1 引言

　　當(dāng)今通信網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是IT（信息技術(shù)）與CT（通訊技術(shù)）的日益融合。為了保證供電安全的可靠性，建立在以軟交換技術(shù)為基礎(chǔ)的核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上的下一代通信網(wǎng)絡(luò)（NGN）雖然仍將以直流電源作為基礎(chǔ)供電電源模式，但在業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)平臺(tái)上，使用交流電源供電模式也將同時(shí)并存。基于計(jì)算機(jī)類(lèi)設(shè)備的大量應(yīng)用，UPS系統(tǒng)設(shè)備在通信網(wǎng)絡(luò)上的使用也越來(lái)越多。其供電對(duì)象已經(jīng)由單臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備發(fā)展到業(yè)務(wù)終端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)乃至整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)。供電對(duì)象的范圍主要涉及到計(jì)算機(jī)終端、服務(wù)器、路由器、交換器、顯示器、磁盤(pán)存儲(chǔ)陣列、小型機(jī)等。供電的方式也由小型 UPS 分散供電演變到大型UPS 的集中供電。為保證供電可靠性，甚至采用n+1 并聯(lián)熱備份系統(tǒng)乃至雙總線(xiàn)UPS 系統(tǒng)供電方式。一個(gè)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，然而在實(shí)際應(yīng)用中，許多問(wèn)題又往往是UPS 供電系統(tǒng)引起的。因此，如何建立一個(gè)合理的、安全的UPS 供電系統(tǒng)成為大家關(guān)注的問(wèn)題。本文將從UPS 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

　　2 UPS 系統(tǒng)容量的配置

　　UPS 的帶載能力是用戶(hù)選擇UPS 時(shí)首先要考慮的問(wèn)題，即需要一個(gè)多大容量的UPS，被選中的UPS 在各種情況下帶負(fù)載的能力又如何，都是需要認(rèn)真對(duì)待的。UPS 不象變壓器那樣，只要負(fù)載功率不超過(guò)其額定輸出容量（kVA）數(shù)值，無(wú)論什么負(fù)載都行，UPS 的輸出容量不僅與負(fù)載大小有關(guān)，還與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。合理配置系統(tǒng)容量既可保證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。

　　2.1 根據(jù)負(fù)載大小選擇系統(tǒng)容量在UPS

　　選型時(shí)必須充分注意，不能為追求UPS 運(yùn)行的高可靠性，片面地認(rèn)為UPS 的容量越大可靠性就越高。若UPS 長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，雖然有利于降低逆變器的損壞概率，但卻增加了UPS 內(nèi)部蓄電池失效的可能性。因?yàn)樾铍姵氐姆烹婋娏鬟^(guò)小而放電時(shí)間偏長(zhǎng)，容易造成深度放電，遭永久性損壞。若UPS 長(zhǎng)期處于重載運(yùn)行，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(dòng)過(guò)大。這樣既不能為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS 逆變器的本級(jí)驅(qū)動(dòng)元件損壞，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(chǎng)家推薦，UPS 單機(jī)按帶載量60%～80%來(lái)配置，并機(jī)按每臺(tái)帶載 35%～40%來(lái)配置為佳。

　　另外在UPS 選型時(shí)還要考慮負(fù)載系統(tǒng)的擴(kuò)容問(wèn)題，其預(yù)增加帶載量為20%左右。對(duì)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(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮中遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢(shì)，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(shí)，通過(guò)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(tái) UPS 的輸入開(kāi)關(guān)和中遠(yuǎn)期的負(fù)荷分路開(kāi)關(guān)，以便今后擴(kuò)容。例如，UPS 的實(shí)際負(fù)載量為60kVA，則UPS 的最小選擇容量可估算為：（60kVA+60kVA× 20％）/60%=120kVA。

　　2.2 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)選擇系統(tǒng)容量

　　負(fù)載性質(zhì)一般分為線(xiàn)性負(fù)載（包括阻性負(fù)載或功率因數(shù)已校正負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載）和非線(xiàn)性負(fù)載(即帶有電解電容的整流濾波型負(fù)載）。

?

　　根據(jù)上表可看出，不同性質(zhì)的負(fù)載有不同的功率因數(shù)和峰值因數(shù)，所以選擇UPS 時(shí)，必須考慮負(fù)載的性質(zhì)。

　　大多數(shù)計(jì)算機(jī)設(shè)備的輸入功率因數(shù)為微容性0.7，而UPS 主要針對(duì)的負(fù)載正是這些智能精密設(shè)備，基于這樣的原因，所有的UPS 設(shè)計(jì)均需采用輸出功率因數(shù)匹配為0.7～0.8 的參數(shù)，從而最大限度地發(fā)揮UPS 的帶載能力。在功率因數(shù)匹配的情況下，即計(jì)算機(jī)負(fù)載的輸入功率因數(shù)為微容性0.7，而UPS 標(biāo)定的輸出功率因數(shù)也為0.7 時(shí)，負(fù)載的VA 數(shù)與UPS 的VA 數(shù)比值為1：1。也就是說(shuō)1VA 容量的UPS 在不考慮沖擊、曾容等余量因素時(shí)可帶1VA 的此類(lèi)負(fù)載。若功率因數(shù)不匹配，例如電阻負(fù)載，1VA 容量的UPS 只能帶0.7VA 的電阻負(fù)載，否則UPS 會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象(即使UPS 的VA 數(shù)大于負(fù)載此時(shí)的VA 數(shù))。

　　選擇負(fù)載容量還應(yīng)考慮不同負(fù)載的沖擊電流，通常UPS 的峰值因數(shù)為3：1，適合電腦等非線(xiàn)性負(fù)載在正常工作中的峰值因數(shù)要求。但當(dāng)沖擊較大時(shí)，UPS 等供電設(shè)備的電流容量乘以3 后還不足以滿(mǎn)足負(fù)載的瞬間電流要求。在這種情況下需要考慮增加供電設(shè)備的容量，從而提高電流提供能力。通常計(jì)算機(jī)負(fù)載在開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生超出平常多倍的大沖擊電流。通常超過(guò)UPS 的峰值因數(shù)提供能力，因此在選擇UPS 容量時(shí)需要考慮負(fù)載波動(dòng)及沖擊余量，適當(dāng)增大UPS 容量以抵御負(fù)載的波動(dòng)，選擇UPS 容量余量為： UPS 容量(VA 數(shù))：計(jì)算機(jī)負(fù)載容量 (VA 數(shù)) = 1：0.7

　　而對(duì)于某些特殊負(fù)載而言，在起動(dòng)或工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊電流，負(fù)載容量瞬間升高數(shù)倍(有時(shí)高達(dá)6 倍)。對(duì)于此種負(fù)載應(yīng)在普通容量余量比例基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大余量。正確的容量配比對(duì)UPS 的正常穩(wěn)定工作及UPS 的工作壽命影響很大，經(jīng)常工作在滿(mǎn)載或過(guò)載狀態(tài)下的UPS 系統(tǒng)故障的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正確容量配比的UPS 電源。

　　3 UPS蓄電池容量的配置

　　合理選擇蓄電池的容量，是UPS 對(duì)負(fù)載設(shè)備正常供電的重要保證。容量配置過(guò)大，蓄電池不能充分被利用，浪費(fèi)資源；容量配置過(guò)小，又不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)后備時(shí)間的要求，且對(duì)電池的壽命不利。

　　蓄電池容量選擇應(yīng)遵循以下原則：即蓄電池必須在后備時(shí)間內(nèi)供電給逆變器，且在額定負(fù)載下，蓄電池組電壓不應(yīng)下降到逆變器所允許的最低電壓以下。其中后備時(shí)間應(yīng)大于從市電中斷到恢復(fù)的時(shí)間或到發(fā)電機(jī)組正常供電所需時(shí)間（前級(jí)供電系統(tǒng)配有發(fā)電機(jī)組），若此段時(shí)間較長(zhǎng)，則應(yīng)配置外接的長(zhǎng)延時(shí)的電池組，但此時(shí)應(yīng)確認(rèn)UPS 內(nèi)部整流器有能力對(duì)外接大容量電池組進(jìn)行充電，否則應(yīng)配置外接充電器。現(xiàn)在通信局（站）要求油機(jī)在停電后的啟動(dòng)時(shí)間為15 分鐘，并且對(duì)于UPS 運(yùn)行中以并機(jī)冗余供電方式達(dá)到的實(shí)際帶載為60%左右，因此建議每臺(tái)中、大型UPS 的后備電池延遲時(shí)間（按UPS 帶滿(mǎn)負(fù)載計(jì)算）一般選擇1 小時(shí)為宜。

　　UPS 后備蓄電池的容量計(jì)算方法很多，恒功率法（查表法）、估算法、電源法、恒流法等，不同的計(jì)算方法有不同的結(jié)果，我們很難說(shuō)出哪種計(jì)算方法是最準(zhǔn)確的，各種計(jì)算方法各有側(cè)重點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮蓄電池的使用情況，UPS 所帶負(fù)載情況以及應(yīng)用的場(chǎng)合來(lái)選擇適合的電池容量計(jì)算方法。其中恒流法比較簡(jiǎn)便，適合所有品牌電池的計(jì)算，是粗略的電池配置方法。

　　恒流法計(jì)算公式：C=（P×T）/（V×η×K），

　　其中：C--蓄電池容量（AH）、P--負(fù)載功率（W）、T--理想備用小時(shí)數(shù)（h）、V--UPS 蓄電池組額定電壓（V）、η--蓄電池逆變效率（查表）、K--蓄電池放電系數(shù)（查表）

　　舉例：愛(ài)默生系列120KVA UPS 后備時(shí)間1h，選用華日2V 系列蓄電池。估算蓄電池容量。

　　解：UPS 一般功率因數(shù)為0.8，P＝PUPS×0.8＝120000×0.8＝96000（W），V＝192×2＝ 384（V），查表取η＝0.9、K＝0.3

　　C=（P×T）/（V×η×K）=（96000×1）/（384×0.9×0.3）=926（AH）即選擇2V500AH 蓄電池2 組，即可滿(mǎn)足使用。

　　4 并機(jī)冗余運(yùn)行方式的選擇

　　在通信局（站）中，通信設(shè)備是不允許停電的，為了提高UPS 系統(tǒng)的可靠性、便于UPS 系統(tǒng)的擴(kuò)容和定期檢修維護(hù)，常采用并機(jī)冗余運(yùn)行方式。冗余連接方式有多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮方案時(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，選擇合適的模式。當(dāng)前并機(jī)冗余運(yùn)行方式大致可分為兩大類(lèi)：

　　（1）熱備份（即串聯(lián)冗余)。UPS 有主機(jī)和從機(jī)之分，其基本原理是：主機(jī)正常時(shí)100% 地承擔(dān)負(fù)載電流，故障時(shí)由從機(jī)提供后備電源。由于備用UPS 是在主機(jī)旁路處在等待工作狀態(tài)，故稱(chēng)為熱備份。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，但存在以下缺點(diǎn)：主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，而從機(jī)處于長(zhǎng)期待機(jī)狀態(tài)，兩機(jī)的元件老化程度不均勻，且從機(jī)所配蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，影響蓄電池壽命；在從機(jī)供電的狀態(tài)下，主機(jī)靜態(tài)旁路故障時(shí)將可能中斷整個(gè)系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障；系統(tǒng)負(fù)載不能超過(guò)單機(jī)容量且以后無(wú)法擴(kuò)容。

　　（2）并聯(lián)冗余。將多于兩臺(tái)同型號(hào)、同功率的UPS，通過(guò)并機(jī)柜、并機(jī)模塊或并機(jī)板，把輸出端并接而成。目的是為了共同分擔(dān)負(fù)載功率，其基本原理是：正常情況下，兩臺(tái)UPS 均由逆變器輸出，平分負(fù)載和電流，當(dāng)一臺(tái)UPS 故障時(shí)，由剩下的一臺(tái)UPS 承擔(dān)全部負(fù)載。三機(jī)并聯(lián)也是常用的一種方式，比如對(duì)于60KVA 的負(fù)載，我們可以考慮三臺(tái)30KVA 并聯(lián)，即使一臺(tái)UPS 出現(xiàn)故障，另兩臺(tái)UPS 仍然可以承擔(dān)全部負(fù)載，此為N+1 并聯(lián)冗余。并聯(lián)冗余的本質(zhì)，是UPS 均分負(fù)載。此種方式目前常有兩種結(jié)構(gòu)，一種是UPS 通過(guò)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(shí)提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路；另一種是在每臺(tái)UPS 內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺(tái)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(shí)應(yīng)將并機(jī)柜按終期考慮），通過(guò)冗余備份提高供電可靠性。但也存在一些缺點(diǎn)：采用并機(jī)柜方式，一般會(huì)使并機(jī)柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點(diǎn)，一旦其內(nèi)部失控或故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)供電失敗；此外由于各臺(tái)UPS 輸出量參數(shù)難以保持完全一致，也會(huì)導(dǎo)致各UPS 在向負(fù)載供電同時(shí)，還在UPS 內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流，當(dāng)環(huán)流過(guò)大，將直接危及逆變器安全；如果各UPS 向負(fù)載供電的電流差異過(guò)大，將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡，也會(huì)引發(fā)故障，一般來(lái)說(shuō)，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。

　　5 UPS 輸入配電的選擇

　　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(shí)可以做到供電無(wú)間斷。但要做到這點(diǎn)，它的前級(jí)供電質(zhì)量不容忽視。我們?cè)谠O(shè)計(jì)通信機(jī)房前級(jí)供電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：

　　（1）前級(jí)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。目前用可控硅設(shè)計(jì)的UPS 范圍為-15%、+10%，用IGBT 整流器設(shè)計(jì)的范圍為-25%、+23%；頻率范圍最好選擇范圍較寬的50Hz±5Hz；電壓過(guò)低，將使UPS 備電池頻繁放電，最終因長(zhǎng)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(guò)高，則易引起逆變器損壞。對(duì)于旁路輸入，其電壓和頻率波動(dòng)也有一定的范圍，一般為額定電壓±10%，如果前級(jí)電源變化范圍過(guò)大，就會(huì)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(jí)電網(wǎng)在電壓范圍上達(dá)不到要求，應(yīng)在UPS 前級(jí)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(lèi)穩(wěn)壓器在開(kāi)機(jī)時(shí)可產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS 故障。

　　（2）前級(jí)供電系統(tǒng)中不應(yīng)當(dāng)帶有別的頻繁啟動(dòng)負(fù)載，比如經(jīng)常使用的電梯，頻繁開(kāi)啟的空調(diào)等。原因是在這些負(fù)載開(kāi)、關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間高低壓，使供電線(xiàn)路上電壓波形失真度過(guò)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(dòng)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(jí)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(zhǎng)時(shí)間停電難以供電問(wèn)題。但在配置發(fā)電機(jī)組時(shí)，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。

　　（4）UPS 主輸入和自動(dòng)旁路輸入應(yīng)作隔離要求。如果兩個(gè)輸入都是由同一個(gè)交流配電屏空開(kāi)引入，機(jī)器內(nèi)部作連接處理，這將存在嚴(yán)重的“單點(diǎn)故障”隱患，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)載，導(dǎo)致主輸入空開(kāi)跳閘，共用同一空開(kāi)的自動(dòng)旁路將同時(shí)失效，造成負(fù)載斷電事故。應(yīng)該將UPS 內(nèi)部整流輸入與自動(dòng)旁路輸入的跳線(xiàn)拆掉，使UPS 由單輸入變?yōu)殡p輸入，即：讓UPS 的送電線(xiàn)路由一路改為二路，分別通過(guò)兩只空開(kāi)向UPS 整流和自動(dòng)旁路送電，從而避免整流輸入開(kāi)關(guān)故障跳閘后UPS 不能轉(zhuǎn)旁路的問(wèn)題。

　　6 UPS 配線(xiàn)的選擇

　　合理選擇配線(xiàn)是很重要的，配線(xiàn)線(xiàn)徑太細(xì)，電流太大，容易發(fā)熱而引起火災(zāi)；線(xiàn)徑太粗，則造成浪費(fèi)。

　　交流電源線(xiàn)可根據(jù)經(jīng)濟(jì)電流密度法進(jìn)行選擇，經(jīng)濟(jì)電流密度法計(jì)算公式：S=Im/Ji。其中 S 為銅纜線(xiàn)徑（mm2），Im 為最大負(fù)載電流（A），Ji 為經(jīng)濟(jì)電流密度(2～4A/mm2，一般取2.25)。例如，一個(gè)通信局最大用電負(fù)載電流為100A，則S=100/2.25=44.44（mm2），所以使用50mm2 的銅纜最佳。對(duì)于UPS 電源系統(tǒng)中線(xiàn)的截面積應(yīng)選為相線(xiàn)電纜截面積的1.5～1.7 倍；對(duì)于 UPS 電源系統(tǒng)地線(xiàn)的截面積應(yīng)為相線(xiàn)截面積的0.5～1 倍，但不小于6mm2。直流電纜（蓄電池電纜）可根據(jù)電流矩法進(jìn)行選擇，電流矩法計(jì)算公式為：S=（I×L） /(K×△V)。其中S 為電源線(xiàn)線(xiàn)徑（mm2），I 為電源線(xiàn)負(fù)荷電流（A），L 為電源線(xiàn)回路長(zhǎng)度（為m），K 為電源線(xiàn)的導(dǎo)電率（m/Ω× mm2），銅線(xiàn)為57，△V 為導(dǎo)線(xiàn)上的電壓降，一般取值為2.6V。例如，一通信局站最大負(fù)載電流為100A，電池線(xiàn)長(zhǎng)度為20m（20m 電池線(xiàn)包括來(lái)回線(xiàn)路的長(zhǎng)度），固定壓降為0.5V，則所需電池線(xiàn)線(xiàn)經(jīng)為S=（100×20）/（57×0.5） =70.2(mm2)，應(yīng)使用75mm2 的銅電纜。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　一個(gè)UPS 供電方案的好壞，直接決定了通信機(jī)房?jī)?nèi)重要負(fù)載是否能正常運(yùn)行。在配置通信機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)時(shí)，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)載提供有效保障。