智能化系统设计中常见的不间断电源配置问题探讨

白雪婧， 薛海龙

(中国航空规划设计研究总院有限公司，北京100120)

0 引言

基于智能化设备用电的连续性、可靠性要求，不间断电源(UninterruptiblePowerSystem/Uninterruptible Power Supply，UPS)在智能化系统设计中的应用越来越广泛。

在智能化系统设计过程中对于UPS的选择主要考虑UPS容量以及配置方式的问题。UPS容量一般涉及输出功率和电池连续供电时间问题；UPS配置方式主要分为“集中式”和“分散式”两种。

为求精细、经济设计，在UPS方案选择时，应依据需求综合考虑经济性、合理性、场地条件等因素以确定最终方案，做到既满足需求，又避免因留有太多余量而浪费。

1 智能化系统设计中UPS供电需求

一般的工业建筑设计中，遇到的智能化系统主要包括以下几种:(1)火灾自动报警系统；(2)安全技术防范系统(入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统)；(3)用户电话交换系统；(4)信息网络系统；(5)公共广播系统；(6)电子会议系统；(7)视频显示系统；(8)电子信息系统机房等。

在日常设计中，对前四种系统，设计人员都会根据规范设计UPS电源，其中信息网络系统包括电子信息系统设备及综合布线系统；对公共广播系统，当其与消防广播合用时，需按照火灾自动报警系统要求设置消防电源；对电子信息系统机房，将根据等级设计不间断电源系统，不间断电源的供电时间应能满足信息存储的要求；其他系统如甲方无特殊使用要求，一般设置普通电源。

本文对各智能化系统所对应的规范及手册内容进行了解读、分析和总结，如表1所示。

各智能化系统所对应的规范及手册内容解读分析表 表1

2 UPS的选择

在UPS选型时，有两个关键的技术指标，即UPS容量和UPS持续供电时间。除此之外，设计者在选型时还应关注UPS的输入及输出电压，UPS的尺寸大小，UPS的前后左右操作及检修空间，UPS的发热量等问题。

2.1 UPS容量及持续供电时间的估算

除了本文表1所述规范特别说明外，其余场景下的UPS容量均依据《工业与民用供配电设计手册》(第四版)P102(或依据JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》6.3.3条)的原则来确定，即“不间断电源设备给电子计算机供电时，单台UPS的输出功率应大于电子计算机各设备功率总和的1.2倍。对其他用电设备供电时，为最大计算负荷的1.3倍。”

依上所述，智能化系统设计时，UPS容量应按式(1)进行计算:

式中，k1为UPS冗余系数；k2为设备储备容量系数，即智能化设备铭牌标称功率中所包含的储备容量系数，经市场调研，工程计算中k2按1.25进行估算；cosφ为功率因数，工程计算中近似取为0.9；P为需要UPS供电的设备负荷总和，kW；Sj为UPS容量，kVA。UPS电池的供电时间，应满足相应规范的要求或协调业主高于规范的要求。

下面分系统介绍UPS容量及UPS电池供电时间的确定原则。

2.1.1火灾自动报警系统

依据表1分析可得，火灾自动报警系统中，UPS容量按式(1)进行计算时，计算系数k1应取1.2，故容量应按式(2)计算:

依据GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》，UPS电池供电时间应满足T≥3h。

2.1.2安防系统

工程实际中，大多数情况下安防系统的三个子系统由一个机柜供电，相应的备用电源(此处特指UPS)也是集中设置，但正如表1分析，三个子系统对连续供电时间的差异性很大，如果只是简单的将三个子系统负荷求和选择UPS容量，同时按最长的持续供电时间要求——48h，选择UPS电池就会造成极大的浪费。式(3)提出一种比较经济合理的UPS容量需求计算方法，式(4)通过电池容量(Ah)估算出电池持续供电时间:

式中，计算系数k1应取1.3；P0为安防系统网络设备负荷总和，kW；P1为入侵报警系统负荷总和，kW；P2为视频安防监控系统负荷总和，kW；P3为出入口控制系统负荷总和，kW；T0为接入网络设备的系统中所需持续供电时长的最大值，即max{Ti}(Ti为接入网络设备的安防系统所需持续供电时间)；T1为入侵报警系统持续供电时间要求，即8h；T2为视频安防监控系统持续供电时间要求，一般按1h设置；T3为出入口控制系统持续供电时间要求，即48h；T为 UPS电池供电时间，h；Uin为 UPS输入电压，Uout为 UPS输出电压，V。一般使用中，UPS的Uin、Uout值相等，所以式(4)可简化为:

工程实际中，UPS的下级配电箱(或称作分线箱)利用时间继电器可以很好地实现UPS对三个子系统的差异性供电。

2.1.3用户电话交换系统

依据表1分析可得，用户电话交换机系统，UPS容量按式(1)进行计算时，计算系数k1应取1.5，故容量应按式(6)计算:

在一般设计中，根据建筑使用电话类型设置电源。当使用光网络单元(Optical Network Unit，ONU)作为电话系统接入设备时，需要为系统供电；当使用普通电话接线箱接入时，无需在末端厂房提出电量要求。ONU设备电源供电时间可参考电话交换机房电量需求——当所在建(构)筑物有发电设备时，电池组应满足15～30min的放电时间；当所在建(构)筑物无发电设备时，电池组应满足0.5～8h的放电时间[7]。具体供电时间可参考GB 50174-2017《数据中心设计规范》规范[8]，根据建筑类型及规模设计。

2.1.4信息网络系统

依据表1分析可得，信息网络系统UPS容量按式(1)进行计算时，计算系数k1应取1.2，故容量应按式(2)计算:

对于大多数建筑，含有网络设备的电信间并非A(或B)级机房，且无柴油发电机组作为后备电源，但与生产过程密切相关，为满足生产需求及信息存储要求，设计人员一般按照0.5h的供电时间进行设计。

2.2 UPS的经济运行问题

UPS带载过轻(如1 000VA的UPS带10VA负载)有可能造成电池的深度放电，会降低电池的使用寿命，同时也会造成经济的浪费。

UPS的输出负载过高，会降低可靠性，一般控制在60%左右为最佳，可靠性最高。通过市场调研，为了权衡UPS运行的经济性和可靠性，目前市面上的UPS一般将输出负载控制在70%，如式(7)所示:

故应对上述式(2)～(6)进行修正。

市面销售的UPS容量通常有一定档位(或称作模数，因为所售UPS容量值是个离散量而不是连续量)，所以实际设计过程中指定 UPS容量时，应在满足式(2)～(6)的前提下，选择接近式(7)计算值的档位，使UPS运行在自身的经济运行模式下。

2.3 UPS电池衰减的考虑

现在的UPS一般都用全密封的免维护铅酸蓄电池作为储能装置，不可避免会遇到使用寿命的问题，同时在使用寿命内还有衰减的问题。要使UPS连续供电时间在电池使用寿命内达到设计要求，除了定期更换UPS电池外，还应在电池连续供电时间选择时，考虑电池衰减的因素。

经市场调研，如果以6年为周期进行电池更换，应按设计要求时长的1.2倍进行UPS电池续航时间确定。所以，2.1.1～2.1.4章节内容所得UPS供电时间应该进行考虑电池衰减因素后的修正，修正后的结果见表2。

UPS供电时间修正前后对比表 表2

3 UPS的“集中式”与“分散式”配备方式

如果需要配UPS的设备较多，可以采用“集中式”与“分散式”两种配备方式。

日常设计中常见智能化系统(不含核心机房)的UPS电源容量一般为2～7.5kVA，对于大容量或持续供电时间较长的UPS，由于UPS自身尺寸及散热要求，应集中设置；对于小容量、小尺寸的UPS既可以集中设置，也可以分散设置于设备机柜内，两种布置方式优缺点如下。

(1)集中供电方式:一台大功率UPS负载所有设备，便于管理。为UPS单独设置位置，避免了将UPS放入设备机柜内其散热影响设备运行的问题。UPS集中采购，容易控制UPS质量，减少设备厂商购置的环节，节约采购费用。考虑用电设备同时使用的参差系数，集中设置利于降低UPS总容量，容量设置相对合理，节约投资。但是，集中设置方式对建筑要求较高，现场配置成本增加，集中设置布线要求高，可靠性降低。

(2)分散供电方式:根据设备需要分别配备适合的UPS，可靠性高，布线要求低，将UPS与智能化设备间的线路暗敷在机柜内，使配电线路尽量短，从而降低中性线与 PE线之间的电位差[8]，整合UPS单独设置的空间，节约了整体成本。但是，分散设置不便管理，且由于单独设置UPS冗余容量、UPS模数等，分散设置会使UPS总体容量大幅增加，造成浪费。

设计中，可权衡投资与可靠性来选择两种方式。大型数据中心、控制中心宜采用“集中式”配置方式；对于常见普通建筑，“分散式”设置仍为现在比较可行的一种配备方式。但是设置过程中应注意考虑多回路UPS用电时，需在智能化机柜内增加一个小型分线盘作为UPS的下级配电设备，以满足系统多回路用电需求。

4 结束语

智能化系统设计中，选择一个经济、合理的UPS供电方案，对于节省造价、合理利用建筑空间大有裨益。在以后的工程设计中，还应根据实际情况因地制宜地确定最佳的UPS供电方案。