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通信机房UPS供电系统设计方案探讨

2/14/2005来源:通信电源人气:19331

通信机房UPS供电系统设计方案探讨 摘要本文对通信机房UPS供电系统的设计方案作了探讨,并在UPS容量的确定、后备电池的 配置、冗余方式的选择等方面提出了自己的观点。 关键词 UPS 供电系统 容量 电池 冗余 智能性 1引言 计算机在通信系统中的广泛应用,对供电质量提出了越来越高的要求,由此在通信机 房中安装UPS(不间断电源)供电系统变得越来越普遍。一个设计良好的UPS供电系统能给 负载提供优质电源,然而在实际应用中,许多问题又往往是UPS供电系统本身引起的。因此, 如何建立~个合理的、安全的UPS供电系统成为大家关注的问题。本文将从UPS供电系统设 计角度对这~问题进行探讨。 2对UPS前级供电系统的要求 UPS可以向负载提供稳压精度高、稳频、波形失真度小的高质量电源,并且在与静态旁 路切换时可以做到供电无间断。但要做到这点,它的前级供电质量不容忽视。我们在设计 通信机房前级供电系统时,应考虑以下几个方面: (1)前级供电系统电源质量不宜太差,电压及频率应稳定在正常范围。一般地讲,大 容量UPS主机输人电压范围应为380V±15%。电压过低,将使UPS备电池频繁放电,最终因 长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命,相反,电压过高,则易引起逆变器损坏。 对于旁路输入,其电压和频率波动也有~定的范围,一般为额定电压±10%,额定频率±1 5%,如果前级电源变化范围过大,就会导致逆变器和旁路电源之间的切换被禁止或有间断。 因此,如果通信机房的前级电网在电压范围上达不到要求,应在UPS前级配置合适的抗干扰 交流稳压电源,但不宜采用电子管型交流稳压器或磁饱和稳压器,因为这两类稳压器在开 机时可产生瞬时高压,输出波形失真度也较大,易造成UPS故障。 (2)前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载,比如经常使用的电梯,频繁开启 的空调等。原因是在这些负载开、关机时会出现瞬间高低压,使供电线路上电压波形失真 度过大,造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作,进而引起同步控制电路 故障。所以在条件许可下,宜将UPS电源尽可耀于电网输入的前端。 (3)前级供电系统中的交流发电机组容量应适当放大。大多数通信机房都备有发电机 组,以解决较长时间停电难以供电问题。但在配置发电机组时,其容量应考虑不少于UPS电 源额定输出功率的1.5-2倍,以保证发电机输出电压、频率正常,并改善其波形失真度。 3 UPS容量的确定 根据负载容量及性质,选择适当的UPS,既可保证UPS的供电质量,降低故障率,又可节 省投资,提高经济效益。一般来说,UPS容量的确定主要是要满足当前负载的需要,同时, 也要考虑几个因素: (1)负载性质对UPS输出功率的影响。当前大部分UPS生产厂家在产品说明书中所给的 输出功率都是指负载功率因数为一0.8(滞后)时的值,而UPS电源实际可带的负载量是与 负载功率因数密切相关的,当负载为纯电阻性或电感性时,逆变器在额定机在功率下其有 功功率将有所下降。所以在考虑UPS容量时,对不同的负载功率因数要进行功率折算,通常 可作这样的估算:假设负载功率因数为一0.8(滞后)时UPS额定功率为1KVA,则当功率因 数为一0.9和-1.0时,输出功率分别约为0.9-0.92 kVA和0.74-0.77kVA。对于计算机类负 载,只要负载的峰值系数在UPS允许的范围内,UPS基本上可以输出额定功率,对于电阻性 或电感性负载,则需酌情加大UPS容量。 (2)UPS容量较负载不宜过大,使其过度轻载运行。过度轻载运行虽有利于降低逆变器 的损坏概率,但可能造成市电停电时,电池放电电流过小而放电时间偏长,在电池保护装 置故障时,电池组被深度放电,而遭永久性损坏。 (3)UPS容量不宜过小,使其长期处于重载运行状态。这样虽可节省一部分投资,但由 于逆变器处于重载运行,其输出波形将发生畸变,输出电压幅值抖动过大。这样既不能为 负载提供优质电源,还极易造成UPS逆变器的本级驱动元件损坏,所以,即使从经济角度讲 也是得不偿失。根据目前一些UPS厂家推荐,UPS负载量不宜长期超过其额定容量的80%。 (4)对于通信机房面积较大,负载不断分期扩容的情况,在首期配置UPS容量时,应适 当考虑中远期发展趋势,并在选型中挑选可并机或多机运行的机型,以使中远期负载容量 增大时,通过UPS并机扩大其输出容量。相应地,配置UPS输入输出配电屏时,应预留多台 UPS的输入开关和中远期的负荷分路开关,以便于今后扩容。 4供电系统的电气隔离及接地 一般来说,电网中经常存在差模噪扰和共模噪扰,这些噪扰对计算机正常运行存在着 不同程度干扰。另外,零线电位的偏移也会对计算机运行造成影响。所以在考虑UPS供电方 案时应采取措施把这些影响减少到最小。传统的UPS通过内部的工频输入及输出变压器来实 现负载和电网间的电隔离和电压匹配,抑制来自电网的共模及差模噪扰电压,使其不致耦 会到计算机电源。此类UPS的输出零点是取自隔离变压器次级Y型绕组的中性点。为保证输 出零点电压不偏移,应从通信机房的交流工作接地排上单独引线至该输出点。 为了解决通信机房面积窄小及楼板荷载能力不足问题,近年来,出现了采用高频链结 构的不含输出隔离变压器的UPS。由于采用了高频变压器代替工频变压器,其体积重量明显 减小,但因为其输出瑞直接通过变换元件输出,一定程度上存在直流高压过人负载的危险, 而且在三相负载不平衡情况下,还存在电压零点偏移问题。中性线与地线间的电压可达十 几伏甚至更高,大大超出一些计算机厂家的要求。所以对于大型计算机网络等比较重要的 负载,供电系统应尽量采用带工频隔离变压器的UPS。 5正确配置UPS后备电池 为保证电网停电时,也能利用UPS电源继续向计算机提供高质量供电,后备电池的配置 尤为重要。当负载不允许被中供电时,通信机房内UPS电池后备时间应大于从市电中断到恢 复的时间或到发电机组正常供电所需时间(前级供电系统配有发电机组),若此段时间较 长,则应配置外接的长延时的电池组,但此时应确认UPS内部整流器有能力对外接大容量电 池组进行充电,否则应配置外接充电器。电池容量选择应遵循以下原则:即电池必须在后 备时间内供电给逆变器,且在额定负载下,电池组电压不应下降到逆变器所允许的最低电 压以下。在布置机房设备排列时,应尽量使电池组靠近UPS主机,缩短两者连线长度,增大 连线截面积,以降低连线自感量和线路压降。电池组可安装在电池柜内,也可安装在敞开 的电池架中,前者美观。整洁,但对楼板承重要求较高,后者可分散承重,且散热性好, 但占地面积多,易积尘,给维护带来不便。 6通过冗余方式增加供电可靠性 为了提高UPS供电的可靠性,可采用多种UPS冗余连接方式,各种方式都有优缺点,考 虑方案时要根据实际负载情况,选择合适的模式。 当前冗余连接方式大致有以下三种: (1)双机主从式热备份。将作为从机的UPS1输出接到另一台作为主机的UPS2的旁路输 入,正常运行时由UPS2供电,UPS1处于备份。当UPS2故障时,负载切换至UPS2旁路,由UP S1承担负载供给任务。此系统结构及控制简单,但存在以下缺点:主机长时间工作,而从 机处于长期待机状态,两机的元件老化程度不均匀;在从机供电的状态下,主机静态旁路 故障时将导致系统供电失败;系统负载不能超过单机容量且以后无法扩容。 (2)功率均分并联备份。该系统将两台或多台UPS逆变单元并联运行,正常时两台( 或多台)逆变器同时向负载均分供电,当其中一台故障时,该UPS从系统中脱离,用户所 需负载电流,由剩余逆变器按新的份额重新供电。此种方式目前有两种结构,一种是UPS通 过外加并机柜方式并联,并机柜提供同步及多机均流控制,同时提供并联系统的总静态旁 路;另一种是在每台UPS内安装一套逻辑控制板,控制各台机器的同步及均流输出。此方案 的优点是易于扩容(采用并机柜方式时应将并机柜按终期考虑),通过冗余备份提高供电 可靠性,但也存在缺点:(a)采用并机柜方式的,并机柜成为系统的公共瓶颈点,一旦它 内部失控或故障,会导致整个系统供电失败。(b)由于各台UPS输出量参数难以保持完全 一致,导致各UPS在向负载供电同时,还在UPS内部的逆变器间形成环流,当环流过大,将 直接危及逆变器安全。此外,如果各UPS向负载供电的电流差异过大,将使逆变器的功率放 大元件老化速度失衡,也会引发故障,一般来说,供电系统中并机数量越多,UPS电源系统 发生故障的概率也越大。 (3)并联热备份。该系统将两台UPS的电池组输入,整流器输出及逆变器输出并联,并 共用旁路,正常时两台整流器同时向两逆变器供电,并向两组电池充电,通过逆变器输出静 态开关选择其中一台逆变器向负载供电,两台整流器和逆变器分别互为备用,只有当两台逆 变器同时故障时,系统将负载切至共同静态旁路,由市电继续向负载供电。该方案没有瓶颈 故障点,任何一台UPS局部或整体故障,系统仍能继续向负载供电,由于真正输出只有一台 逆变器,故也不存在逆变器间的环流,但由于此模式类似单机运行模式,带载能力相对差且 不易扩容。 7供电系统应具备智能性 为了保证供电系统能长期不间断运行,UPS必须具有智能性,对运行中的UPS状态自动检 测,对UPS故障及时发现。诊断和处理,并减少因故障或检修而造成的间断,同时,作为通 信机房动力系统的一部分,应提供通信协议,以便纳入动力集中监控网络内。因此,在系统 设计时,我们应考虑到这些因素。 一般来说,作为智能性的UPS应具备下列功能: (1)实时监测功能。监视电路中各部分状态,随时获取主机工作时的有关参数。 (2)人机交互功能。可按实际运行情况,通过程序修改,重新设置UPS内部的各种临界 工作点阀值,也可读取UPS电源各种工作参数。 (3)故障诊断功能。对监测到的不正常参数及时分析,及早发现故障苗头,显示其性质、 部位,给出处理方法,并自动记录有关信息。 (4)远程监控功能。提供一个远程计算机接口,能通过RS232或RS485接口经调制解调 器实现与异地计算机终端通讯,达到遥测和遥信的目的。 8结束语 一个UPS供电方案的好坏,直接决定了通信机房内重要负载是否能正常运行。在设计通 信机房UPS供电系统时,我们既要节省投资,又要考虑系统的可靠性、灵活性,为通信设备 及计算机负载提供有效的保障。