不间断电源节能运用的实践

中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司 姜 宁

不间断电源节能运用的实践

中国移动通信集团江苏有限公司南京分公司 姜 宁

介绍了UPS（不间断电源）ECO（生态，节能，优化）模式在通信机房的运用情况。ECO模式是UPS为提高用电效率的一种运行模式，是用市电直接向IT（信息技术）负载供电。由于不需要经过整流、逆变的变换过程，减少了电能损耗，效率提高，从而达到进一步节能的效果。当市电质量不能满足后端设备正常运行时，切换至UPS“双变换”工作模式。通过实验室数据与现场实践阐述，高级ECO模式比标准ECO模式更适合通信运营商现在的运用场景，系统安全性与可靠性没有降低。

模式； 安全运行； 节能

0 引言

通信运营商目前UPS（不间断电源）均为在线式双变换构架，其在工作时整流器、逆变器均存在功率损耗，运行效率仅在93%左右。UPS的高效率不仅要求带载效率高，同时也必须具备一个较高的效率曲线，特别是在“1＋1”并机系统时，根据通信行业（江苏移动）的维护规程，系统负载率每台UPS容量不得大于45%。所以要求UPS必须采用优化效率措施，使UPS效率在较低负载时也能达到较高的水平。为了解决上述问题，UPS的ECO（生态，节能，优化）模式应运而生。

1 ECO模式概述

ECO以技术、环保和经济性为设计研发的基本理念。在ECO模式下UPS运行是以提高其运行效率的一种特殊技术。国外运用很早，运用领域广泛。UPS的ECO模式有两种：标准模式和为高级模式。

1.1 标准ECO模式

标准ECO模式有些类似于离线式UPS（也称作“后备式”或“在线互动式”UPS）的基本运行模式。在正常运行状态下不投入运行。因此在正常运行中，负载实际上是直接接入未经处理的市电电源。在标准ECO模式下，UPS逆变器实际上是关闭的。

1.2 高级ECO模式

高级ECO模式中UPS逆变器实际上是工作的，只是没有输出。我们知道如果在逆变器处于备用状态时发生市电中断，则UPS的输出电压和电流波形都将受到负面影响。UPS需要时间来检测、启动逆变器，并通过电池向负载提供纯净的电源。高级模式是减少切换时间，以降低标准ECO模式的负面影响。高级模式下，逆变器始终保持“开启”状态，与旁路输入电源并联运行，但实际并不给负载供电。由于逆变器保持“开启”状态，当主电源发生波动或故障时，它可以完成无缝切换并继续为负载供电。从安全性与可靠性分析，高级ECO模式更适合通信运营商。但是，在UPS效率方面，高级ECO模式比标准ECO模式低2%～3%。

2 高级ECO模式的可靠性与安全性

UPS使用中有两条路径可以承担供电负载，一条是在线双变换供电，另一条是旁路供电。当旁路激活时，负载被直接接入市电状况下的供电。ECO模式（旁路）比双变化模式节能，但这种节能的表现有所差异，主要取决于UPS设备的电气架构

设计和实现ECO模式功能时采用的具体方法。目前有些维护人员或电源主管认为为了节能，不值得承担这些风险； 而有些维护人员或电源主管通过实验，认为可行。其实分歧的焦点是对ECO模式的理解存在差异，ECO模式有2种，标准型和高级型。标准ECO模式有风险，且不适合通信运用商在现网使用，高级ECO模式适合通信运营商在现网使用。下面是通信机房的供配电架构。

通信机房楼采用一类市电，分别从两个独立电源各引入一路10 kV供电线路，两路供电线路很少出现同时检修停电情况。低压配电均采用“1＋1”冗余配置，系统安全性高。通信机房整体供电环境稳定，供电品质优良。UPS系统也是“1＋1”冗余配置，且是“双重线”。所以本次实践确定运用场景为：一个平面的“1＋1”UPS系统进行高级ECO模式并机运行，另一个平面的UPS保持原“1＋1”在线模式运行。系统架构没有变化，只是有一个平面的“1＋1”UPS系统是经济运行（ECO模式），这个平面ECO模式的安全性与可靠性需要用实验数据与运行实践来佐证。首先在实验室模拟UPS设备在ECO模式下的运用场景，模拟在各种状态下可能出现的问题，实验证明可行。下面是实验测试方法与数据。

2.1 系统安全性测试

测试系统在不同工况下，各种工作模式切换的安全性，电压波动范围为380 V±20%，频率波动范围为50 Hz±5 Hz，可能出现的闪断的持续时间均小于5 ms。包括不同工作模式间切换时间和系统安全保护机制。测试正常。

2.2 不同负载率下系统效率

系统在不同负载率（25%、50%、75%、100%）下，测量高级ECO模式和双变换模式下系统效率。

在高级ECO模式中我们将从旁路输入异常、重复旁路输入掉电异常等多个方面对UPS进行测试，观察其在高级ECO模式下运行的可靠性。UPS #1与UPS #2并机工作在高级ECO模式，输出100%阻性负载，断开UPS旁路输入电压，UPS切换到正常工作模式，用多通道示波器观察输出电压波形，输出电压应无异常。

高级ECO旁路输入异常切换测试：UPS并机系统工作在ECO模式，输出93%阻性负载，断开UPS系统旁路输入，UPS应该切换到正常工作模式，用多通道示波器观察输出电压波形，输出电压应无异常。

观察截图1，我们可以发现，运行在ECO模式下的UPS对电源故障的检测和转换时间可以控制在5 ms内，后端IT设备是感知不到电源的变化。不会影响到IT设备和网络的安全性。

2.3 ECO模式设置确保可靠运行

ECO模式设置各家机器各有不同，因为设置的敏感度太高，它可能对轻微电力干扰反应过度，导致逆变器频繁地被反复接入，形成乒乓效应。如果敏感度过低，ECO模式的响应时间可能过长而不能及时应对市电瞬间波动做出及时反应。导致后端设备出现问题。目前的UPS具备ECO设置功能，即发现电力问题时及时退出ECO模式，在市电稳定后，重新启动ECO模式。由于该设置没有统一标准，不同的设备商可能设置不一样，工作方式也不尽相同。这一点也是需要通过不同的运用场景与不同的需求来优化与完善。后期，通信运营商要考虑的是在柴油发电机组运行时，是否就ECO模式的使用制定程序，即柴油发电机组运行时强行切回“双变化”模式，不再进行ECO模式。

因为发现市电存在电源频繁切换时，或柴油发电机组发电时，为确保系统安全、可靠更为重要，所以减少系统切换次数，消除乒乓效应，需要及时退出ECO模式。而目前有些UPS机器已经有柴油发电机组运行的“干接点”接入信号端，后期可以考虑直接接入该信号，让UPS知道输入的电源是市电，还是柴油发电机发电，以提升系统的容灾能力。我们本次的试运行是用稳定运行时间来判断市电的质量，从这次的市电瞬间波动分析，它是可行的，但未必是最佳方案。日后其他运营商和厂家也可以优化该设置，或直接接入发电机发电信号，确保ECO系统安全、可靠。

3 运用案例

在运用中发生过一次市电瞬间波动，后端设备没有任何感

知，ECO模式的UPS并机系统安全、可靠的运转。由于瞬间波动太快，当天的“动力”环境监控系统也没有侦察到任何波动数据，发现该事件还是我们在厉行日常维护工作，察看机器log（日志）时发现。ECO模式的UPS系统曾经发生过一次快速切换，该切换使UPS系统经历了3种工作状态： 电池放电（逆变器工作）、双变换工作、ECO模式（旁路工作）。

2015年4月3日下午南京公司试点的某机房，当时“宅基线”10 kV瞬间波动，由于太快，10 kV进线断路器与低压总出线断路器均没有动作。但是后端的UPS智能设备感受到，由于通信机房的UPS主输入电源与旁路电源均取之同一台变压器，所以在该路电源的所有UPS都转入了电池放电的状态。这种情况下，对双变换机器来说，没有什么问题，因为本身机器就是运行在整流、逆变，逆变器始终工作； 而对ECO模式机器则不同。高级ECO模式逆变器始终保持“开启”状态，与旁路输入电源并联运行，但实际并不给负载供电。由于逆变器保持“开启”状态，当主电源发生波动或故障时，它应该完成无缝切换并继续为负载供电。对这种市电瞬间波动，既要考验UPS逆变器将承受因负载突变而产生的电流冲击，还要考验逆变器瞬时发热并对UPS内部系统造成冲击。业界普遍认为，瞬变热量是造成电力电子系统故障的一个主要原因。电力瞬变现象的事件种类繁多，很难在测试中进行模拟，本次就是一个实地检验。

具体见图2、图3。

从2台机器的告警log分析：

电池逆变供电： 电池放电时间很短，毫秒级（1号机14 ms、2号机9 ms）；

主路逆变供电： UPS双变换运行5 min；

滤波器接入： 运行对应5 min（本次带载各机器负载都超过30%，所以滤波器全部打开，也是运行5 min）；

从告警log记录显示分析整个过程为： 该系统的UPS经历了3种工作状态。① 逆变器工作（电池组放电）、② 双变换工作、③ 旁路工作（ECO模式）。

通过2台UPS告警记录分析，本次切换与市电稳定后5 min再次切回ECO模式（图2、图3中的主路逆变供电时间）。主路逆变供电、滤波器接入都只运行了5 min，所以可以判断5 min后系统又切回ECO模式。本次ECO模式切换是实验室模拟不了的，是一次市电瞬间波动，极其快速。过程为： 由于市电波动，主路与旁路电源都不可用，“1＋1”UPS系统从ECO模式切到“电池放电逆变器供电”模式； 在极其短时间内，市电又稳定了。“1＋1”UPS系统从“电池放电逆变器供电”模式变换为“双变化”模式（整流、逆变），该模式运行了5 min，下面再次切回ECO模式。由于设计要求： 高级ECO模式时，UPS旁路供电，逆变器处于待机状态并锁定旁路，逆变器和旁路是通过逆变SCR（可控硅）隔离，当旁路出现问题，逆变SCR速度快放开，实现旁路到逆变的不间断切换。所以完全达到设计要求的。本次真实的事件证明“1＋1”UPS并机的ECO模式运行是安全可靠的。

4 运行与节能分析

UPS高级ECO模式时，UPS损耗从5%降至1.5%，效率也相应从93%升至96.5%，见图4。我们假设核心机房UPS系统在50%负载下运行，结果是400 kVA的UPS效率每台每提高1%，一年节省的电费为24 303.74元。应用ECO模式的UPS每台每年大约节省85 063.09元。南京市核心机房分别有400 kVA、320 kVA、200 kVA等级别的UPS，按照一半ECO模式，另一半正常模式，一年节省电费大约在500万元人民币，而且系统安全等级没有降低。

对于特殊情况进行错误补救，对于丢失设备进行文档销毁，最大限度地保证了企业数据安全。

2.3.3 文档在线阅读

对于特殊敏感性文档，企业出于对文档安全性的要求，不希望文档能够本地保存，防止文档外泄。对于特殊文档格式，客户端提供特殊格式文档在线阅读的能力，支持的格式包括.WPS、微软Office、 .PDF等。

2.3.4 文档安全分发

文档无论是变更还是删除，都可以通过通知的方式提醒终端用户。分发文档时，支持按照自定义策略进行分发，支持消息通知。所有的文档都应通过安全的SSL（安全套接层）加密传输，确保安全、完整、可靠分发到终端上。

3 总结

安全在信息技术时代是个永恒的话题，随着信息技术的发展和迭代，安全问题会涉及到各行各业并进行严格的细分，本文通过站在企业管理者的角度对企业移动应用安全三个要素进行剖析，试图通过功能和技术上的分解来探讨移动安全解决思路，希望结合本文的分析在今后在企业的移动应用安全管理上能够做到有的放矢、弥补缺点和不足，为企业信息安全筑建一道坚固的移动办公安全“长城”。