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,?；谟?jì)算機(jī)類設(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)注的問題。本文將從UPS 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度對(duì)這一問題進(jìn)行探討,。

　　2 UPS 系統(tǒng)容量的配置

　　UPS 的帶載能力是用戶選擇UPS 時(shí)首先要考慮的問題,，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)載功率不超過其額定輸出容量（kVA）數(shù)值,，無論什么負(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^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 廠家推薦,，UPS 單機(jī)按帶載量60%～80%來配置，并機(jī)按每臺(tái)帶載 35%～40%來配置為佳,。

　　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 的輸入開關(guān)和中遠(yuǎn)期的負(fù)荷分路開關(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)常工作在滿載或過載狀態(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,。UPS蓄電池容量的配置 #e#

　　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,。容量配置過大,，蓄電池不能充分被利用，浪費(fèi)資源,；容量配置過小,，又不能滿足用戶對(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?，F(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：

　?。?）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)載不能超過單機(jī)容量且以后無法擴(kuò)容。

　?。?）并聯(lián)冗余,。將多于兩臺(tái)同型號(hào)、同功率的UPS,，通過并機(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?。淮送庥捎诟髋_(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,。UPS 輸入配電的選擇 #e#

　　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：

　?。?）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@兩類穩(wěn)壓器在開機(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,，頻繁開啟的空調(diào)等。原因是在這些負(fù)載開,、關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)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(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,。

　?。?）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。

　?。?）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)重過載,，導(dǎo)致主輸入空開跳閘,，共用同一空開的自動(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)旁路輸入的跳線拆掉,，使UPS 由單輸入變?yōu)殡p輸入，即：讓UPS 的送電線路由一路改為二路,，分別通過兩只空開向UPS 整流和自動(dòng)旁路送電,，從而避免整流輸入開關(guān)故障跳閘后UPS 不能轉(zhuǎn)旁路的問題。

　　6 UPS 配線的選擇

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

　　交流電源線可根據(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)中線的截面積應(yīng)選為相線電纜截面積的1.5～1.7 倍,；對(duì)于 UPS 電源系統(tǒng)地線的截面積應(yīng)為相線截面積的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 為電源線線徑（mm2）,，I 為電源線負(fù)荷電流（A）,，L 為電源線回路長(zhǎng)度（為m）,，K 為電源線的導(dǎo)電率（m/Ω× mm2），銅線為57,，△V 為導(dǎo)線上的電壓降，一般取值為2.6V,。例如,，一通信局站最大負(fù)載電流為100A，電池線長(zhǎng)度為20m（20m 電池線包括來回線路的長(zhǎng)度）,，固定壓降為0.5V,，則所需電池線線經(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,。