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1UPS系统设计摘要：本文对UPS进行简要介绍，对系统设计做了详细的描述。关键词：UPS分类容量计算系统选择1．前言供电系统除了要向负载提供高质量的电源外，保证供电的连续性已经成为重要的不可缺少的功能，不间断供电系统（UPS）就是在这种形势下应运而生的。UPS供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程，形成了品牌众多、类型齐全、功能强大各类产品。2．UPS的分类目前市场上UPS产品琳琅满目，从几百伏安到几千千伏安，从单相到三相等等。但从工作原理出发，UPS主要分为后备式、在线式互动式以及传统在线式。（1）后备式：后备式UPS的本质特点就是具有离线的逆变器，并且由于逆变器平时处于冷备份状态，因此存在较长的电池切换时间。当市电输入良好时，UPS将市电直接导通到负载侧（没有在线调压装置）。只有当市电输入失败或供电质量超出UPS正常输入范围时，才启动逆变器并切换到电池放电状态。该类UPS输入电压范围窄，容量小（一般在400W~1000W之间），在线及逆变输出电源质量差，且切换时间相对在线式较长，一般介于2至10毫秒。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让用户有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低。对不是很重要的电脑应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式UPS。其原理方框图如下：滤波切换开关充电器电池逆变器输入市电故障输出市电正常（2）在线互动式：交互在线式UPS同样具有离线的逆变器，但为热备份状态。当UPS在线工作时，逆变器作为双向变换器起到为电池充电的作用。而电池放电状态时，可快速投入逆变工作，因此可以提供更快的切换时间，确保负载在切换时不受到任何影响。同时提供相当程度的电压调整能力以及输入输出的滤波及浪涌抑制环节。从而可以提供良好的净化输出电源，对负载起到更好的保护作用。同时在电池管理方面引入智能化管理，加快2回充速度、延长电池寿命、并提供电池潜在故障的早期报警。交互在线技术在1kVA~3kVA容量范围内应用效果比较理想，对于大多数较分散的小型计算机网络及通讯设备而言，交互在线UPS以其独特的综合性能优势，得到广泛应用。但交互在线UPS也具有一定的局限性，除容量（1kVA~3kVA）限制外，其对频率干扰的适应性较差，因此对柴油发电机的适应能力也不如传统在线UPS好。其原理方框图如下：滤波稳压切换开关充电器电池逆变器输入市电故障输出市电正常（3）传统在线式：该类UPS的本质特征就是逆变器始终在线工作，因此在电池切换中无须切换时间。在线UPS的结构决定了其输出与市电输入的无关性。因此对输入电的适应能力更强，尤其表现在对频率变化的适应能力。输出则提供非常精准的电压稳定度、频率稳定度，同时整机在噪声抑制、浪涌保护等功能上都大大提高。与前两者相比，相同容量的在线UPS更适合于输出范围要求严格的场合或柴油机供电、电网恶劣、频率及电压波动大的场合。另外，在线UPS容量范围比后备及交互在线UPS大很多，由于技术上的可实现性，在线UPS可提供1~3840kVA的各容量段的不同应用。并且在长期的各种场合的使用中增加了很多辅助功能，如自动旁路、手动旁路、电池管理、通讯管理、效率优选、以及各种冗余方式的应用。因此，在应用范围上也较前两者更广，无论在小型分布式或大中型集中供电方式中，都有一席之地。目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是传统在线式。其原理方框图如下：滤波整流器开关充电器电池逆变器市电旁路工作输出市电正常电池工作旁路在通信系统中，一般多采用传统在线式UPS。33．UPS系统设计随着通信网络系统对供电系统的可靠性要求越来越高，很多通信设备都要求采用UPS供电，因此UPS系统设计越趋庞大和复杂。一套大型的UPS系统设计包含了主机容量与蓄电池容量计算、冗余问题、热备份、与通信系统连接、接地、防雷、安装、维护等。其中重点是主机容量和蓄电池容量的计算，根据工程经验和行业标准《通信电源设备安装工程设计规范DY5040-2005》，计算的思路可以大致归结如下：分析通信设备的负荷需求并进行汇总，然后计算蓄电池放电时需要输出的功率（即蓄电池的放电电流），同时根据放电时间要求来配置蓄电池的容量。这样得出UPS系统必须提供给通信设备的负荷功率，以及蓄电池的均充功率，另外还要考虑瞬间启动容量和一定的预留发展容量。最终就可以得到UPS系统的总容量。在确定UPS容量后，选择UPS系统主要考虑以下几个因素：输入电压允许变化范围，输入功率因数和UPS双向抗干扰的能力等，这些性能参数在通信行业标准《通信用不间断电源－UPSYD/T1095-2000》中有详细的规定，在满足这些条件下，应尽量选择性能优越的产品，但同时也要考虑工程投资实际承受能力，得出一个最合理的设计方案。以下用一个工程实例来具体说明。下面以一个新综合楼的新建UPS系统的设计工程项目。综合楼需要新建1套UPS系统，以保证通信设备的不间断供电以及部分办公设备的不间断供电。以下是具体的设计步骤：第一步，确定负荷：根据分析，近期G网通信设备对UPS的需求为16kW，还有部分重要的办公用电脑负荷需求为15kW，另外预留15kW的功率给即将新增的C网通信设备和新增的业务，得出总负荷P1=20+16+18=46kW，因此需要考虑大功率的UPS，一般这种系统要求是三相电压输入，输出可以是三相和单相。第二步，确定蓄电池容量：当市电出故障，UPS系统由蓄电池通过逆变器向负荷供电。假设逆变器的效率为0.9，因此蓄电池必须提供的功率P2=P1/0.9=51.11kW。一般工程中多采用2组32个额定电压为6V的单体蓄电池进行串联，一般蓄电池的放电终止电压是5.4V，这样可以计算出蓄电池的最大放电电流I=P2/5.4/32/2=14.79A，然后根据公式251tKITQ以及放电时间按1～2个小时考虑，计算得出单体蓄电池的容量4Q=100Ah。因此最终确定的蓄电池是2组32个单体电池（电压6V，容量100Ah）串联而成的蓄电池组。第三步，确定UPS的容量：蓄电池组的均充功率P3=3*2.25*32*10*2=4.32kW，加上负载的功率P1，另外还考虑到瞬间启动容量，根据工程经验最后得出Pt=1.2*(P1+P3)=66.52kW，所以UPS的视在功率S=Pt/0.85=78.26kVA，实际工程选用80kVA。冗余方式的选择：一般UPS系统冗余方式主要是串联冗余和并联冗余。串联冗余，有主机和从机之分。其基本原理是：主机正常时100%的承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。由于备用UPS是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。缺点：（1）主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障。（2）在市电故障，市电超限时，因为UPS封锁旁路，所以主、从机无法切换，造成热备份失效。（3）备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电池寿命。并联冗余是将多于两台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成。目的是为了共同分担负载功率，其基本原理是：正常情况下，两台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的一台UPS承担全部负载。三机并联也是常用的一种方式，甚至可以发展成N+1并联冗余。并联冗余的本质，是UPS均分负载。因此并联冗余系统更可靠，而且便于将来扩容。实际工程正式采用这种冗余方式。确定完容量和冗余方式之后，就要开始选择设备和材料。一般我们都是从产品质量、价格、服务这3个方面来进行分析。首先在大功率UPS产品方面，比较常用的品牌是MGE（梅兰日兰）、爱克赛、APC、爱默生、山特，其中MGE在国内大功率UPS市场占有率据第一位，XX分公司的UPS设备都是该品牌的产品，因此从产品质量和服务来说MGE都是最好的。至于价格方面，XX分公司计划部采用了重新招标的方式，争取到了一个合理的价格。为方便系统配电，在UPS系统的输入端配置了1个380V/400A的交流配电柜，输出端配置1个380V/160A交流配电柜。由于新建的UPS系统摆放在负一楼机房，因此在2楼和3楼机房各配置1台220V/63A的UPS二次配电箱。根据电源线的选型原则“交流导线按允许载流量并兼顾机械强度选型，机房内交流导线采用阻燃电缆，接地导线采用多股5铜芯电缆”，从低压配电屏到UPS输入柜，因为要通过室外电缆沟，因此采用铠装的ZRVV223X120+1X70线缆；从输入柜到UPS主机，以及主机到输出柜都采用ZRVV4X35线缆；从输出柜到二次分配柜采用ZRVV5X16线缆。4．工程中实际问题在工程设计初期，建设方并不接受这种集中式的UPS供电方式。他们希望把原来一些旧的UPS设备利用起来，再购买一些逆变器进行点对点的分散式供电。他们强调，现在市电很少停电，没有必要去购买这种大功率的UPS。其实这是一个误区，据统计，电力问题中停电只占很小部分，不易察觉的电力问题，例如电压过高、电压过低、突波等才是电力问题之大宗。UPS设计目的就是在提供重要负载的全面性电源保护，包括稳压、防止突波损害、避免高频干扰、防止任何型式之电源供应中断或浮动等，以及可以提供没有限制的长延时供电。这种零星的，分散式的供电不能增加供电系统的可靠性，也不利于管理和维护。最后在我的劝说下，建设方接受了我的方案。另外一个问题就是UPS系统冗余方式的选择目前这个系统正在正常运行当中，还没出现过问题。5．UPS的发展随着技术的发展，“智能化”和“网络化”将成为UPS产品发展趋势。在大功率UPS产品中添加远程监控、网络集成两项特色功能几乎成为这一类型产品的标准配备。UPS的远程监控设备监控UPS所有的内部参数和外部环境温度、湿度。发生电力故障时，监控设备通过对外(电话线)连接，向设备监控中心发送通知，相关的技术专家们会立即分析电力事件，并根据预先定义的用户配置文件进行快速响应。在网络集成的功能中，UPS厂商提供软件和附件并现场安装和集成，同时提供产品的环境准备、现场安装、网络集成和功能测试。尤其在通信行业，以往采用小型UPS进行分散供电将逐渐被淘汰，现在普遍采用的是大中型UPS的集中供电方式。6．结束语正确、安全使用好UPS，将使计算机、网络及其它应用UPS供电的设备得到安全的保护，提高负载设备和数据的可靠性和稳定性，给用户一个放心的使用环境，以创造良好的社会效益和经济效益。6主要参考文献李成章.智能化UPS供电系统原理与维修北京：电子工业出版社，1999，8.中华人民共和国通信行业标准《通信电源设备安装工程设计规范》YD5040-2005中华人民共和国通信行业标准《通信不间断电源－UPS》YD/T1095-2000