电信机房UPS供电系统的设计（二）

     1  电信机房供电系统的设计

　　1.1  对UPS前级供电系统的要求

　　UPS可以向负载提供稳压高、频率稳定、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实现无间断供电。但要做到这点，它的前级供电质量不容忽视。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。一般地讲，大容量UPS主机输入电压范围应为380V±15%。电压过低，将使UPS后备蓄电池频繁放电，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，一般为额定电压的±10%和额定频率的±5%，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，但不宜采用磁饱和稳压器，因为这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的负载，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的供电电源尽可能置于电网输入的前端或采用独立的供电回路；

　　(3)大多数通信机房都备有发电机组，以解决较长时间停电的问题。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。

　　1.2  UPS容量的确定

　　根据负载容量及性质选择适当的UPS，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。一般来说，UPS容量的确定主要是要满足当前负载的需要，同时，也要考虑以下几个因素。

　　(1)负载性质对UPS输出功率的影响。当前大部分UPS生产厂家在产品说明书中所给的输出功率都是指负载功率因数为0.8(滞后)时的值，而UPS实际可带的负载量是与负载功率因数密切相关的。当负载为纯电阻性或电感性时，逆变器在额定视在功率下其有功功率将有所下降。所以在考虑UPS容量时，对不同的负载功率因数要进行功率折算。对于冲击类负载，只要负载的峰值系数在UPS允许的范围内，UPS基本上可以输出额定功率，对于电阻性或电感性负载，则需酌情加大UPS容量；

　　(2)UPS容量不宜过大，以免使其过度轻载运行。过度轻载运行虽有利于降低逆变器损坏的概率，但可能造成市电停电时蓄电池放电电流过小而放电时间偏长，在蓄电池保护装置故障时，蓄电池组被深度放电而造成性损坏；

　　(3)UPS容量不宜过小，以免使其长期处于重载运行状态。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逆变器的末级驱动元件损坏。目前一些UPS厂家推荐，UPS负载量不宜长期超过其额定容量的80%；

　　(4)对于通信机房面积较大、负载不断分期扩容的情况下，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输入及输出配电屏时，应预留多台UPS的输入开关和中远期的负荷分路开关，以便于日后扩容。

　　1.3  供电系统的电气隔离及接地

　　一般来说，电网中经常存在差模干扰和共模干扰，这些干扰对机房内设备正常运行存在着不同程度的干扰。另外，零线电位的偏移也会对电子设备的运行造成影响。所以，在考虑UPS供电方案时应采取措施把这些影响减少到。传统的UPS通过内部的工频输入及输出变压器来实现负载和电网间的电气隔离和电压匹配，抑制来自电网的共模及差模干扰电压，便其不致于耦合到电子设备的电源上。此类UPS的输出零点是取自隔离变压器次级Y型绕组的中性点。为保证输出零点电压不偏移，应从通信机房的交流工作接地排上单独引线至该输出点。

　　近年来，出现了采用高频链结构的不含输出隔离变压器的UPS。由于采用了高频变压器代替工频变压器，其体积重量明显减小，但因为其输出端直接通过变换元件输出，一定程度上存在直流高压进入负载的危险，而且在三相负载不平衡情况下存在电压零点偏移问题。中性线与地线间的电压可达十几伏甚至更高，大大超出一些电信设备的要求。所以对于大型通信网络等比较重要的负载，供电系统应尽量采用带工频隔离变压器的UPS。

　　1.4  正确配置UPS后备蓄电池

　　为保证电网停电时也能利用UPS继续向通信设备提供高质量供电，后备蓄电池的配置尤为重要。当负载不允许被中止供电时，通信机房内UPS蓄电池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蓄电池组，但此时应确认UPS内部整流器有能力对外接大容量蓄电池组进行充电，否则应配置外接充电器。蓄电池容量选择应遵循以下原则: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电压以下。在布置机房设备排列时，应尽量使蓄电池组靠近UPS主机，缩短两者之间连线长度，增大连线截面积，以降低连线自感量和线路压降。蓄电池组可安装在蓄电池柜内，也可安装在敞开的蓄电池架中。前者美观、整洁，但对楼板承重要求较高；后者可分散承重，且散热性好，但占地面积多，易积尘，给维护带来不便。

　　1.5  通过冗余方式增加供电可靠性

　　为了提高UPS供电的可靠性，可采用多种UPS冗余连接方式。各种方式都有优缺点，考虑方案时要根据实际负载情况选择合适的方式。当前冗余连接方式大致有以下三种。

　　(1)双机主从式热备份

　　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；在从机供电的状态下，主机静态旁路故障时将导致系统供电失败;系统负载不能超过单机容量且以后无法扩容；

　　(2)功率均分并联备份

　　此种方式目前有两种结构: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开机柜按终期考虑)，可通过冗余备份提高供电可靠性，但也存在缺点。

　　①由于并机柜成为系统的公共瓶颈点，一旦它内部失控或故障，会导致整个系统供电失败;

　　②由于各台UPS输出量参数难以保持完全一致，导致各UPS在向负载供电的同时，还在UPS内部的逆变器间形成环流，当环流过大时将直接危及逆变器安全。此外，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。

　　(3)并联热备份

　　该系统将两台UPS的蓄电池组输入、整流器输出及逆变器输出并联，并共用旁路，正常时两台整流器同时向两逆变器供电，并向两组蓄电池充电，通过逆变器输出静态开关选择其中一台逆变器向负载供电，两台整流器和逆变器分别互为备用。只有当两台逆变器同时故障时，系统将负载切至共同静态旁路，由市电继续向负载供电。该方案没有瓶颈故障点，任何一台UPS局部或整体故障，系统仍能继续向负载供电。由于UPS供电系统真正的输出只有一台逆变器，故不存在逆变器间的环流。但由于此模式类似单机运行模式，带载能力相对较差且不易扩容。

　　1.6  供电系统应具备智能性

　　为了保证供电系统能长期不间断运行，UPS必须具有智能性，对运行中的UPS状态进行自动检测，对UPS故障及时发现、诊断和处理，并减少因故障或检修而造成的间断。同时，作为通信机房动力系统的一部分，UPS应提供通信协议，以便纳入动力集中监控网络内。因此，在系统设计时，应考虑到这些因素。一般来说，智能型的UPS应具备下列功能。

　　①实时监测功能:监视电路中各部分的状态，随时获取主机工作时的有关参数；

　　②人机交互功能:可按实际运行情况，通过修改程序重新设置UPS内部的各种临界工作点域值，也可读取UPS各种工作参数；

　　③故障诊断功能:对监测到的不正常参数进行及时分析，及早发现故障苗头，显示其性质、部位，给出处理方法，并自动记录有关信息；

　　④远程监控功能:提供一个远程计算机接口，能通过R5232或R5485接口经调制解调器实现与异地计算机终端通讯，达到遥测和遥信的目的。

　　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。在设计通信机房UPS供电系统时，既要节省投资，又要考虑系统的可靠性和灵活性，为通信设备及计算机负载提供有效的保障。

　　2  电信机房UPS供电系统解决方案实例

　　2.1  负载容量统计

　　2.2  负载容量计算

　　因为计算机类负载均为非线性负载，其功率因数为0.6～0.7，而峰值电流系数大致为2.53，因此，UPS的额定输出容量为(取负载功率因数为0.65)

　　P=（149×220）/0.65=50.5kVA

　　若再保留适当的余量以及其它设备的额外功耗，建议选用6OkVA三进三出的UPS。为提高市电供应可靠性，单机运行采用双路供电方式。系统配置如图1所示。

　　2.3  配置方案

　　由于服务器机房要求的供电有效性较高，需24小时全天候稳定在220V正弦波输出。因此，如需更高等级的保护，可在采用双路供电的条件下再采用UPS双机热备份冗余的运行方式，以利于承受非线性负载的高电流峰值系数引起的电流冲击。系统配置如图2所示。

　　该运行系统的特点是：可靠性比单机高；停电或一台UPS故障时另一台UPS仍可供电；维护时仍保持UPS的功能；两台UPS寿命皆延长。

　　2.4  蓄电池组

　　由于目前大多采用密封式铅酸蓄电池，其使用寿命是有限的，所以每年的运行成本相应增加。因此，配合有智能管理功能的UPS，采用后备30min使用寿命为5年的蓄电池组是较为经济的选择。

　　2.5  网络监控

　　系统采用3PhaseUPSentry监控软件，具有简单易用的图形化接口，经由RS一485接口的UPS，可以一台用计算机监控多至31台三相UPS，且点到点的距离长达1.2km。在远程监控方面，3PhaseUPSentry可以透过TCP/IP网络或调制解调器与远程计算机联机，进而监控UPS。

　　该方案留有一定的余量，机房配置的6OkVAUPS供电系统施行集中供电，不仅可提供充足的功率，并为将来增加系统设备预留了一定的电力余量，又相对提升了UPS设备的安全运行能力，利用3PhaseUPSentry监控软件可实现远程UPS电源监控管理，从而实现UPS电源系统监控管理的实时性、智能性和无人管理的功能。