模块化UPS标准介绍

模块化UPS标准介绍来源：中国通信标准化协会 作者：吴京文 更新时间：2011/9/27 14:48:47 摘要：模块化UPS具有随需扩展、易维护、技术指标先进等优点，本文介绍模块化UPS的特点、标准、测试等。 窗体顶端窗体底端“模块化”是工业产品共同的发展趋势，在交流不间断电源这个领域，模块化结构的实现并非易事，但模块化结构随需扩展、易维护等优势，促使业界不断攻克模块化UPS的技术难点，高稳定性的器件及成熟的DSP控制技术可保证交流输出的模块可靠并联，使模块化UPS的质量逐步提高。模块化UPS有助于解决运营企业的网络发展规划快和电源维护工作难等问题，渐渐在数据中心崭露头角，近几年销售稳步增长，明显大于整个UPS市场的增长率。中国通信标准化协会通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会（简称TC4）一直紧跟行业的动态，切合运营企业、生产企业的需求，及时提出标准立项，以国标、行标、技术报告等多种形式开展标准化研究，模块化UPS行业标准的起草工作提高了模块化UPS的认可度，规范了模块化UPS的技术要求，标准所规定指标的先进性和高可用性，顺应了当今节能与安全的潮流，。YD/T2165-2010通信用模块化不间断电源已正式发布实施，下面择其重点简要介绍一下模块化UPS的行业标准。1.定义标准的术语部分首先对模块化UPS的结构进行了定义：“系统由输入配电、输出配电、功率模块、监控模块等组成”。其中，功率模块是重点，包括整流、逆变、充电（可选）、功率因数校正和相关控制电路，UPS系统正常工作模式下具有热插拔和并联冗余工作功能。按照电路结构，功率模块分为两种，一种是功率模块不包含静态旁路开关，系统只设置一个总旁路或者一个机架设置一个旁路，任意模块不能单独供电，仍存在单点故障；另一种，一个模块即一台可独立工作的UPS，类似现在的高频开关直流电源模块，脱离电源系统也能独立工作。在一定条件下，模块化UPS系统插入功率模块即可完成容量扩大，降低扩容升级的风险，降低用户初期购置和日后扩容维护及设备的运营成本，降低设备整个生命周期的总成本，具有良好的可扩展性。2.能效指标大部分模块化UPS都是高频化结构，取消了输出变压器等，效率比传统UPS一般高2%5%。传统UPS的N+1冗余系统，N有限，运行时负载率低，模块化UPS的N+X冗余，N较大，而且休眠功能也有助解决低负载率时效率低的问题，提高效率；模块化UPS的输入功率因数高，输入电流谐波成分小，对电网的污染很小，与油机的匹配性好，可降低油机容量与UPS容量的比例，并降低用户供电保障系统的总投资。模块化UPS功率密度高、体积小、重量轻，还具有运输、安装方便、节地节材等优势，符合国家的推进节能减排的政策，从表1即可看出模块化UPS在绿色节能方面突出的优越性。表1能效指标对比我中心综合测试了10余种模块化UPS，分为单架与双架并联两种工作状态，这三项指标在两种状态下的数据基本无差异，显著优于传统UPS的指标。输入功率因数在100%负载条件下均大于0.99，50%负载条件下也能达到0.97，甚至与满载状态持平；输入电流谐波成分在100%负载条件下绝大多数小于5%，50%负载条件下小于10%，不少系统都能做到小于5%；系统效率在100%负载或50%负载条件下多数能达到94%，有的还超过95%，对于高耗能的数据中心来说，1%的节电量都可带来巨大的经济效益。3.主要电气参数模块化UPS在器件选用方面更加优化，基本不采用模拟器件实现控制电路，器件的稳定性很高，随时间、随温度的漂移量很少，DSP控制技术也相当成熟，运算速度、控制精度均能保证系统正常工作，主要电气参数基本与YD/T1095-2008中第类和第类相对应，从测试结果来看，大部分产品能满足第类的要求。表2主要电气参数比对4.并联工作性能UPS单机的质量符合要求，但并机系统却可能出现不可靠的现象，往往是由于并联环流造成的。模块化UPS中并联工作的分散控制技术已相当成熟，不论是主从控制方式还是分散逻辑控制均优于以往的集中控制方式。主从控制方式中，每个模块均包含并联控制单元，通过工作方式选择开关来选择一台UPS做主机，其他单元作为从机。分散逻辑控制是一种独立并联控制方式，每个模块把所有模块的电流及频率信号进行综合，得出各自频率及电压的补偿信号。采用集中控制方式的系统只有一个集中的控制单元，存在单点故障，而分散控制技术，确保均流性能，根本解决环流对UPS并联的影响。标准详尽规定了模块化UPS的并联工作性能技术指标，见表3。表3并联工作性能集中旁路和分散旁路各有利弊，均有市场份额。集中旁路的控制电路简单、不存在每个模块的旁路不均流问题；但从对静态旁路的维护检查和更换维修的安全性来说，分散旁路更有利，因此标准对于分散旁路拓扑规定了相应的指标要求。模块化UPS的通信总线有并联总线、串联总线、环形总线三种。通过任意增减模块试验、模块之间并机总线的通断试验、机架之间并机总线的通断试验验证各种工作状态下的均流特性。模块故障对总线和UPS没有影响；串联总线结构中某总线电缆或接口故障影响其他总线，UPS转旁路，并联总线和环形总线不受此故障影响；但并联总线结构中的总线汇集板若发生故障，将使UPS转旁路。5.模块的故障隔离性模块之间能协同工作的属性，决定模块之间的联系非常紧密，这也带来一个问题，某个模块发生故障是否对其他正常工作的模块造成影响？因此，标准中规定了“故障功率模块自动退出功能”，要求“系统运行中，故障功率模块应自动退出运行，不影响系统其他部件的正常工作”。故障状态下的保护模式也体现出模块化UPS的优越性，传统UPS故障时转旁路，而转旁路的动作切换往往不可靠，常造成系统崩溃，而模块化UPS的保护模式是故障模块自动退出系统，不影响整个系统的正常工作状态。6.功率模块的过载过载保护功能在模块和系统级别上均有体现，但具体规定有所不同。系统过载的负载量没有明确规定具体指标，而仅规定了模块的过载能力应达到125%，因为系统的过载能力虽然和均流有关，但最主要的因素还是功率模块的过载能力。由于有冗余模块的存在，系统能够承受较严重的过载，几乎不可能出现系统过载125%的情况，关键应考察系统在有模块退出工作，进而造成所有模块过载时，系统是否能安全地转旁路。7.热插拔功能热插拔功能是模块化UPS重要功能之一，要求监控模块、功率模块均具有该功能，是易维护性的重要保障。UPS的使用寿命一般10年，YD/T1970.4通信局(站)电源系统维护技术要求第4部分：不间断电源中规定电容、风扇等关键元器件5年左右即需更换。传统UPS关键元器件的更换很不方便。模块化结构与热插拔功能允许用户在不对负载造成任何影响的情况下，通过简单、快速、省力地更换相应模块即可完成，无需转维修旁路。“简单”体现在无需了解UPS的核心技术，“快速”即5min内能完成的动作，“省力”指的是目前主要模块的重量较轻，一个人即可搬动，这对运营维护部门是非常有利的。目前，功率模块、监控模块、静态旁路开关模块均可实现在线插拔。热插拔过程中，各模块间的幅度、频率、相位、波形仍然会存在微小的不同步，瞬间的冲击较大，接插件的结构设计与质量很重要，应具有良好的抗冲击能力。验证试验表明，宜在关闭UPS模块输出时插拔。8.蓄电池智能管理功能模块化UPS系统宜配置2组到4组可由功率模块共用的电池组，应具有定期对电池组进行自动浮充、均充转换、自动温度补偿、电池组放电及记录功能；监控模块故障时，功率模块应具有对电池组限流恒压充电功能。模块化UPS的电池管理功能越来越强大，可根据放电电流动态调整电池放电的终止电压，防止过放；三阶段智能间歇式充电避免长期浮充造成电池硫化现象，提高电池容量和寿命。9.UPS系统可用性对于一次性使用、不可修复、不可回收的设备，仅关注可靠性（MTBF）即可。但对UPS等大多数可修复的设备，还要关注故障的持续时间，即平均修复时间（MTTR），才能全面反映设备在整个生命周期中的可用率，即可用性：。提高可用性有两个途径，提高MTBF，减少MTTR。MTTR是指设备从发生故障到恢复功能的时间，它由故障发生到故障检修、故障检测到故障发现、后勤保障时间、故障维修时间、恢复时间多个时间段组成，传统UPS的MTTR得不到有效控制，而模