电子信息机房UPS电源的设置

文│ 辽宁省营口市市政设施维修处 吴莉莉

辽宁省营口市市工程政规划设计所 刘明清

电子信息机房UPS电源的设置

文│ 辽宁省营口市市政设施维修处 吴莉莉

辽宁省营口市市工程政规划设计所 刘明清

文章对电子信息系统的UPS电源做出分析，阐述UPS电源进行设置、使用及维护的重要性与必要性，并提出相应UPS的供电系统解决方案。

UPS不间断电源 IDC互联网数据中心 蓄电池 可靠性 冗余

1 引言

随着信息技术的高速发展，公司企业、政府机关、金融部门、大专院校、科研医疗等建筑大都建有自己的电子信息机房，数据安全已成为普遍关注的问题。由于电子信息机房功率密度的不断增加和对供电可靠性要求的不断提高，使得作为计算机、网络、通信等系统设备保护者的UPS电源的需求量日益增加。因此，如何经济合理地对不同等级的电子信息机房设置不同的UPS，是设计和采购中的重要问题。尽管目前UPS的整体技术性能得到了长足发展，但由于价格因素及不同等级系统设备的需求差异，使得我国当前市场上的UPS品牌繁多，分类也不规范。这样虽然给设计者和用户带来了较大的选择空间，但同时也带来了许多疑惑。

2 UPS不间断电源的分类

UPS不间断电源是一种含有储能装置，以整流器、逆变器为主要组成部分的恒压恒频不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统、IDC信息数据中心及其他电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压、净化后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流稳压器，同时它还给机内蓄电池组充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏，运行数据不丢失。

一般来说，UPS电源从工作原理上可分为后备式（Off-Line离线式）和在线互动式（Line-Interactive）及双转换在线式（Double-Conversion），又称为在线式（On-Line）三种。

2.1 后备式UPS

后备式 UPS是个人计算机中应用最多的类型。在图1所示的工作原理图结构中，转换开关设置为选择滤波后的交流输入作为主电源（图中实线路径），一旦主电源出现故障，就会切换到电池/逆变器作为备用电源（图中虚线路径）。逆变器只在电源出现故障时才启动，因此称作“后备式”。这种设计的主要优点是效率高、尺寸小、成本低。如果采用适宜的滤波电路和浪涌保护电路，这些系统还可以提供适当的噪声过滤和浪涌抑制功能。

2.2 在线互动式UPS

在线互动式UPS是小企业、网站、部门服务器的最常用设备。在此设计方案中，电池到交流电源的转换器（逆变器）始终连接到 UPS 的输出端。如果在输入交流电源正常时，反向操作逆变器就会给电池充电。一旦输入电源出现故障，转换开关就会打开，并通过电池向 UPS 输出端供电。与后备式 UPS拓扑结构相比，逆变器始终打开且与输出端保持连接，进一步增强了滤波效果，同时降低了转换瞬态过电压。这种 UPS设计方案具有效率高、体积小、成本低和可靠性高等特点，并可校正过低或过高的市电电压，因此在功率范围0.5kVA～5kVA的应用领域中占绝对优势，如图2所示。

2.3 双转换在线式UPS

双转换在线式UPS是10kVA以上功率范围的UPS电源最常用的类型。在图3所示的双转换在线式UPS结构图中，除了主电源路径是逆变器（而非交流主电源）外，其余与后备式UPS设计相同。在双转换在线式UPS的设计中，输入交流电发生故障并不会激活转换开关，因为输入交流电一直在给备用电池充电，由备用电池向输出逆变器供电。所以，在输入交流电源出现故障时，无需时间进行在线运行状态转换。在这一设计中，整流器和逆变器将转换全部的负载功率。这种 UPS 提供了非常理想的供电输出性能，但功率部件的持续工作使其与其他设计方案相比，可靠性有所降低。此外，大型电池充电器获得的输入电源通常是非线性的，可能对建筑供电系统产生干扰或导致备用发电机发生故障。

从原理上看，在线式UPS同后备式UPS的主要区别在于：后备式UPS在有市电时仅对市电进行稳压，逆变器不工作处于等待状态。当市电异常时，后备式UPS会迅速切换到逆变状态，将电池电能逆变成为交流电并对负载继续供电。因此后备式UPS在由市电转逆工作时会有一段转换时间，一般小于10ms；而在线式UPS 采用双变换模式，市电正常供电时，交流输入经AC/DC转换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面给逆变器供电，逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流电压给用电设备供电。因此在市电异常转电池放电时没有中断时间。

所谓在线互动式UPS，是指在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作给电池组充电，在市电异常时逆变器立刻投入逆变工作，将电池组电压转换为交流电输出，因此在线互动式UPS也有转换时间。同后备式UPS相比，在线互动UPS的保护功能更强，逆变器输出的电压波形也更好。

在线互动式与后备式UPS的区别是，变换器时刻处于热备份状态，市电/逆变切换时间比后备式要短。相对在线式UPS而言，它的电路结构简单，生产成本较低，另一方面这类产品在市电供电时也不存在AC/DC、DC/AC的转换，使整机效率有所提高。但在电网电压正常时，由于它是直接通过工频变压器供电给负载，所以负载使用的同样是伴随着谐波和尖峰的交流电源，不利于高端设备的使用。市电逆变切换时，也存在切换时间。

总的来说，后备式UPS对负载的保护最差，在线互动式略优之，在线式则几乎可以解决所有的常见供电质量问题。

3 UPS不间断电源技术指标

UPS产品是电子信息系统机房的必备设备，许多用户对UPS产品标称的各参数指标和使用技术缺乏全面的了解，因此在设计与选购UPS产品时难免会存在一些问题。

UPS作为保护性的电源设备，它的技术指标、性能参数具有重要意义，这是在设计与选购时考虑的重点，如输入电压、输出电压、频率、波形畸变等。市电电压输入范围宽则表明对市电的利用能力强（减少电池放电）；输出电压、频率范围小则表明对市电调整能力强，输出稳定。波形畸变率用以衡量输出电压波形的稳定性。UPS效率、功率因数、转换时间等都是表征UPS性能的重要参数，这些重要参数决定UPS对负载的保护能力和对市电的利用率。性能越好，保护能力也越强。

用各种技术指标评价一台UPS的优劣时，要有轻重之分，还要根据电网条件、用电环境、自然环境、用电设备的特殊要求、使用和维护水平等因素进行判断，以下几个问题值得注意。

（1）不要过分追求UPS常规电气性能指标的优化。对UPS来说，常规电气性能指标，如转换时间、电压和频率稳定精度、波形失真度等均需要考虑，但无需过分追求。对负载而言，大部分UPS在这些指标上都可以满足负载的要求，不应成为评定优劣、是否选用的标准。

作为电网与负载的中间环节，UPS要能适应当地电网环境，并且在运行中不能对电网产生不良影响。一台UPS对电网的适应能力主要指电网电压的变化范围、频率变化范围、波形失真和各种干扰情况下的运行能力。根据我国电网情况，UPS允许的电压变化范围一般做到± 25%，在频率变化50Hz±5%范围内能正常运行。

（2）不应忽视对UPS输入功率因数和谐波电流大小的要求。输入功率因数低和输入电流谐波成份大意味着对电网的干扰大，特别是大功率UPS，一般都是双逆变在线式结构，由于输入端有整流电路，往往其输入功率因数只有0.8，而谐波电流高达20%～30%。也就是说，如果UPS由电网引入的有功功率为30kW，同时也就有12kW左右的无功功率在电网与UPS间流动，这对电网的影响相当严重。如果由柴油发电机带动UPS，就需要发电机的功率容量是UPS功率容量的2倍，甚至更大。

UPS电路中的主要功率部件是逆变器，由它产生的高频干扰有可能反馈到电网中去，因此UPS电路本身应该具有去耦、谐波抑制电路等设计，防止UPS对电网构成污染。

（3）重视对UPS输出能力和可靠性指标的考察。UPS的平均无故障工作时间MTBF仅是一个估算可靠性的参数，影响此数值的因素很多，是一个无法检测的参数；而UPS输出能力的各项性能指标都是可量化的可靠性指标，在同等运行条件下，效率高、输出电流峰值系数大、过载能力强的UPS，其可靠性必然高；效率低则意味着UPS本身损耗大、发热量大，这会加快元器件的老化、缩短使用寿命。

（4）注重对总体成本的考虑。购买时不仅要考虑购买价格，而且还要考虑UPS本身效率高低所造成的使用运行费用及维护费用。

4 UPS供电系统解决方案

4.1 UPS后备时间

UPS依后备时间可分为标准型及长效型。标准型UPS后备时间为3min～15min，长效型一般后备时间为30min～8h。标准型UPS指单台UPS已内置小容量电池（装在主机机箱内），市电断后供电时间较短（满载下仅需几分钟）。而长效型UPS则根据后备时间的要求外配不同容量电池，还需另配电池柜或电池架、电池之间的联线、电池柜或架到UPS主机的联线和电池开关，安装在UPS主机柜外，供电时间由半小时到几小时不等，依用户需要而配置。换言之，标准型UPS厂商已设定好放电时间；而长效型UPS则是由客户自己选定放电时间。如遇设备停电时，只需存盘、退出即可，应选用标准型UPS；如果设备停电时，仍需长时间运转，则必须选用长效型UPS。当市电停电时间短且自备发电机能及时供电时，UPS的供电时间可按10min配置，如市电停电时间长或自备发电机不能及时开机供电，UPS的供电时间一般按30min以上配置。

实践证明，无谓地加大蓄电池容量是不能保证电子设备安全运行的，而且也不科学、不经济。首先要从确保直流电源稳定可靠的观念向确保交流电源稳定可靠的观念转变，因为只有确保交流电源的稳定可靠，才能确保直流电源的稳定可靠，从而确保机房环境的稳定可靠。在确保交流电源稳定可靠的前提下，蓄电池的容量配置可以适当减少。目前，大部分智能建筑内都配置了性能优越的备用发电机组，一旦市电中断，均能在5s～15s内启动供电，这大大缩短了蓄电池的放电时间，从而减少蓄电池容量的配置。这样，既能节约建设资金，又能确保交流电源的稳定可靠。

4.2 UPS使用方式

4.2.1 单机使用

通常负载量少于20kVA且不是关键负载的情况下，会使用单台UPS对负载进行保护，当出现市电不能正常供给时，将由UPS对负载设备供电，其优点是结构简单、成本低廉，缺点则是没有备份，当此台UPS进行检修或发生故障时，负载不能得到保护，如图4所示。

4.2.2 串联热备份方案

本方案是并机早期的链接方式，因受当时并机技术的制约，本方案中设备的使用率较低，安全可靠性有限，不能满足用户的更高安全要求，目前此种方案很少使用。由于两台UPS无需在同一控制程序下协调工作，无需通信链接，所以只要UPS功率满足负载要求的前提下，可以使用不同品牌的UPS，如图5所示。

优点：灵活性高，不受品牌限制；安装简单，无需额外调试；不增加额外辅助电路，不增加购置成本；可作N+1热备份，可分期扩容。

缺点：瞬时过载能力低；两机老化不一致；备机电池长期不处于浮充状态，影响电池寿命。

4.2.3“1+1”冗余并机方案

在用户既要求提高安全可靠性又要求提高设备使用率的情况下，随着并机技术的不断发展，可实现两台UPS在同一控制程序下协调工作，根据此种工作方式称之为“1+1”冗余并机。正常工作时两台UPS各承担50%负载；若其中一台UPS出现故障，另一台UPS自动承担100%发电，故障UPS自动退出并机模式；当故障UPS维修好以后可直接投入并机，两台UPS自动均分负载；若故障UPS退出并机还没有维修好，而带载UPS也出现故障，此时将自动切换至带载UPS的旁路；当两台UPS全部维修好以后，按并机开启步骤可将两台UPS投入到“1+1”冗余并机工作状态，如图6所示。

“1+1”冗余并机相对单机UPS，多了一台UPS自动承担100%负载安全保护措施，可有效避免逆变器切换至旁路时造成的切换风险，“1+1”冗余并机相对性能稳定的单机其安全可靠性有了较大的提高，可在同一控制程序下协调工作，两机之间需通信连接，所以两台UPS要求必须是同品牌、同系列、同规格的UPS。同时也可以根据负载情况，扩展到N+1冗余并机。

优点：瞬间过载能力强；没有瓶颈故障点；自动均分功率。

缺点：存在环流，不同并机方法具有不同环流。环流增加无功损耗，降低系统可靠性。这也是区分UPS优劣的标准。

4.2.4 双总线输出冗余UPS供电方案

虽然N+1并联冗余UPS供电系统的可靠性很高，但从UPS输出到负载间仍存在诸多故障隐患接线端子老化、保险丝烧毁、断路器跳闸等。所以双总线输出冗余UPS供电方案适时而出，即2N或2（N+1）双总线UPS系统，两套UPS是独立的，直接供给双电源负载，各承担50%负载，单电源负载通过STS或小ATS切换得到两套UPS系统的电力保障，从而使整个配电系统得到更稳定可靠的保障，如图7所示。

优点：灵活性高，不受品牌限制；瞬间过载能力强；保险系数高。

缺点：成本高。

5 影响UPS安全运行的基本因素

5.1 解决UPS单机基本技术问题是UPS安全运行的保证

现在有很多出于成本和安全性考虑的新并机方案，其实若考虑成本只需采用一台性能稳定的UPS即可，若经济条件允许且要达到更高的安全性， “1+1”并机可足够。很多大型工业用户在采用并机方案时会有一个很大的误区，单机运行不稳定就采用并机方案，错误地理解单机存在的技术问题可以由并机来解决，虽然并机相对单机在安全性上有较大提高，但主要影响UPS安全运行的因素是所选用的UPS生产厂家是否有足够的能力解决单机与并机技术。并机是建立在稳定的单机基础上，若单机技术没有得到很好的解决，并机出现的问题将更多。

5.2 UPS同时具备两项功能

（1）在设备使用期内给负载提供纯净、标准的正弦波交流电源

其实UPS不是孤立连接在独立的电网中，电网给UPS供电不是绝对的所需标准值，存在标准值与非标准值两种情况。同一电网用电设备越少越接近标准值（如普通商业使用环境），UPS故障大多表现为元器件故障，即硬性故障。用电设备越多越偏离标准值（如大型工业系统使用环境），在元器件质量满足要求的情况下，UPS多表现为电网因素造成的监测、处理、控制系统故障等，即软性故障。外部因素是一个变量，很难去具体监测和抑制，且具有较大的随机性和隐蔽性，这就是同一UPS在工业环境比商业环境使用更难以实现稳定运行的原因。由于用户对UPS基本技术了解的局限性，很难区分上述因素并进行全面的技术分析及安全评估，而很多UPS厂家因受技术制约又不想区分太清楚，这是多年来一直困扰大型工业用户投入UPS与运行要求存在较大差距的主要原因。

（2）为负载提供非常稳定的不间断电源保护

随着UPS技术的不断发展，单纯地实现UPS给负载提供纯净、标准的正弦波交流电已不是UPS技术的主要难题。UPS技术面临的真正难题是怎样实现对负载更稳定的不间断保护，而外部因素又难以进行具体地监测和抑制，具有较大的随机性和隐蔽性。简单地说，UPS技术所面临的难题就是怎样提高UPS抗击外部因素的能力，使UPS运行尽可能少地受制于外部因素，这是UPS实现稳定运行必须解决的问题，尤其是要满足大型工业系统运行要求的UPS。

工业系统负载电压多为220V，输出电压220V的UPS设计与生产难度要远高于输出为380V的UPS，因I=P/U，当P为定值时，I与U成反比，220V时UPS元件所承受的电流强度是380V时UPS的两倍。当P越大时，要求元件所承受的电流强度越大，这对元器件是一个巨大的考验，所以380V的UPS功率可以做到1000kVA，而220V的UPS最大功率都在200kVA以下。220V的UPS元器件所承受电流强度的能力是一个非常重要的指标，这就是很多UPS使用不久就出现硬件故障的一个重要原因。

UPS并不是连接在一个理想的电网中，同一电网下设备的运行都会对电网造成冲击和干扰，且在电网中的出现具有较大的随机性和隐蔽性，因此很难去具体地监测和抑制，也不可能为UPS装备一套独立的、比较理想的电源。在这种情况下，只有提高UPS自身抗外部干扰的能力，使UPS运行尽可能少受制于外部因素。UPS的设计方案只有有效地避开外部因素的干扰，在硬件技术得到充分解决的前提下，UPS才能在设备的使用期内实现稳定运行。

UPS要实现稳定运行需要快速地处理供电系统，当UPS遇到较大的外部因素干扰时，能快速地进行处理与控制，不会因出现UPS无法控制的局面而引发各类故障。为了对负载供电执行紧急保护，严重时中断负载供电，每个厂家的设计与控制方案不一样。因受技术方面的制约，每个厂家的设备运行稳定性也不一样，包括进口设备。所以工业用户在选购UPS时务必全面地对设计方案进行技术分析和安全评估。

5.3 环境因素

（1）环境温度

UPS是由大量半导体器件组成的精密电气设备，半导体材料受温度影响比较大，当环境温度大于要求值时，半导体材料容易老化。静态开关是由半导体材料做成，工作时自身会产生一定压降及通态功耗。工作的静态开关会产生一定的热量，需要散热器散热，当温度达到80℃ ～ 90℃时，静态开关将自动进入关闭状态。虽然有机房空调和UPS风扇进行散热，但常年的运行导致粉尘在散热器上积聚较厚导致UPS风扇故障时，静态开关的局部温度急剧上升，容易造成静态开关的自动关闭。

（2）环境湿度

半导体器件对湿度也有严格要求，湿度太大在遇到机房冷气时会在设备内形成水雾或细水珠，尤其在潮湿的雨季，元器件容易短路造成设备损坏，不仅带来经济损失同时也给负载供电造成安全隐患，因此机房内安装的空调要有制冷和除湿功能。

（3）环境粉尘及化学腐蚀性气体

UPS由于工作时会产生大量的热量，因此为保证散热便在机器内部安装多个风扇，此时UPS尤如一个大功率吸尘器，会将大量粉尘及化学腐蚀性气体吸入内部。UPS常年运行未做清洁保养，大量的粉尘就会粘附在电路板上，粉尘中含有的金属微粒会导致高集成的小型元件出现短路，同时吸入空气中的水分会形成由粉尘构成的导电层，给设备和负载造成严重的安全隐患。大量粉尘粘在元件或散热器件表面会使元件温度高于规定值，很容易造成元器件损坏，严重时便会造成UPS供电系统瘫痪。

当长期运行的UPS吸入大量化学腐蚀性气体，遇到机房冷气时很容易在高集成元器件表面形成一种腐蚀性膜，对细小元件及焊接点具有腐蚀作用，长期如此会造成元器件损坏及焊点虚焊。而这些高集成元器件都集中在微处理器及控制系统中，会给UPS及负载造成严重的安全隐患。

6 UPS不间断电源日常使用与维护

UPS的科学使用和维护不但可以提高本身使用效率，还会延长UPS的使用寿命。在正常使用情况下应注意以下几点：

（1）不要用来接纯感性、纯容性负载，如电动机、空调等。因为电感性负载在启动时的电流往往是正常工作时额定电流的3～ 5倍，容易引起UPS的瞬时过载，缩短UPS的寿命。UPS适合带阻容性（如电脑）、阻性、感性负载。

（2）不要满载运行，长期满载使用UPS将直接影响UPS的寿命。对于单台UPS，实际负载一般按UPS容量的60%～80%选用；对于N+1型冗余并机UPS系统，实际负载一般按UPS容量的30%～60%选用，单台1.5kW的UPS可带1kW左右的负载。

（3）UPS主机的维护包括：检查设备的运行状况、对需要进行清扫的设备进行除尘清扫、对设备内主要部件进行静态测试、检测设备内易损单元（逆变器、整流器、静态开关）、检查设备的输入、输出联接端子是否牢固、恢复设备运行，检测设备的输出主要性能指标。

（4）维护好蓄电池。UPS采用的蓄电池大都是免维护的密封电池，但这只是免除了以往的测比、配比、定时添加蒸馏水等工作，所以必要的维护是不可或缺的，否则同样会缩短电池的寿命。

电池在使用一段时间后应进行定期检查，观察其外观是否异常、测量各电池的电压是否平均等；如果长期不停电，电池一直处于浮充状态，电池的活性将变差，因此即使不停电，UPS也需要定期进行放电以便电池保持活性。放电一般可3～6个月进行一次，做法是让UPS带一定的负载（50%以上），然后断开市电，使UPS电池处于放电状态，放电持续时间视电池容量而定，一般为几分钟至十几分钟，放电后恢复市电供电，继续对电池充电，充电时间应不少于8h。另外，蓄电池也会有自放电现象，如果长期放置不用，会使能量损失，因此需定期进行充放电。可通过测量电池开路电压来判断电池的好坏，以12V电池为例，若开路电压高于12.5V，则表示电池储能还有80%以上，若开路电压低于12.5V，则立刻进行充电，若开路电压低于12V，则表示电池储能不到20%，应更换电池。

（5）注意防雷接地保护。UPS要有良好的接地和防浪涌保护措施，以保护UPS内部电路和电池的安全，确保信息网络能获得100%的高“可利用率”（低误码率、低丢包率、高接通率）。

（6）使用环境要求：电池使用环境要求温度在0℃～40℃之间，标准使用温度为25℃。相对湿度在30%～90%之间，避免阳光直射并且保持清洁。远离水、可燃性气体和腐蚀剂等，保持UPS的进排风通畅。一般条件下，正常使用的密封免维护铅酸电池的使用寿命为3～4年。

7 结束语

现在的UPS产业无论是在智能化的管理方面，产品可靠性的提高方面，还是可维护性方面都获得了前所未有的进步，并已具备向用户提供从后备式UPS、在线互动式UPS到各种双变换式的在线式UPS的能力。UPS单机的输出功率从百级伏安的小型单相UPS到三进/三出型的百万级伏安的大型在线式UPS。相关的统计资料表明：小型UPS的平均无故障工作时间为几万小时，大型UPS的MTBF为20～40万小时。对于由大型UPS所组成的“1+1”型的冗余并机UPS供电系统而言，其MTBF值高达百万小时。由此可见不同用户可以根据自己的经济实力和所需要保护的电子信息系统设备的重要性来配置所需的UPS。

最初的UPS采用模拟控制方法且有很多局限性。随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的数字控制方法得以实现，UPS的设计也具有很大的灵活性，设计周期缩短、性能大为提高。UPS的高频化有效地减小了装置的体积和重量，并可以消除变压器和电感的音频噪音，同时改善输出电压的动态响应能力。数字化控制方法成了当今交流电源领域的一个研究热点，一种必然的发展趋势就是各种方法相互渗透、互相结合形成复合控制方案。数字化复合控制是UPS控制的一个发展方向。

模块化也是UPS节能化的主要发展趋势，通过模块化方式的灵活扩容，可以减少用户的设备投资浪费现象，同样可以节约能源。除了能提高电源供应的可靠性，企业可根据目前的用电负载要求选配模块，而当企业因发展需要扩展时，再灵活添加相应模块即可。

1 UPS冗余并联与双总线连接供电方案（一）．《电源技术应用》，2009（2）

2 UPS冗余并联与双总线连接供电方案（二）．《电源技术应用》，2009（3）