UPS在通信系统中的选用和配置

UPS 在通信系统中的选用与配置 第 1 页 共 7 页 UPSUPS 在通信系统中的选用与配置在通信系统中的选用与配置 电信一所 周辉福 摘 要 通过简要介绍 UPS 的产生 发展 特点 分类和基本原理 提出 UPS 在通信系统 中的应用场合 最后着重阐述了 UPS 选用与配置应注意的问题 关键词 UPS 基本原理 选用 配置 可靠性 一 一 UPSUPS 的定义 产生和发展的定义 产生和发展 UPS Uninterruptible Power Supply 的全称是不间断电源系统 顾名思义 UPS 是 一种能为负载提供连续的不间断电能供应的供电系统 UPS 是为了解决供电系统存在的问题应运而生的 它的产生至今已经历了 40 多年的历 程 在这个漫长的过程中 UPS 设备的技术水平和功能在不断的变化着 近年来 随着半 导体工业 电子电路技术和网络技术的迅猛发展 UPS 设备技术本身也在不断的进步和改 善着 在 UPS 设备中 由于采用了以微处理器为核心的数字信号处理 DSP 技术 高速网 络通讯及高可靠的 CAN 网络技术为代表的软件可编程技术 以及 Delta 变换电路结构 输 入功率因数校正 PFC 技术 智能化故障自诊断技术 智能化电池充放电管理和电池性能 预测技术 远程网管型 UPS 监控技术 图型化输出的人 机对话型菜单操作的液晶显示技术 等为代表的 UPS 设备新技术新工艺的开发和应用 使得当今 UPS 设备无论是在输出容量上 还是在基本性能 智能化管理和可靠性 可维护性和可管理性上 都获得了长足的发展和 进步 如今它已经不是一个简单的电网停电后可以继续维持向负载供电的设备 它还肩负 着全面改善供电质量 并通过智能管理 智能监控和网络通讯实现对整体电力基础实施的 保护 成为一个有强大管理功能的信息技术设备 已经完全融合于企业信息系统 并成为 其中不可缺少的一部分 从应用的角度看 UPS 功能的变化经历了三个阶段 如图 1 所示 第一阶段 当市电掉电时 保护负载硬件设备 第二阶段 当市电掉电时 保护负载设备运行的数据 第三阶段 在市电正常和掉电等各种情况下 保证供电系统正常运行 第三个阶段从 20 世纪 90 年代中期开始变得愈来愈重要 随着信息技术的高速发展和 网络时代的到来 对以 UPS 为核心的整个供电系统的可用性 可维护性 可管理性和可扩 UPS 在通信系统中的选用与配置 第 2 页 共 7 页 展性也提出了越来越高的要求 越来越多的厂商和用户已经形成这样的共识 在 UPS 各种 性能指标基本满足计算机网络设备供电要求的情况下 真正能为客户带来价值的是系统的 可用性 用户关心的重点开始从仅仅强调 UPS 本身由设计和制造决定的可靠性 转移到由 整个供电系统和服务决定的可用性上来 实际应用中的需要不仅是产生 UPS 设备的原因 同时它还规定着 UPS 技术进一步发展的方向 成为 UPS 技术发展的动力 二 二 UPSUPS 电源的特点电源的特点 UPS 电源有以下几个显著特点 1 UPS 输出电源可靠性高 由于 UPS 电源为负载提供了主备两套供电系统 而且备 用电流和主电流通过静止开关切换 由于切换时间极短 主备电源始终保持锁相同步 故 停电时 从负载例看来 电源没有丝毫的中断 这就为负载连续可靠运行提供了强有力的 保障 2 高质量电源供应 由于采用了电脑控制的电子负反馈电路 UPS 的输出电压稳定 度高 达上 0 5 2 同时又由于 UPS 采用了石英晶体振荡控制逆变器的频率 故输出 频率稳定 0 01 0 5 电压失真度小 电压畸变小于 1 不存在潜波失真的问题 3 效率高 损耗低 由于 UPS 中的逆变器采用了 PWM 技术 因此它就具有开关电 源的一系列优点 通过精确调整脉冲宽度 保证功率稳定输出 同时 开关管在截止期间 没有电流流过 故自身损耗小 其供电效率可达 90 以上 4 故障率低 维护容易 由于微处理器监控技术和先进的 IGBT 驱动型 SPWM 等高技 术的采用 目前的 UPS 已达到了极高的可靠性水平 对于大型 UPS 电源来讲 其单机的年 均无故障工作时间 MTBF 超过 20 万小时已不成问题 如果采用双总线输出的多机 冗余 型 UPS 供电系统 其 MTBF 甚至可达 100 万小时数量级 三 三 UPSUPS 电源的分类电源的分类 目前 针对用户的不同层次等级的负载用电要求 市场上已有四种类型的 UPS 电源品 种 1 在线式 on line UPS 供电系统 其单机功率 0 7kVA 1500kVA 该系统的主备供电通路都是通过逆变器向负载供电的 由于市电经过了完善的滤波及逆变转换 所以它能为负载提供高质量的 纯净的正弦波电 源 并且它的抗雷击能力也是一流的 2 准在线式 UPS 供电系统 单机功率 0 7kVA 20kVA 这种 UPS 的逆变器只有当市电电压低于 150V 或高于 264V 时才投入工作 向负载提供高质量的正弦波电源 而当电压在 150 264V 之间时 逆变器 停止工作 UPS 向用户负载提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电 源 3 后备 off line 正弦波输出式 UPS 电源 单机输出功率 0 25kVA 2kVA 左右 当市电在 170 264V 范围内时 它向负载提供 经变压器抽头调压处理过的一般市电电源 仅当市电电源的电压低于 170V 或高于 264V 时 逆变器才工作 蓄电池贮存的直流电逆变为正弦交流电向负载输出 4 后备 off line 方波输出式 UPS 电源 其单机输出功率 0 25kVA 1kVA 该种机型与后备正弦波机型的不同之处在于当市电 电压低于 165V 或高于 270V 时向负载提供的是具有稳压特性的 50Hz 方波电源 该机在方波 UPS 在通信系统中的选用与配置 第 3 页 共 7 页 输出时 适宜接阻害性负载 如果接感性负载的话 会烧毁 UPS 的逆变器或对负载产生损 坏 综上所述 在线式 UPS 输出电源质量最高 适宜各种负载类型 但价格最贵 后备方 波输出式 UPS 的性能最差 但价格最便宜 四 四 UPSUPS 的基本原理的基本原理 从上述的几种 UPS 电源来看 在线式 UPS 的性能最佳 其电路设计也是最完善和最复 杂的 下面就以目前应用较多的微电脑控制的小型在线式 UPS 电源为例对 UPS 的典型工作 原理作一介绍 工作过程如下 市电电源先经过输入滤波器 将市电中的高频电磁干扰 射频干扰 尖峰脉冲等干扰进行吸收 抑制处理 然后分成四路进入下面不同的处理部分 1 送到具有 功率因数校正功能 的整流器输入端进行整流处理 2 进入 UPS 锁相同步电路 提取同步信号以便逆变器在市电停电时将蓄电池组产 生的直流电进行瞬时同步逆变 保证负载侧供电的同步连续性 3 经充电器对 UPS 所配置的蓄电池组进行 浮充 式充电 以便市电中断时向逆变 器提供充足的逆变能源 注 其浮充电压应为电池组标称端电压的 1 125 倍 4 直接经交流旁路供电通道馈送到切换开关的常闭触点上 这样设计的目的是为了 在当逆变器或微处理器发生故障时直接由市电向负载供电避免负载供电中断 同时 启动 蜂鸣器报警 提示值班人员采取措施 这也是 UPS 高可靠性的一个体现 整流器将输入的无干扰市电整流为幅值稳定的直流高压电源送到逆变器的直流总线输 入端 当市电正常时 在微处理器的控制下 整流输出电压高于 DC DC 输出的直流电压 二极管 D 截止 蓄电池不向逆变器提供逆变电源 逆变器在微处理器提供的正弦脉宽调制脉冲的控制下 将整流器输出的高压直流电逆 变成标准的 50Hz 的正弦波电源 当市电中断时或市电过高过低时在微处理器的控制下 DC DC 直流变换器立即投入运行 将蓄电池的相对较低的直流电压提升到完全符合逆变器 输入所要求的电压水平 经逆变器向负载输出电源 为了保证市电中断时 UPS 机内的控制电路继续工作 控制电路所需的直流电压不是 取自市电输入端 而是由蓄电池组的直流电源经 DC DC 变换得到的 同步镇相电路 除了实现主备电源的同步切换外 还能使逆变器输出的电压频率保 持在所要求的误差范围内 即同步窗口 当市电频率超过这个范围时 逆变器电源不再 跟踪市电电源 而同步于本机石英晶体振荡频率 50Hz 0 5 从而确保逆变器输出电压频 率稳定在同步窗口之内 输入功率因数校正电路 的作用是使进入整流器的输入电流和电压保持良好的相位 一致的关系 提高输入功率因数 同时也就提高了对市电的利用率 自动保护电路 具有两种主要的保护功能 一是逆变器输出过载或短路的自动保护 它可以有效地防止逆变器中的 IGBT 等大功率开关元件在负载短路时被烧毁 二是电池电压 过低自动保护 UPS 在市电中断或不正常时将会把蓄电池组的能量立即提供给逆变器 随 着蓄电池放电时间的延长 电池所存贮的能量逐渐释放出来 电池的电压也随之降低 当 下降到阈值电平时 为防止电池组因过度放电而损坏 保护电路会立即停止逆变器的工作 中断电池组的放电过程 逆变器输出电压负反馈电路 在逆变器输出电路中 通过建立 逆变器输出 微 处 理器 逆变器 PWM 调节 逆变器输出 这样一个电子负反馈闭环控制回路 可确保 UPS 向 负载提供 2 的高精度稳压电源 UPS 在通信系统中的选用与配置 第 4 页 共 7 页 UPS 的工作过程中电源的变换顺序是 220V 交流市电变换为直流电 通过逆变器再将直 流电变换为交流电 通过这样的变换过程 UPS 向负载提供的电源具有如下显著的特点 1 稳压精度高 2 频率稳定度高 3 谐波少 4 波形失真小 五 五 UPSUPS 在通信系统中的应用在通信系统中的应用 电信设备大都采用直流供电 但有一部分通信负荷要求采用交流不间断电源供电 根 据负荷大小 通常选用逆变器或交流不间断电源设备供电 同时 目前的通信局站都有市 电停电 检修 发生事故停电的时候 此时 不论是两路市电转换 还是启动备用柴油发 电机组 都需要 10 20min 的时间 这段时间使用交流供电的通信设备如不使用 UPS 或逆 变器必然停止工作 另外电网的电压波形也不干净 存在着过压 欠压 尖峰 浪涌等干 扰 为了保证计算机和这部分通信设备的正常工作 就必须使用高质量的交流电源 UPS 在卫星地球站中 高功率放大器 HPA 地面通信设备 GCE 以及监视与控制设备 MAC 都由 UPS 供电 一般用两台 80kVA UPS 并联冗余供电 在移动交换系统的操作维护中心 OMC 由于采用计算机进行监控 维护 操作等工 作 也必须采用 UPS 供电 一般用两台 5 10kVA UPS 并联冗余供电 此外 分组交换 自动转报 传真存储转发 帧中继 网管 计费 寻呼 集群通信 查号 会议电视 因特网 电子信箱等设备都用 UPS 供电 有单独采用 UPS 供电的 也有 合用的 合用的容量为 1 100kVA 总之 随着中国通信事业的高速发展以及计算机技术的发展 今后 UPS 会越用越多 容量越来越大 越来越智能化 因此必须正确选用 UPS 才能真正发挥它的作用 六 六 选用和配置选用和配置 UPSUPS 纵观我国 UPS 市场 特点之一是增长速率高 特点之二是 UPS 厂商竞争激烈 包括国 产和进口近百种品牌 但对使用者来说 对 UPS 技术和使用维护方面还显得生疏 因此在 选用时就不免存在一些问题 包括如何评价一台 UPS 的优劣 以及如何根据使用要求合理 配置等方面 1 UPS 性能指标的分类和使用的一般要求 使用者首先应对 UPS 的功能和各项指标有一个全面清晰的了解 这是正确地选择 UPS 的必要条件 UPS 的功能可概括为 当市电掉电时 不间断地向负载继续供电 要具有电网的输出能力 并全面地改善供电质量 当供电系统 包括 UPS 有故障时 能给负载 特别是计算机和网络系统 以全 面的保护 根据其功能的要求 UPS 性能指标可分为以下四个方面 1 对电网的适应能力 这指的是 UPS 必须能在当地电网条件下正常运行 并且不对电网产生不良影响 这方 面的性能指标包括 允许电网电压变化的范围 UPS 输入功率因数 UPS 输入电流的谐波成份 允许电网电压频率变化的范围 允许电网的不平衡度 三相 和波形失真度 UPS 在通信系统中的选用与配置 第 5 页 共 7 页 上面的第一 四 五项是要求 UPS 能适应电网环境 第二 第三项则要求 UPS 不干扰 和破坏电网 2 满足负载要求的 UPS 常规输出指标 这指的是要 UPS 满足负载要求 并改善供电质量的一般性输出指标 这方面的指标包 括 输出电压稳定精度 输出电压波形失真度 输出电压不平衡度 输出电压频率稳定度 市电掉电时的转换时间 市电掉电后的继续供电维持时间和抗干扰配置和抗干扰功能 3 UPS 的输出能力和可靠性 对于使用者来说 要求 UPS 有真实的电网输出能力和可靠性 否则 它就会影响负载 的运行 甚至构成新的故障源 输出能力指标既是负载的要求 又是可靠性的量化指标 具体包括 运行效率 输出电流峰值系数 周期性峰值负载 输出电流浪涌系数 非周 期性峰值负载 输出过载能力 输出功率因数和冷启动能力 4 智能管理和通信功能 UPS 的智能化不仅是提高 UPS 本身功能的技术措施 也是使用维护的需要 一台智能 化高的 UPS 要有高度自动化的自检功能 自动显示 报警 状态记忆功能 以及通信功 能 UPS 不仅应能向由它直接供电的硬件设备提供保护 还应该向这些设备所运行的软件 以及数据传输途径提供安全可靠的保护 这就意味着 UPS 应配置相应的电源监控软件 SNMP 调单网络管理协议管理器 使其有远程管理能力 用户可执行 UPS 与网络平台之间的 监控和数据通信操作 2 评价 UPS 性能优劣时应注意的几个问题 用以上指标评价一台 UPS 的优劣性 要有轻重之分 要根据电网条件 用电环境 用 电设备的特殊要求及使用和维护水平等因素 确定所需的 UPS 有以下几个问题是值得注 意的 1 不要过分追求对 UPS 常规性能指标的要求 诸如转换时间 电压和频率稳定精度 波形失真度等 对负载而言 对这些指标的要求并不苛刻 事实上当前上市的各品牌 UPS 的这些指标都可以满足负载的要求 至于抗干扰能力 这是必须具备而又难以检测的一项 指标 使用者要考查 UPS 包括在线式 电路结构中是否有高频滤波环节和配置 2 不应忽视对 UPS 输入功率因数和谐波电流大小的要求 输入功率因数低和输入电 流谐波成份大意味着干扰电网 对电网形成电力公害 影响在同一电网中其它用电设备的 正常运行 加大电网以及供电系统中其它设备和部件的功率容量 特别是大功率 UPS 一 般都是双逆变在线式结构 由于输人端有整流电路 其输入功率因数只有 0 8 而谐波电 流高达 25 30 也就是说无功功率在电网与 UPS 之间流动 这对电网的影响是相当严重 的 如果由柴油发电机带动这样的 UPS 就需要发电机的功率容量是 UPS 功率容量的 2 5 3 倍 3 应该重视对 UPS 输出能力和可靠性的考察 UPS 的平均无故障间隔时间 MTBF 仅仅是一个估算可靠性的参数 影响此数值的因素很多 是一个事先无法检测的参数 而 上面提到的 UPS 输出能力的各项性能指标 都是可以量化的可靠性指标 在同等运行条件 下 效率高 输出电流峰值系数和浪涌系数大 过载能力强的 UPS 其可靠性必然高 这 是毋容置疑的道理 事实上 同真实的电网能力比较 以上这些指标实际上是 UPS 对负载 的限制 限制就意味着 UPS 本身能力的不足 具体的说 效率低意味着 UPS 本身损耗大 发热量大 这会加快主要功率半导体器件的老化 降低使用寿命 输出电流浪涌系数低迫 使 UPS 在负载启动的瞬间转旁路供电 待启动过程完成后 再转回逆变器供电 这个过程 是存在转换时间的 同时增加了故障的机率 输出电流峰值系数只有 3 1 是不够的 为了 UPS 在通信系统中的选用与配置 第 6 页 共 7 页 满足特殊负载的要求 此系数应提高到 5 1 至于输出功率因数为 0 7 容性 这就意 味着当负载为纯阻或者感性时 UPS 的输出能力就大幅度地降低 3 可靠性是 UPS 的最关键的指标 不管使用者还是 UPS 的设计者和厂商 实际上都把可靠性看作是 UPS 最重要的性能指 标 近几年来 在设计和生产者对 UPS 技术的诸项改进措施中绝大部分是针对提高输出能 力指标和可靠性的 这些措施和新技术对提高可靠性是很有成效的 应引起使用者在选用 UPS 时特别的关注 1 器件选用 选用性能更强容量更大的功率器件 提高控制和驱动电路的集成化程度 例如大功率 高性能的半导体器件 IGBT 高集成度和控制功能更强的专用组件 微处理器控制技术 数 字化调节技术 代替电位器之类的器件 减少电路环节之间的转插件等 2 模块化设计 把电路中与一种功能有关的各电路环节集中在一个单独的结构里 可以很方便地插技 更换 或者以冗余方式热插技 这对提高各环节的可靠性和提高整机的利用率 大幅度降 低维修时间 MTTR 是绝对有效的 3 冗余配置 采用并联技术 并使并联输出的总容量大于负载容量 使得当一台或几台 UPS 发生故 障时 其它 UPS 可以继续向负载供电 且其输出容量仍然满足负载的要求 这是一种提高 系统可靠性的绝对有效的措施 一级冗余就可把平均无故障时间 MTBF 提高近一个数量级 有的品牌还在关键器件和部件上采用冗余设计 其可靠性将得到进一步的提高 UPS 并联 运行是一项难度较高的技术 它要求并联各台的输出电压同压 同频 同相及均流 当前 很多品牌的