關(guān)于UPS系統(tǒng)建設(shè)若干問題的探討

張立浩

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，南京 210019）

1 UPS主機工作原理

1.1 UPS的作用及功能

數(shù)據(jù)中心、通信機房中的用電設(shè)備，諸如服務器、路由器、交換機、磁盤陣列等設(shè)備對供電質(zhì)量要求很高，不僅在運行過程中不能停電，還需要電能的電壓、頻率、波形及相位完好，因此不間斷電源（UPS）供電系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展和普及，在通信設(shè)備供電系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位。

UPS主要具有3個功能

不間斷供電功能：在UPS系統(tǒng)中配置一定容量的蓄電池，在市電斷電時，通過蓄電池逆變供電給通信設(shè)備，后備時間可以為15分鐘、30分鐘或更長時間。

隔離干擾功能：市電電源輸入UPS系統(tǒng)后，經(jīng)過整流和逆變兩個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可將電網(wǎng)中的電壓波動、失壓、諧波、頻率擾動等干擾因素與通信設(shè)備完全隔離，在不影響電網(wǎng)的前提下，保證設(shè)備的可靠供電。

電壓、頻率變換功能：通過UPS，可對輸入電壓等級進行轉(zhuǎn)化，以滿足通信設(shè)備用電需求。

1.2 UPS系統(tǒng)工作原理

當市電供電正常時，電網(wǎng)輸入的電壓一路經(jīng)過噪聲濾波器除去電網(wǎng)中的高頻干擾得到純凈電壓，然后進入充電器對蓄電池組進行充電；另一路進入整流和濾波，并將交流電轉(zhuǎn)換為平滑直流供電給逆變器并轉(zhuǎn)化成220V/50Hz的交流電供通信設(shè)備使用。當發(fā)生斷電時，濾波器、整流器、充電器不再工作，但此時蓄電池放電，把直流電輸送至逆變器并轉(zhuǎn)換為交流電供給通信設(shè)備，因此對于通信設(shè)備來說，市電中斷，在蓄電池能量放完之前，并未受到任何影響，仍可以正常運行。

UPS工作原理

2 UPS與蓄電池容量配置

隨著UPS應用場景的多樣化，各廠商可生產(chǎn)多種規(guī)格的UPS，常見的容量規(guī)格包括60kVA、80kVA、120kVA、200kVA、300kVA、400kVA等，關(guān)于選擇何種容量的UPS，主要從通信設(shè)備的用電功耗、功率因數(shù)及UPS負載率等方面進行考慮，并按照以下公式進行計算：

S=P/（η×cosΦ）

式中，S為UPS容量，單位kVA；P為通信設(shè)備功率，單位kW；η為UPS安全負載率，一般為80%～95%；cosΦ為通信設(shè)備功率因數(shù)，一般為0.8～0.95。

例如：某機房規(guī)劃安裝80架通信機柜，單機柜功率為4kW，則UPS計算容量為：S=80架×4kW/（90%×0.9）=395kVA，因此可選擇容量為400kVA的UPS主機，可滿足通信設(shè)備用電需求。

蓄電池類型主要包括閥控式鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰蓄電池兩種，其中閥控式鉛酸蓄電池因儲存電能大、安全可靠且造價較低，主要應用于大型數(shù)據(jù)中心機房，磷酸鐵鋰電池因重量輕、占地面積小等特點，主要應用于中小型通信機房。

蓄電池主要容量包括12V/65Ah、12V/100Ah、12V/200Ah以及2V/400Ah、2V/500Ah、2V/600Ah、2V/800Ah等，電池選型配置方法包括安時容量法、恒功率法、速算法、階梯累加法等，考慮到UPS多數(shù)應用工況，恒功率算法在成本控制、性能滿足上能夠?qū)崿F(xiàn)合理的配置，因此本文僅介紹恒功率算法，計算公式如下：

P電池=K×S×cosΦ/η逆變

式中，P電池為電池總輸出功率；K為安全系數(shù)：一般取1.25；S為UPS主機容量；cosΦ為通信設(shè)備功率因數(shù)，一般為0.8～0.95；η逆變?yōu)槟孀兤餍?，一般?.94。

例如：UPS主機容量為400kVA，可支持電池只數(shù)為40只及最多4組并聯(lián)，通信負載需要后備時長為15分鐘，則需要的電池總功率為：P電池=1.25×400000×0.9/0.94=478723W，單體電池功率為478723W/40只/4組=2992W，經(jīng)查表可知12V550W可滿足后備時間需求，因此蓄電池配置為：12V550W×40只×4組。

某廠家恒功率放電數(shù)據(jù)

3 UPS系統(tǒng)組織架構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、金融中心以及民航空管部門等的重要通信設(shè)備，要求UPS系統(tǒng)的可用性需要達到6個“9”，即99.9999%。這些重要用戶一年內(nèi)所能承受的停電時間不能大于31s，即每天的停電不得多于0.09s，否則將給這些重要負載帶來不可估量的損失。為此，需要采用2N或3N系統(tǒng)架構(gòu)。

3.1 2N系統(tǒng)架構(gòu)

在2N系統(tǒng)架構(gòu)中，需要設(shè)置兩套互相獨立的UPS系統(tǒng)（每套系統(tǒng)可以是單機運行，也可以為1+1冗余運行），每套系統(tǒng)的市電輸入、蓄電池配置、輸出配電屏等完全獨立，雙電源通信負載可分別從2套UPS系統(tǒng)引入交流電，單電源負載可通過靜態(tài)開關(guān)（STS）從2套UPS系統(tǒng)引入交流電。2N系統(tǒng)為100%冗余系統(tǒng)，為通信負載提供極高的可靠性和可用性。

2N系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 3N系統(tǒng)架構(gòu)

在3N系統(tǒng)機構(gòu)，需要設(shè)置3套互相獨立的UPS系統(tǒng)（每套系統(tǒng)可以是單機運行，也可以為1+1冗余運行），每套系統(tǒng)的市電輸入、蓄電池配置、輸出配電屏等完全獨立，通信負載采用插花式方式接入3套UPS系統(tǒng)，整套系統(tǒng)最多可允許1臺UPS出現(xiàn)故障，而仍能正常運行，系統(tǒng)可靠性較2N系統(tǒng)略低。

3N系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

UPS系統(tǒng)的建設(shè)是一個復雜的課題，本文僅討論了一些常見的典型配置方案，系統(tǒng)安全可靠的運行還包括其它一些因素，比如系統(tǒng)的接地方式、系統(tǒng)的運維管理方式等，仍需要深入的研究討論。