淺談通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)配置方案

不間斷電源(UPS)在通信領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在通信機(jī)房中安裝UPS(不間斷電源)供電系統(tǒng)越來越普遍。一個設(shè)計(jì)良好的UPS供電系統(tǒng)能給負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源。如何建立一個合理的、安全的UPS供電系統(tǒng)成為大家關(guān)注的問題。筆者從UPS供電系統(tǒng)配置各方面進(jìn)行論述,以供同行參考。 
    1 對UPS前級供電系統(tǒng)的要求 
    UPS可以向負(fù)載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真度小的高質(zhì)量電源,并且在與靜態(tài)旁路切換時可以做到供電無間斷。但要做到這點(diǎn),它的前級供電質(zhì)量不容忽視。我們在設(shè)計(jì)通信機(jī)房前級供電系統(tǒng)時,應(yīng)考慮以下幾個方面: 
    (1)前級供電系統(tǒng)電源質(zhì)量不宜太差,電壓及頻率應(yīng)穩(wěn)定在正常范圍。一般地講,大容量UPS主機(jī)輸入電壓范圍應(yīng)為380V±15%。電壓過低,將使UPS備用電池頻繁放電,最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命;相反,電壓過高,則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入,其電壓和頻率波動也有一定的范圍,一般為額定電壓±10%,額定頻率±15%。如果前級電源變化范圍過大,就會導(dǎo)致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此,如果通信機(jī)’房的前級電網(wǎng)在電壓范圍上達(dá)不到要求,應(yīng)在UPS前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源,但不宜采用電子管型交流穩(wěn)壓器或磁飽和穩(wěn)壓器,因?yàn)檫@兩類穩(wěn)壓器在開機(jī)時可產(chǎn)生瞬時高壓,輸出波形失真度也較大,易造成UPS故障。 
    (2)前級供電系統(tǒng)中不應(yīng)當(dāng)帶有頻繁啟動負(fù)載,比如經(jīng)常使用的電梯,頻繁開啟的空調(diào)等。原因是在這些負(fù)載開、關(guān)機(jī)時會出現(xiàn)瞬間高低壓,使供電線路上電壓波形失真度過大,造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動作,進(jìn)而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下,宜將UPS電源盡可置于電網(wǎng)輸入的前端。 
    (3)前級供電系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)組容量應(yīng)適當(dāng)放大。大多數(shù)通信機(jī)房都備有發(fā)電機(jī)組,以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發(fā)電機(jī)組時,其容量應(yīng)考慮不少于UPS電源額定輸出功率的1.5~2倍,以保證發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率正常,并改善其波形失真度。 


    2 UPS容量的確定 
    根據(jù)負(fù)載容量及性質(zhì),選擇適當(dāng)?shù)腢PS,既可保證UPS的供電質(zhì)量,降低故障率,又可節(jié)省投資,提高經(jīng)濟(jì)效益。一般來說,UPS容量的確定主要是要滿足當(dāng)前負(fù)載的需要,同時,也要考慮幾個因素: 
    (1)負(fù)載性質(zhì)對UPS輸出功率的影響。當(dāng)前大部分UPS生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品說明書中所給的輸出功率都是指負(fù)載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時的值,而UPS電源實(shí)際可帶的負(fù)載量是與負(fù)載功率因數(shù)密切相關(guān)的。當(dāng)負(fù)載為純電阻性或電感性時,逆變器在額定功率下其有功功率將有所下降。所以在考慮UPS容量時,對不同的負(fù)載功率因數(shù)要進(jìn)行功率折算。通常可作這樣的估算:假設(shè)負(fù)載功率因數(shù)為-0.8(滯后)時UPS額定功率為1kVA,則當(dāng)功率因數(shù)為-0.9和-1.0時,輸出功率分別約為0.9~0.92kVA和0.74~0.77 kVA。對于計(jì)算機(jī)類負(fù)載,只要負(fù)載的峰值系數(shù)在UPS允許的范圍內(nèi),UPS基本上可以輸出額定功率,對于電感性負(fù)載,則需酌情加大UPS容量。 
    (2)UPS容量較負(fù)載不宜過大,以免使其過度輕載運(yùn)行。過度輕載運(yùn)行雖有利于降低逆變器的損壞概率,但可能造成市電停電時,電池放電電流過小而放電時間偏長,在電池保護(hù)裝置故障時,電池組被深度放電,而遭永久性損壞。 
    (3)UPS容量不宜過小,以免使其長期處于重載運(yùn)行狀態(tài)。這樣雖可節(jié)省一部分投資,但由于逆變器處于重載運(yùn)行,其輸出波形將發(fā)生畸變,輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源,還極易造成UPS逆變器的損壞,所以,即使從經(jīng)濟(jì)角度講也是得不償失。根據(jù)目前一些UPS廠家推薦,UPS負(fù)載量不宜長期超過其額定容量的80%。 
    (4)對于通信機(jī)房面積較大,負(fù)載不斷分期擴(kuò)容的情況,在首期配置UPS容量時,應(yīng)適當(dāng)考慮中遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢,并在選型中挑選可并機(jī)或多機(jī)運(yùn)行的機(jī)型,以使中遠(yuǎn)期負(fù)載容量增大時,通過UPS并機(jī)擴(kuò)大其輸出容量。相應(yīng)地,配置UPS輸入輸出配電屏?xí)r,應(yīng)預(yù)留多臺UPS的輸入開關(guān)和中遠(yuǎn)期的負(fù)荷分路開關(guān),以便于今后擴(kuò)容。 


    3 正確配置UPS后備電池 
    為保證電網(wǎng)停電時,也能利用UPS電源繼續(xù)向計(jì)算機(jī)提供高質(zhì)量供電,后備電池的配置尤為重要。當(dāng)負(fù)載不允許被中供電時,通信機(jī)房內(nèi)UPS電池后備時間應(yīng)大于從市電中斷到恢復(fù)的時間或到發(fā)電機(jī)組正常供電所需時間(前級供電系統(tǒng)配有發(fā)電機(jī)組)。若此段時間較長,則應(yīng)配置外接的長延時的電池組,但此時應(yīng)確認(rèn)UPS內(nèi)部整流器有能力對外接大容量電池組進(jìn)行充電,否則應(yīng)配置外接充電器。電池容量選擇應(yīng)遵循以下原則:即電池必須在后備時間內(nèi)供電給逆變器,且在額定負(fù)載下,電池組電壓不應(yīng)下降到逆變器所允許的最低電壓以下。在布置機(jī)房設(shè)備排列時,應(yīng)盡量使電池組靠近UPS主機(jī),縮短兩者連線長度,增大連線截面積,以降低連線自感量和線路壓降。電池組可安裝在電池柜內(nèi),也可安裝在敞開的電池架中,前者美觀、整潔,但對樓板承重要求較高,后者可分散承重,且散熱性好,但占地面積多,易積塵,給維護(hù)帶來不便。 
    4 通過冗余方式增加供電可靠性 
    為了提高UPS供電的可靠性,可采用多種UPS冗余連接方式。各種方式都有優(yōu)缺點(diǎn),考慮方案時要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況,選擇合適的模式。冗余連接方式大致有以下三種: 
    (1)雙機(jī)主從式熱備份。將作為從機(jī)的UPSl輸出接到另一臺作為主機(jī)的UPS2的旁路輸入,正常運(yùn)行時由UPS2供電,UPSl處于備份。當(dāng)UPS2故障時,負(fù)載切換至UPS2旁路,由UPSl承擔(dān)負(fù)載供給任務(wù)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡單,但存在以下缺點(diǎn):主機(jī)長時間工作,而從機(jī)處于長期待機(jī)狀態(tài),兩機(jī)的元件老化程度不均勻;在從機(jī)供電的狀態(tài)下,主機(jī)靜態(tài)旁路故障時將導(dǎo)致系統(tǒng)供電失;系統(tǒng)負(fù)載不能超過單機(jī)容量且以后無法擴(kuò)容。 
    (2)功率均分并聯(lián)備份。該系統(tǒng)將兩臺或多臺UPS逆變單元并聯(lián)運(yùn)行,正常時兩臺(或多臺)逆變器同時向負(fù)載均分供電。當(dāng)其中一臺故障時,該UPS從系統(tǒng)中脫離,用戶所需負(fù)載電流,由剩余逆變器按新的份額重新分配供電。此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu),一種是UPS通過外加并機(jī)柜方式并聯(lián),并機(jī)柜提供同步及多機(jī)均流控制,同時提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路;另一種是在每臺UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板,控制各臺機(jī)器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)容(采用并機(jī)柜方式時應(yīng)將并機(jī)柜按終期考慮),通過冗余備份提高供電可靠性,但也存在缺點(diǎn):(a)采用并機(jī)柜方式的,并機(jī)柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點(diǎn),一旦它內(nèi)部失控或故障,會導(dǎo)致整個系統(tǒng)供電失敗。(b)由于各臺UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致,導(dǎo)致各UPS在向負(fù)載供電同時,還在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流。當(dāng)環(huán)流過大,將直接危及逆變器安全。此外,如果各UPS向負(fù)載供電的電流差異過大,將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡,也會引發(fā)故障。一般來說,供電系統(tǒng)中并機(jī)數(shù)量越多,UPS電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也越大。 
    (3)并聯(lián)熱備份。該系統(tǒng)將兩臺UPS的電池組輸入、整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián),共用旁路。正常時兩臺整流器同時向兩逆變器供電,并向兩組電池充電,通過逆變器輸出靜態(tài)開關(guān)選擇其中一臺逆變器向負(fù)載電,兩臺整流器和逆變器分別互為備用。只有當(dāng)兩臺逆變器同時故障時,系統(tǒng)將負(fù)載切至共同靜態(tài)旁路,由市電繼續(xù)向負(fù)載供電。該方案沒有瓶頸故障點(diǎn),任何一臺UPS局部或整體故障,系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負(fù)載供電,由于真正輸出只有一臺逆變器,故也不存在逆變器間的環(huán)流,但由于此模式類似單機(jī)運(yùn)行模式,帶載能力相對差且不易擴(kuò)容。 

    5 供電系統(tǒng)應(yīng)具備智能性 
    為了保證供電系統(tǒng)能長期不間斷運(yùn)行,UPS必須具有智能性,對運(yùn)行中的UPS狀態(tài)自動檢測,對UPS故障及時發(fā)現(xiàn)。診斷和處理,并減少因故障或檢修而造成的間斷,同時,作為通信機(jī)房動力系統(tǒng)的一部分,應(yīng)提供通信協(xié)議,以便納入動力集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,我們應(yīng)考慮到這些因素。一般來說,作為智能性的UPS應(yīng)具備下列功能: 
    (1)實(shí)時監(jiān)測功能。監(jiān)視電路中各部分狀態(tài),隨時獲取主機(jī)工作時的有關(guān)參數(shù)。 
    (2)人機(jī)交互功能?砂磳(shí)際運(yùn)行情況,通過程序修改,重新設(shè)置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點(diǎn)閥值,也可讀取UPS電源各種工作參數(shù)。 
    (3)故障診斷功能。對監(jiān)測到的不正常參數(shù)及時分析,及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭,顯示其性質(zhì)、部位,給出處理方法,并自動記錄有關(guān)信息。 
    (4)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。提供一個遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接口,能通過RS232或RS485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與異地計(jì)算機(jī)終端通訊,達(dá)到遙測和遙信的目的。 


    6 結(jié)束語 
    在設(shè)計(jì)通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)時,我們既要節(jié)省投資,又要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性,為通信設(shè)備及計(jì)算機(jī)負(fù)載提供有效的動力保障。

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