超出平常多倍的大沖擊電流。通常超過UPS 的峰值因數提供能力，因此在選擇UPS 容量時需要考慮負載波動及沖擊余量，適當增大UPS 容量以抵御負載的波動，選擇UPS 容量余量為： UPS 容量(VA 數)：計算機負載容量 (VA 數) = 1：0.7

　　而對于某些特殊負載而言，在起動或工作過程中會產生很強的沖擊電流，負載容量瞬間升高數倍(有時高達6 倍)。對于此種負載應在普通容量余量比例基礎上進一步加大余量。正確的容量配比對UPS 的正常穩(wěn)定工作及UPS 的工作壽命影響很大，經常工作在滿載或過載狀態(tài)下的UPS 系統(tǒng)故障的機會遠遠高于正確容量配比的UPS 電源。[!--empirenews.page--]UPS蓄電池容量的配置 #e#

　　3 UPS蓄電池容量的配置

　　合理選擇蓄電池的容量，是UPS 對負載設備正常供電的重要保證。容量配置過大，蓄電池不能充分被利用，浪費資源；容量配置過小，又不能滿足用戶對后備時間的要求，且對電池的壽命不利。

　　蓄電池容量選擇應遵循以下原則：即蓄電池必須在后備時間內供電給逆變器，且在額定負載下，蓄電池組電壓不應下降到逆變器所允許的最低電壓以下。其中后備時間應大于從市電中斷到恢復的時間或到發(fā)電機組正常供電所需時間（前級供電系統(tǒng)配有發(fā)電機組），若此段時間較長，則應配置外接的長延時的電池組，但此時應確認UPS 內部整流器有能力對外接大容量電池組進行充電，否則應配置外接充電器?，F在通信局（站）要求油機在停電后的啟動時間為15 分鐘，并且對于UPS 運行中以并機冗余供電方式達到的實際帶載為60%左右，因此建議每臺中、大型UPS 的后備電池延遲時間（按UPS 帶滿負載計算）一般選擇1 小時為宜。

　　UPS 后備蓄電池的容量計算方法很多，恒功率法（查表法）、估算法、電源法、恒流法等，不同的計算方法有不同的結果，我們很難說出哪種計算方法是最準確的，各種計算方法各有側重點，在實際應用中需要綜合考慮蓄電池的使用情況，UPS 所帶負載情況以及應用的場合來選擇適合的電池容量計算方法。其中恒流法比較簡便，適合所有品牌電池的計算，是粗略的電池配置方法。

　　恒流法計算公式：C=（P×T）/（V×η×K），

　　其中：C--蓄電池容量（AH）、P--負載功率（W）、T--理想備用小時數（h）、V--UPS 蓄電池組額定電壓（V）、η--蓄電池逆變效率（查表）、K--蓄電池放電系數（查表）

　　舉例：愛默生系列120KVA UPS 后備時間1h，選用華日2V 系列蓄電池。估算蓄電池容量。

　　解：UPS 一般功率因數為0.8，P＝PUPS×0.8＝120000×0.8＝96000（W），V＝192×2＝ 384（V），查表取η＝0.9、K＝0.3

　　C=（P×T）/（V×η×K）=（96000×1）/（384×0.9×0.3）=926（AH）即選擇2V500AH 蓄電池2 組，即可滿足使用。

　　4 并機冗余運行方式的選擇

　　在通信局（站）中，通信設備是不允許停電的，為了提高UPS 系統(tǒng)的可靠性、便于UPS 系統(tǒng)的擴容和定期檢修維護，常采用并機冗余運行方式。冗余連接方式有多種，各有優(yōu)缺點，考慮方案時要根據實際負載情況，選擇合適的模式。當前并機冗余運行方式大致可分為兩大類：

　?。?）熱備份（即串聯冗余)。UPS 有主機和從機之分，其基本原理是：主機正常時100% 地承擔負載電流，故障時由從機提供后備電源。由于備用UPS 是在主機旁路處在等待工作狀態(tài)，故稱為熱備份。此系統(tǒng)結構及控制簡單，但存在以下缺點：主機長時間工作，而從機處于長期待機狀態(tài)，兩機的元件老化程度不均勻，且從機所配蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，影響蓄電池壽命；在從機供電的狀態(tài)下，主機靜態(tài)旁路故障時將可能中斷整個系統(tǒng)供電，出現瓶頸故障；系統(tǒng)負載不能超過單機容量且以后無法擴容。

　?。?）并聯冗余。將多于兩臺同型號、同功率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。目的是為了共同分擔負載功率，其基本原理是：正常情況下，兩臺UPS 均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS 故障時，由剩下的一臺UPS 承擔全部負載。三機并聯也是常用的一種方式，比如對于60KVA 的負載，我們可以考慮三臺30KVA 并聯，即使一臺UPS 出現故障，另兩臺UPS 仍然可以承擔全部負載，此為N+1 并聯冗余。并聯冗余的本質，是UPS 均分負載。此種方式目前常有兩種結構，一種是UPS 通過外加并機柜方式并聯，并機柜提供同步及多機均流控制，同時提供并聯系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路；另一種是在每臺UPS 內安裝一套邏輯控制板，控制各臺機器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點是易于擴容（采用并機柜方式時應將并機柜按終期考慮），通過冗余備份提高供電可靠性。但也存在一些缺點：采用并機柜方式，一般會使并機柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點，一旦其內部失控或故障，會導致整個系統(tǒng)供電失敗；此外由于各臺UPS 輸出量參數難以保持完全一致，也會導致各UPS 在向負載供電同時，還在UPS 內部的逆變器間形成環(huán)流，當環(huán)流過大，將直接危及逆變器安全；如果各UPS 向負載供電的電流差異過大，將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡，也會引發(fā)故障，一般來說，供電系統(tǒng)中并機數量越多，UPS 電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也越大。[!--empirenews.page--]UPS 輸入配電的選擇 #e#

　　5 UPS 輸入配電的選擇

　　UPS可以向負載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質量電源，并且在與靜態(tài)旁路切換時可以做到供電無間斷。但要做到這點，它的前級供電質量不容忽視。我們在設計通信機房前級供電系統(tǒng)時，應考慮以下幾個方面：

　?。?）前級供電系統(tǒng)電源質量不宜太差，電壓及頻率應穩(wěn)定在正常范圍。目前用可控硅設計的UPS 范圍為-15%、+10%，用IGBT 整流器設計的范圍為-25%、+23%；頻率范圍最好選擇范圍較寬的50Hz±5Hz；電壓過低，將使UPS 備電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命，相反，電壓過高，則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入，其電壓和頻率波動也有一定的范圍，一般為額定電壓±10%，如果前級電源變化范圍過大，就會導致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此，如果通信機房的前級電網在電壓范圍上達不到要求，應在UPS 前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源，但不宜采用電子管型交流穩(wěn)壓器或磁飽和穩(wěn)壓器，因為這兩類穩(wěn)壓器在開機時可產生瞬時高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS 故障。

　?。?）前級供電系統(tǒng)中不應當帶有別的頻繁啟動負載，比如經常使用的電梯，頻繁開啟的空調等。原因是在這些負載開、關機時會出現瞬間高低壓，使供電線路上電壓波形失真度過大，造成UPS 市電旁路供電與逆變器供電轉換控制電路誤動作，進而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS 電源盡可置于電網輸入的前端。

　?。?）前級供電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機組容量應適當放大。大多數通信機房都備有發(fā)電機組，以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發(fā)電機組時，其容量應考慮不少于UPS 電源額定輸出功率的1.5－2 倍，以保證發(fā)電機輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。

　?。?）UPS 主輸入和自動旁路輸入應作隔離要求。如果兩個輸入都是由同一個交流配電屏空開引入，機器內部作連接處理，這將存在嚴重的“單點故障”隱患，當設備內部短路，產生嚴重過載，導致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動旁路將同時失效，造成負載斷電事故。應該將UPS 內部整流輸入與自動旁路輸入的跳線拆掉，使UPS 由單輸入變?yōu)殡p輸入，即：讓UPS 的送電線路由一路改為二路，分別通過兩只空開向UPS 整流和自動旁路送電，從而避免整流輸入開關故障跳閘后UPS 不能轉旁路的問題。

　　6 UPS 配線的選擇

　　合理選擇配線是很重要的，配線線徑太細，電流太大，容易發(fā)熱而引起火災；線徑太粗，則造成浪費。

　　交流電源線可根據經濟電流密度法進行選擇，經濟電流密度法計算公式：S=Im/Ji。其中 S 為銅纜線徑（mm2），Im 為最大負載電流（A），Ji 為經濟電流密度(2～4A/mm2，一般取2.25)。例如，一個通信局最大用電負載電流為100A，則S=100/2.25=44.44（mm2），所以使用50mm2 的銅纜最佳。對于UPS 電源系統(tǒng)中線的截面積應選為相線電纜截面積的1.5～1.7 倍；對于 UPS 電源系統(tǒng)地線的截面積應為相線截面積的0.5～1 倍，但不小于6mm2。直流電纜（蓄電池電纜）可根據電流矩法進行選擇，電流矩法計算公式為：S=（I×L） /(K×△V)。其中S 為電源線線徑（mm2），I 為電源線負荷電流（A），L 為電源線回路長度（為m），K 為電源線的導電率（m/Ω× mm2），銅線為57，△V 為導線上的電壓降，一般取值為2.6V。例如，一通信局站最大負載電流為100A，電池線長度為20m（20m 電池線包括來回線路的長度），固定壓降為0.5V，則所需電池線線經為S=（100×20）/（57×0.5） =70.2(mm2)，應使用75mm2 的銅電纜。

　　7 結束語

　　一個UPS 供電方案的好壞，直接決定了通信機房內重要負載是否能正常運行。在配置通信機房UPS 供電系統(tǒng)時，我們既要節(jié)省投資，又要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性，為通信設備及計算機負載提供有效保障。