关于通信UPS 供电系统合理化配置的探讨

luxiaochen1986

1 引言
当今通信网络，技术发展趋势是IT（信息技术）与CT（通讯技术）的日益融合。为了保证供电安全的可靠性，建立在以软交换技术为基础的核心网络技术上的下一代通信网络（NGN）虽然仍将以直流电源作为基础供电电源模式，但在业务支撑系统平台上，使用交流电源供电模式也将同时并存。基于计算机类设备的大量应用，UPS 系统设备在通信网络上的使用也越来越多。其供电对象已经由单台计算机设备发展到业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、业务支撑平台乃至整个通信网络。供电对象的范围主要涉及到计算机终端、服务器、路由器、交换器、显示器、磁盘存储阵列、小型机等。供电的方式也由小型 UPS 分散供电演变到大型UPS 的集中供电。为保证供电可靠性，甚至采用n+1 并联热备份系统乃至双总线UPS 系统供电方式。一个设计良好的UPS 供电系统能给负载提供优质电源，然而在实际应用中，许多问题又往往是UPS 供电系统引起的。因此，如何建立一个合理的、安全的UPS 供电系统成为大家关注的问题。本文将从UPS 供电系统设计角度对这一问题进行探讨。


2 UPS 系统容量的配置
UPS 的带载能力是用户选择UPS 时首先要考虑的问题，即需要一个多大容量的UPS，被选中的UPS 在各种情况下带负载的能力又如何，都是需要认真对待的。UPS 不象变压器那样，只要负载功率不超过其额定输出容量（kVA）数值，无论什么负载都行，UPS 的输出容量不仅与负载大小有关，还与负载的性质有关。合理配置系统容量既可保证UPS 的供电质量，降低故障率，又可节省投资，提高经济效益。


2.1 根据负载大小选择系统容量在UPS
选型时必须充分注意，不能为追求UPS 运行的高可靠性，片面地认为UPS 的容量越大可靠性就越高。若UPS 长期处于轻载运行，虽然有利于降低逆变器的损坏概率，但却增加了UPS 内部蓄电池失效的可能性。因为蓄电池的放电电流过小而放电时间偏长，容易造成深度放电，遭永久性损坏。若UPS 长期处于重载运行，这样虽可节省一部分投资，但由于逆变器处于重载运行，其输出波形将发生畸变，输出电压幅值抖动过大。这样既不能为负载提供优质电源，还极易造成UPS 逆变器的本级驱动元件损坏，所以，即使从经济角度讲也是得不偿失。根据目前一些UPS 厂家推荐，UPS 单机按带载量60%～80%来配置，并机按每台带载 35%～40%来配置为佳。
另外在UPS 选型时还要考虑负载系统的扩容问题，其预增加带载量为20%左右。对于通信机房面积较大，负载不断分期扩容的情况，在首期配置UPS 容量时，应适当考虑中远期发展趋势，并在选型中挑选可并机或多机运行的机型，以使中远期负载容量增大时，通过UPS 并机扩大其输出容量。相应地，配置UPS 输入输出配电屏时，应预留多台 UPS 的输入开关和中远期的负荷分路开关，以便今后扩容。例如，UPS 的实际负载量为60kVA，则UPS 的最小选择容量可估算为：（60kVA+60kVA× 20％）/60%=120kVA。


2.2 根据负载性质选择系统容量
负载性质一般分为线性负载（包括阻性负载或功率因数已校正负载、感性负载、容性负载）和非线性负载(即带有电解电容的整流滤波型负载）。

根据上表可看出，不同性质的负载有不同的功率因数和峰值因数，所以选择UPS 时，必须考虑负载的性质。
大多数计算机设备的输入功率因数为微容性0.7，而UPS 主要针对的负载正是这些智能精密设备，基于这样的原因，所有的UPS 设计均需采用输出功率因数匹配为0.7～0.8 的参数，从而最大限度地发挥UPS 的带载能力。在功率因数匹配的情况下，即计算机负载的输入功率因数为微容性0.7，而UPS 标定的输出功率因数也为0.7 时，负载的VA 数与UPS 的VA 数比值为1：1。也就是说1VA 容量的UPS 在不考虑冲击、曾容等余量因素时可带1VA 的此类负载。若功率因数不匹配，例如电阻负载，1VA 容量的UPS 只能带0.7VA 的电阻负载，否则UPS 会出现过载现象(即使UPS 的VA 数大于负载此时的VA 数)。
选择负载容量还应考虑不同负载的冲击电流，通常UPS 的峰值因数为3：1，适合电脑等非线性负载在正常工作中的峰值因数要求。但当冲击较大时，UPS 等供电设备的电流容量乘以3 后还不足以满足负载的瞬间电流要求。在这种情况下需要考虑增加供电设备的容量，从而提高电流提供能力。通常计算机负载在开机时会产生超出平常多倍的大冲击电流。通常超过UPS 的峰值因数提供能力，因此在选择UPS 容量时需要考虑负载波动及冲击余量，适当增大UPS 容量以抵御负载的波动，选择UPS 容量余量为： UPS 容量(VA 数)：计算机负载容量 (VA 数) = 1：0.7
而对于某些特殊负载而言，在起动或工作过程中会产生很强的冲击电流，负载容量瞬间升高数倍(有时高达6 倍)。对于此种负载应在普通容量余量比例基础上进一步加大余量。正确的容量配比对UPS 的正常稳定工作及UPS 的工作寿命影响很大，经常工作在满载或过载状态下的UPS 系统故障的机会远远高于正确容量配比的UPS 电源。


3 UPS 蓄电池容量的配置
合理选择蓄电池的容量，是UPS 对负载设备正常供电的重要保证。容量配置过大，蓄电池不能充分被利用，浪费资源；容量配置过小，又不能满足用户对后备时间的要求，且对电池的寿命不利。
蓄电池容量选择应遵循以下原则：即蓄电池必须在后备时间内供电给逆变器，且在额定负载下，蓄电池组电压不应下降到逆变器所允许的最低电压以下。其中后备时间应大于从市电中断到恢复的时间或到发电机组正常供电所需时间（前级供电系统配有发电机组），若此段时间较长，则应配置外接的长延时的电池组，但此时应确认UPS 内部整流器有能力对外接大容量电池组进行充电，否则应配置外接充电器。现在通信局（站）要求油机在停电后的启动时间为15 分钟，并且对于UPS 运行中以并机冗余供电方式达到的实际带载为60%左右，因此建议每台中、大型UPS 的后备电池延迟时间（按UPS 带满负载计算）一般选择1 小时为宜。
UPS 后备蓄电池的容量计算方法很多，恒功率法（查表法）、估算法、电源法、恒流法等，不同的计算方法有不同的结果，我们很难说出哪种计算方法是最准确的，各种计算方法各有侧重点，在实际应用中需要综合考虑蓄电池的使用情况，UPS 所带负载情况以及应用的场合来选择适合的电池容量计算方法。其中恒流法比较简便，适合所有品牌电池的计算，是粗略的电池配置方法。
恒流法计算公式：C=（P×T）/（V×η×K），
其中：C--蓄电池容量（AH）、P--负载功率（W）、T--理想备用小时数（h）、V--UPS 蓄电池组额定电压（V）、η--蓄电池逆变效率（查表）、K--蓄电池放电系数（查表）
举例：爱默生系列120KVA UPS 后备时间1h，选用华日2V 系列蓄电池。估算蓄电池容量。
解：UPS 一般功率因数为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）即选择2V500AH 蓄电池2 组，即可满足使用。


4 并机冗余运行方式的选择
在通信局（站）中，通信设备是不允许停电的，为了提高UPS 系统的可靠性、便于UPS 系统的扩容和定期检修维护，常采用并机冗余运行方式。冗余连接方式有多种，各有优缺点，考虑方案时要根据实际负载情况，选择合适的模式。当前并机冗余运行方式大致可分为两大类：
（1）热备份（即串联冗余)。UPS 有主机和从机之分，其基本原理是：主机正常时100% 地承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。由于备用UPS 是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。此系统结构及控制简单，但存在以下缺点：主机长时间工作，而从机处于长期待机状态，两机的元件老化程度不均匀，且从机所配蓄电池长期处于浮充状态，影响蓄电池寿命；在从机供电的状态下，主机静态旁路故障时将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障；系统负载不能超过单机容量且以后无法扩容。
（2）并联冗余。将多于两台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。目的是为了共同分担负载功率，其基本原理是：正常情况下，两台UPS 均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS 故障时，由剩下的一台UPS 承担全部负载。三机并联也是常用的一种方式，比如对于60KVA 的负载，我们可以考虑三台30KVA 并联，即使一台UPS 出现故障，另两台UPS 仍然可以承担全部负载，此为N+1 并联冗余。并联冗余的本质，是UPS 均分负载。此种方式目前常有两种结构，一种是UPS 通过外加并机柜方式并联，并机柜提供同步及多机均流控制，同时提供并联系统的总静态旁路；另一种是在每台UPS 内安装一套逻辑控制板，控制各台机器的同步及均流输出。此方案的优点是易于扩容（采用并机柜方式时应将并机柜按终期考虑），通过冗余备份提高供电可靠性。但也存在一些缺点：采用并机柜方式，一般会使并机柜成为系统的公共瓶颈点，一旦其内部失控或故障，会导致整个系统供电失败；此外由于各台UPS 输出量参数难以保持完全一致，也会导致各UPS 在向负载供电同时，还在UPS 内部的逆变器间形成环流，当环流过大，将直接危及逆变器安全；如果各UPS 向负载供电的电流差异过大，将使逆变器的功率放大元件老化速度失衡，也会引发故障，一般来说，供电系统中并机数量越多，UPS 电源系统发生故障的概率也越大。

5 UPS 输入配电的选择
UPS可以向负载提供稳压精度高、稳频、波形失真度小的高质量电源，并且在与静态旁路切换时可以做到供电无间断。但要做到这点，它的前级供电质量不容忽视。我们在设计通信机房前级供电系统时，应考虑以下几个方面：
（1）前级供电系统电源质量不宜太差，电压及频率应稳定在正常范围。目前用可控硅设计的UPS 范围为-15%、+10%，用IGBT 整流器设计的范围为-25%、+23%；频率范围最好选择范围较宽的50Hz±5Hz；电压过低，将使UPS 备电池频繁放电，最终因长期处于欠压充电状态而缩短它的使用寿命，相反，电压过高，则易引起逆变器损坏。对于旁路输入，其电压和频率波动也有一定的范围，一般为额定电压±10%，如果前级电源变化范围过大，就会导致逆变器和旁路电源之间的切换被禁止或有间断。因此，如果通信机房的前级电网在电压范围上达不到要求，应在UPS 前级配置合适的抗干扰交流稳压电源，但不宜采用电子管型交流稳压器或磁饱和稳压器，因为这两类稳压器在开机时可产生瞬时高压，输出波形失真度也较大，易造成UPS 故障。
（2）前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载，比如经常使用的电梯，频繁开启的空调等。原因是在这些负载开、关机时会出现瞬间高低压，使供电线路上电压波形失真度过大，造成UPS 市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作，进而引起同步控制电路故障。所以在条件许可下，宜将UPS 电源尽可置于电网输入的前端。
（3）前级供电系统中的交流发电机组容量应适当放大。大多数通信机房都备有发电机组，以解决较长时间停电难以供电问题。但在配置发电机组时，其容量应考虑不少于UPS 电源额定输出功率的1.5－2 倍，以保证发电机输出电压、频率正常，并改善其波形失真度。
（4）UPS 主输入和自动旁路输入应作隔离要求。如果两个输入都是由同一个交流配电屏空开引入，机器内部作连接处理，这将存在严重的“单点故障”隐患，当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入空开跳闸，共用同一空开的自动旁路将同时失效，造成负载断电事故。应该将UPS 内部整流输入与自动旁路输入的跳线拆掉，使UPS 由单输入变为双输入，即：让UPS 的送电线路由一路改为二路，分别通过两只空开向UPS 整流和自动旁路送电，从而避免整流输入开关故障跳闸后UPS 不能转旁路的问题。


6 UPS 配线的选择
合理选择配线是很重要的，配线线径太细，电流太大，容易发热而引起火灾；线径太粗，则造成浪费。
交流电源线可根据经济电流密度法进行选择，经济电流密度法计算公式：S=Im/Ji。其中 S 为铜缆线径（mm2），Im 为最大负载电流（A），Ji 为经济电流密度(2～4A/mm2，一般取2.25)。例如，一个通信局最大用电负载电流为100A，则S=100/2.25=44.44（mm2），所以使用50mm2 的铜缆最佳。对于UPS 电源系统中线的截面积应选为相线电缆截面积的1.5～1.7 倍；对于 UPS 电源系统地线的截面积应为相线截面积的0.5～1 倍，但不小于6mm2。直流电缆（蓄电池电缆）可根据电流矩法进行选择，电流矩法计算公式为：S=（I×L） /(K×△V)。其中S 为电源线线径（mm2），I 为电源线负荷电流（A），L 为电源线回路长度（为m），K 为电源线的导电率（m/Ω× mm2），铜线为57，△V 为导线上的电压降，一般取值为2.6V。例如，一通信局站最大负载电流为100A，电池线长度为20m（20m 电池线包括来回线路的长度），固定压降为0.5V，则所需电池线线经为S=（100×20）/（57×0.5） =70.2(mm2)，应使用75mm2 的铜电缆。


7 结束语
一个UPS 供电方案的好坏，直接决定了通信机房内重要负载是否能正常运行。在配置通信机房UPS 供电系统时，我们既要节省投资，又要考虑系统的可靠性、灵活性，为通信设备及计算机负载提供有效保障。

[ 本帖最后由 luxiaochen1986 于 2011-1-23 11:43 编辑 ]