变电站UPS（交流不停电电源）设计

]：（1）备用UPS供电.在一般条件下，由电力供应给负荷；但是，在超过额定功率的情况下或者遭遇停电情况下，该系统将通过变换器为UPS提供能量。其特征包括：结构简单，体积小巧，价格合理，输入电压范围有限，输出电压不稳定，开关持续时间较长，输出为矩形。（见图1）图1后备式UPS（2）联机不间断供电。在传统的电力换流器中，变换器接受来自负荷的AC和来自供电侧的DC。该系统具有连续工作能力，在发生故障时仍可无中断地供电，同时从蓄电池中回收电力。该变换器的优点是：输入电压范围宽，瞬间切换，输出电压的稳定性好，精度高，特别适用于需要大量供电的场合，但成本也较高。目前，一些35kW变电站使用在线不间断电源作为备用电源。由于UPS电池始终处于浮动充电状态，这有助于确保在变电站或交流电源完全断电的情况下，保护装置、通信和遥测信息不会中断。它还可以快速切换到电池供电。所有电源类型均可与在线UPS电源系统配合使用，该系统具有零时间切换功能。（见图2）图2在线式UPS（3）在线互动式UPS电源。当电源电压过高或过低时，会通过UPS的内部电压调节器输出。在一般情况下，由负荷提供电力。在发生故障或停电时，切换切换切换至蓄电池倒相器。它具有噪声低，体积小，输入电压范围宽，开关时间短等优点。（见图3）图3在线互动式UPS（4）最大功率不间断供电。在此基础上，提出了单相输入/单相、三相输入/单相、三相输入/三相三种供电方式。三条有电导线，一条无导线，一条地线构成了一种三相供电方式，而四根带电导线、一根中性线和一根接地线组成单相电源。带电线和中性线之间的电压为220V（即相间电压），两根带电线之间的电压为380V（即线对线电压）。三相电源可为用户提供简单明了的主电源和负载分配：每相都是负载电源和负载电流的组成部分。由于每个相位都对负载电流有贡献，因此三相电源可方便用户分配主电源和负载。所以，在高功率的UPS中，既可以采用多种形式的三段式，也可以采用三段式。（5）智能UPS供电.该功率源是UPS的一个重要发展。现在，在网络系统中，不停电最大的受益人就是网络管理者，这是由于不停电可以提供针对性的保护，保证了在停电状态下，整个系统都能保持良好的运转。因此，逆变器的一个最新趋势是将其微处理器配置为智能型。逆变器的内部硬件和软件相结合，可大大提高其功能，并监控其运行的多个方面，包括错误记录、电池状态、电网电压频率和逆变器输出电压频率。另外，还提供了远程开关控制，自动放电与充电，并对蓄电池进行探测。在此基础上，网管人员可以对电力系统的运行状况进行评价，从而对系统的运行状况做出合理的调整。在感应到电源被切断的情况下，系统会将电源转换为蓄电池。当低电压时，系统会马上告知服务器，并为关闭做好准备，然后在电池容量不足时完全关闭服务器。智能不间断电源的管理软件至关重要，因为它可以让网络管理员监控设备，因为它通过接口与计算机通信。2.3UPS系统设计的配置方案2.3.1UPS单机系统1.单机系统的概述此外，本系统还具有遥控切换、自动充放电、检测电池状态等功能。基于该模型，网络管理人员能够对电网的工作状态作出评估，进而对电网的工作状态作出相应的调整。当检测到供电中断时，自动切换成储能模式。一旦出现低压，将立即通知伺服器，并做好关机的准备。在企业中，这种系统配置最常用。办公桌下面有一个小型N型不间断电源。如果一个400kW的UPS或两个200kW的UPS并联在一条公共总线上，那么一个预期容量为400kW、面积为465m2的计算机房就是N型配置。因此，这种配置可视为关键负载供电的最低要求。虽然这两个实例均为N形结构，但UPS组件的设计仍有差异。相对于小规模UPS而言，超过单相（约20kW）的UPS均配备了静止旁路开关，当UPS发生故障时，可实现对UPS的可靠接入。交换机的位置是经过生产厂家仔细挑选的，目的是为了对关键负荷进行最好的防护，同时保证不会对UPS模组造成损害。一个单独的UPS应该由下列装置组成：一个整流器（充电器），一个逆变器，一个静态旁路，一个蓄电池系统，一个超过10千伏安的维修旁路。在停电状态下，整流器（充电器），逆变器，静态旁路以及蓄电池体系应该能够（通过维修旁路）连续地提供电力，而且这个系统应该与UPS的维修部件相分离。UPS内置旁路入口及整流设备均采用单独供电方式。四个电池单元、一个逆变器、一个静态旁路、一个整流器（充电器）和一个电池系统组成了不间断供电系统，适用于10kVA以下的负载。选择性维修旁通将整流管的输入端与旁路端连接起来。当要求维修时，可以通过外部旁通独立的独立设备来确保完整的UPS，其中既有组件也有静止旁路。维护旁路直接连接到不间断电源的输出端，并与其安装在同一配电板上。在建造不间断电源时，必须采取具体步骤，确保在不间断电源未转为静态旁路时，维护旁路电路不会被连接。这个线路一般都是开放的，并且在不间断电源转换成静止旁路的情况下，是不会被切断的。如果不间断电源切换到静止旁路，则仅在维修旁路回路已被正确地设置时，将被切断。维护旁路线路是本系统的关键部件之一，可以保证UPS组件在不发生负荷中断的情况下，正常工作。大部分类型N的系统结构，尤其是100kW或更少的结构，被应用在对总体功率系统结构没有太大需求的建筑物中。在这种情况下，N型不间断电源配置非常合适，因为它通常用于楼宇供电系统。2.UPS单机系统的优缺点（1）UPS单机系统的优点该系统结构简单，可降低系统的硬件组成费用；当UPS全力工作时，其工作效率更高；随着能量的增长，可扩充（可以在同一时间内进行多台不间断电源的配置）。根据不同的厂商和厂家，最多可以并联成8个同等容量的UPS模组）。（2）UPS单机系统的缺点因为当不间断供电系统出现问题时，负荷会转换成旁路供电，从而使得系统的可用性变得有限；在维护UPS，蓄电池或其他下游装置的过程中，负荷会承受一定的高压（一般一年一次，一般为2-4个小时）；当UPS失效时，缺乏足够的备份将会影响到对负荷的保护。多重单一失效说明，一个系统的可靠依赖于它的最弱连接。2.3.2UPS串机系统1.串机系统的的概述UPS串联机组的工作方式是采用双UPS供电方式，有别于传统的N+1型并联备用方式。采用串联的方法，无需采用并联总线，而且各组件的能力无需配套，也无需采用相同的生产厂家；一种是主设备，一种是备用设备。两个不间断电源应以常规启动方式工作，由主机提供负载。如果主机因某些原因需要退出，它可以自动或手动转移到备机供电，而转换过程不会中断供电；当两台UPS容量不同时，应将较大的UPS用作备用UPS，将较小的UPS用作主机。主机的旁路输入端子与备用不间断电源的输出端子相连。为便于维护，每个不间断电源的整流器（充电器）、逆变器、静态旁路和电池系统组件必须能够与系统的负载部分隔离，而不会中断电源（通过使用维护旁路电源）。在一般情况下，各模组不分担负荷，而主要的负荷则由UPS主机来分担。当转换为静止旁路后，该串联组件将负责主要组件的全部负荷。所以，必须仔细地挑选，以便让这些串联组件迅速地承受压力。在不能执行此操作的情况下，还可以采用静态绕过方法，但是这种方法不能获得多余的配置。只要两个模组之间的负荷转换，就可以在任何时候得到保障。因为输出端总是有一个单一的失效，所以维修旁路仍是一个很有意义的工作。为了进行定期维修，每年都要停机2-4个小时。这样的配置方式增加了可靠性，但开关设备和配套控制装置的复杂性往往超过了这一好处。2.UPS串机系统的优缺点（1）UPS串机系统的优点产品选择灵活，具有UPS容错能力，可混合使用不同品牌和型号的产品，而且双模块系统的价格合理。（2）UPS串机系统的缺点在负载超出变频器容量时，需要对两台不间断电源进行静态旁路。备用电源模组在电源切换到旁路方式时，需要有能力应付负荷突变。这是由于备用UPS一般都是在空载情况下工作的。因为不是每一个不间断电源模组都可以实现这个功能，所以正确地选用旁路模组非常重要；不仅成本高，而且切换装置及相应的控制器也比较繁琐；在一种双模体系（一种主要组件和一种备用组件）中，要在一台UPS与一台UPS中作一种选择，就必须有一台断路器。该体系结构相对于仅使用一个标准负荷总线的体系更为复杂；两个或更多主要组件要求专用的电路以旁路功率并启动冗余组件或网络（静止变换交换机）；由于只有一条负载总线，每个系统只有一个故障点。2.3.3UPS并机系统1.并机系统的概述每个UPS并联成一套，型号与能力完全分开。对于每一个并联的UPS，其旁路的输入都应该是一样的交流电流，频率和相位。其输出可以是并联的，也可以是直接并行的。在常规情况下，每个UPS都提供相同的负荷。若一台UPS因某一台发生了故障而不能工作，它应在不干扰其它UPS电源的前提下，自行切断并联电源。这样便于进行安保维修。采用并联冗余结构，将具有等功率的多个不间断电源模块并行工作，共用一个输出总线。若备用功率与一个系统组件的功率相等，那么该备用功率就是N+1；若备用功率等于两个系统组件，那么该备用功率就是N+2。对于并联多余度的UPS，其功率应由同类厂家提供；并联基板亦可由UPS模组厂商供应。并联基板上设有与各种UPS组件相关联的逻辑电路，再将其串联起来，使之达到理想的同步输出。为了给出电网负荷、电网的电压、电流等有关参量，并联总线必须具有监测能力。同时，并联总线也需要给出并行总线中有多少个组件，并且需要多少个组件来确保该体系的冗余性。在一个公用母线上可以并行连接的UPS模组的数目是有一定的逻辑约束的，各厂商对UPS的要求也各不相同。在一般工况下，将各并联机构的关键负荷容量均匀地分布于各UPS组件中。当UPS组件被从平行总线上拆卸下来供维修时，由于系统出现了问题，其它的UPS组件就需要立刻接管这些组件的负荷。有了这个能力，不需要把主要负荷与主要供电设备相连，就可以对这些模块进行维修。N结构例子中的465平米的电脑室，为了保证冗余性，共用的输出线需要并联2个400千瓦UPS组件或者3个200千瓦UPS组件。用并联母线的额定能力来表达系统的无冗余地能力。这样，在一个装有两个400千瓦组件，并联总线的功率为400千瓦。当负荷增大时，不间断电源的能力也会随之增大。不间断电源的能力愈大，要装设新的不间断电源模组就愈困难。大型UPS组件的重量可以达到几千斤，而且要用特殊的工具来安装。UPS的房间一般都会为这种规模较大的模组保留场地。在所有的房间里，要设置一个巨大的UPS组件是有危险的，所以要仔细地计划好它们。在设计UPS时，需要重点关注系统的效能。一个负荷少于或等于它的标称能力的UPS组件，其效能一般比一个负荷与它的能力相近的UPS组件低。表2显示了由240kW负载和不同容量不间断电源模块组成的系统的负载分布情况。该表说明了在特定应用环境下选择模块大小会对系统效率产生重大影响。不同的制造商对特定UPS在低负载下的效率水平有不同的规定，因此在设计阶段应了解具体信息。表2240KWUPS并机系统的配置并机UPS主机关键负载UPS系统总容量每台UPS负载百分比2×240KW240KW480KW50%3×120KW240KW360KW66%4×80KW240KW320KW75%5×60KW240KW300KW80%2.UPS并机系统的优缺点（1）UPS并机系统的优点与单机系统配置相比，可用性更高，因为在UPS模块发生故障时可提供额外的冗余容量；可扩展，以满足日益增长的能源需求。可在同一设施中同时配置多台设备；不仅设备布局设计简单，而且成本效益高。（2）UPS并机系统的缺点这两种组件在设计，制造商，等级，技术和结构上都应该是一样的；持续不间断电源的上下游都有单一点失效；在对UPS，电池，或者其他的其他装置进行维修的时候，负荷会在无人供电的条件下工作（一般一年一次，而且常常是2到4个小时）；UPS的利用率在100%以下，造成了设备的利用率较低；因为每一个系统都有一条负荷母线，也就是仅存在一个可能发生失效的地方，所以大部分厂商都会采用一台外接的静止切换器来平均分布两个UPS组件的负荷。如果没有，就会出现多达15%的偏差，因为负荷分布不均匀。由于大部分生产厂家都需要公用的外维修旁路，因此，这种装置的费用和复杂程度也随之上升。这就提高了设备的价格，使其更加复杂。2.3.4UPS分布并机系统1.分布并机系统的概述在1990年代末期，为了追求高的完全冗余度，分布式的冗余组态逐渐成为了一个热门的研究方向。本系统以三个或三个以上不间断电源模组为基本结构。临界负荷经由多个PDU及STS与单独的输出总线相连。分散式的冗余结构，以及两个系统的设计，从提供端到UPS都是一样的。这两个方法都可以确保维修的一致性和最小化一点失效。二者的最大差别就是需要为重要负荷供应多余的UPS模组的数目和UPS的分配架构。当负荷需求“N”级增大时，备用UPS组件的数目也随之增大。在这种情况下，采用两种功率驱动方式的电力供应方式明显区别于传统的单一电力供应方式，而采用两种电力供应方式的电力供应方式。所以，STS表示单个供电负荷的失效状态。现在的数据中心，单个供电负荷很低，所以在单个供电负荷下安装多个小容量的变换器，既符合成本又符合实际。在全部负荷为双供电的情况下，此项设定可以不带STS装置。该方法适合于规模较大，负荷以单一供电方式进行同时维修的情况下。当后备能力超过2N时，此结构同样适用。其它工业原因也在驱动着分布冗余的配置方案的开发：（1）同步维修：为了定期维修或试验，在没有把负荷转换到主要供电的情况下，把一些装置或部件从供电端彻底切断。（2）单路故障点：若没有设置旁路，则分配网路上的一处地方，它将引起停止运转。在设计过程中尽可能消除单路径故障点是冗余的一个重要指标。（3）静态转换开关（STS）：STS有两个输入端和一个输出端。STS使用UPS辅助电源电路，以确保在主电源电路发生故障时，负载始终受到保护。理论上，STS从两个独立的UPS系统接收电源，并在某些情况下从其中一个系统向负载供电。自从1990年早期提出这个方法之后，该方法就被大量地用于分散的、冗余的配置。该设计最大的缺点就是采用了静止变换器。该设备在运行过程中存在多种失稳现象，最主要的是双线短路。此时，由于两台UPS都与负荷相连，所以静止切换器变成了单一通路的失效点。而在这种情况下，由于其自身的缺点，会在整个电路中传播，从而对整个电路的性能产生不利的影响。这样，在负荷装置有两个多余供电线路的情况下，第二种系统的设计就能提供更高的基础。市面上的STS产品种类繁多，具有不同的结构和不同的可靠性。在此结构中，STS定位在PDU（480伏一侧）的前方。这是一个很常见的情况。很多工程师相信把STS放到208伏边的两个PDU上会更加稳定。然而，这样做的代价将远远高于480伏特的电压。单一供电负荷。在一个信息中心里，每个IT装置都是一个单一的电力装置，那么它就只有一个单独的STS或者一个架子上的变换交换机来提供能量。为了保证最佳的冗余结构，变换器必须放在接近负荷的地方。把几百台单独的电力装置与一个巨大的STS相连是非常冒险的。采用多个小型变换器对局部负荷进行供电，可以减少此种危险。另外，与大规模的UPS相比，支架分散式变换交换机并没有表现出任何失效方式，这些失效方式会对大量的UPS系统产生影响。所以，机柜变换器变得日益流行，特别是当单一供电负荷仅为整个负荷的一小部分时。两种供电方式加载。随着两种供电方式的使用变得更加常见，STS也就没有必要了。两个单独的PDU（它们分别由相应的UPS系统提供电力）可以与负荷直接相连。多路供电是同步的。在一个数据中心里，需要对两个不间断供电线路进行同步。若无同步控制，则UPS模组间极易出现相移现象，特别是当UPS以电池为动力时。为了避免相偏，采用在两台不间断电源中加一个同步器，使得两台不间断电源的AC、DC、AC、DC的输出是同步的。尤其是当UPS组件是用电池提供能量并且是断线的情况下。在开关切换期间，通过使整个电源处于同一相位，从而保证了整个UPS的运行是同步的，避免了切换时出现的故障，对下游的设备造成了损害。在UPS中设置一个同步化设备是必要的，因为它会对整个UPS都产生影响。2.UPS分布并机系统的优缺点（1）UPS分布并机系统的优点当全部负荷为双路供电时，可方便地实现各部件的同时维修；相对于2（N+1）结构，不间断电源的数目减少，从而降低了系统的造价；两条分开的电力线为双路电源负荷的电源提供了一种备用电源；无需将负荷设置在旁通状态，从而构成不可靠供电的不间断供电。大部分的分散式备份的设计都不要求旁通线路的维修。（2）UPS分布并机系统的缺点与常规结构比较，采用的是中央式的切换装置，造价比较高；由于STS装置的应用导致了系统失效方式的复杂性以及单一失效，所以能否顺利地进行系统的设计依赖于STS装置的正常工作；在大规模的、包含多个UPS模块、静态切换开关及PDU的数据中心内，如何保证各UPS能够合理地进行负荷分布，并且能够准确地判断各系统对各负荷的供应，是一件非常困难的工作。非预期操作方式：UPS系统中除现有的多种操作方式之外，还有多种类型的转换方式。为了保证在给定的情况下进行正确的操作，并对其进行检修是不现实的；不停电系统没有达到最大功率时，其效率低下。2.3.5UPS双总线分布冗余系统1.双总线分布冗余的概述双总线分布式冗余系统包括A、B两个独立的系统，它们可以是单一的或多个并联的，也可以是一个单一的。第二类是多台并联的系统，但是它们的能力基本一致。UPS电源的输入线及电源开关的设定，应能保证一台设备以最大负荷运转，或两台设备均以固定负荷速率运转，两者中以两者中最高的一种为佳。若不间断电源为并联结构，则它的并联电源输出信号的频率与相位应是一致的；A和B两个不间断电源系统必须有外部维护旁路。这可防止在从系统中拆下每台不间断电源并将其与有源元件隔离以进行维修时中断系统电源。维护工作结束后，可在不影响负载功能的情况下进行并联系统切换测试。最终，可以通过重复地将其还原为一个打开该连接系统。为了保证备用备用的安全性，UPS的各输入、输出线、开关都要按UPS的额定能力配置。UPS中的每个静态开关，主开关，外部维修旁通开关，以及UPS的所有输电线都需要在单一的系统中达到最高的电力能力。若存在功率负荷，应按各单元功率等级及用户需求来确定。另外，您还必须确定，在两台不间断电源系统中，增加一个STS静止切换器，还是把它用作单一电源装置，还是采用两台同步控制装置，其中要考虑到UPS系统的安装和配置，还是直接从一组系统中并联供电。三个供电模块中的一个UPS系统由两个通道供电，另一个UPS系统由一个通道供电。两组UPS系统可分别为两个通道供电。为了提高系统可靠性并尽量减少双总线系统中的相关点，建议尽量减少或完全避免使用同步控制器和STS静态切换开关。这种结构的变体用双系统、多并行总线、双输入、2(N+1)、2N+2、[(N+1)+(N+1)]和2N等术语表示。利用这个概念，我们可以构建一个无需向主要供电的不间断供电系统。在这个体系的设计阶段，可以消除每一个路径故障点。然而，随着可消除的单一故障点数量的增加，将设计方案付诸实践的成本也会增加。大部分的两个体系结构都是单独建造的，专门的设备。资料中心装置通常与基本设施（UPS，电池，制冷系统，发电机，公用设施，配电房等）共享场地。这样的结构在同行业中是最值得信赖的，也是最经济有效的。这个结构可以很容易，也可以很复杂，取决于工程技术和用户的需求。虽然名字是一样的，但是在特定的细节上会有很大的不同，这要看设计师的想法和经验。2（N+1）设计的主要特点是使用旁路电路来提供整个系统的冗余，允许某些系统组件被旁路或关闭，以提供应急电源。UPS输入面板上可连接一个可切换电路。2（N+1）设计可确保在UPS模块发生故障时，只有该UPS模块会从电路中切断，而负载则由并联模块接管。一般来说，选择双系统设计的企业更注重配置可用性，而不是实施费用。这类企业的大部分负载也是双供电的。除了分布式冗余配置一节中提到的因素外，还有其他一些因素也会影响这种配置选择：加固。系统和建筑物的设计要能抵御自然破坏，防止电力系统出现连锁故障。换句话说，就是能够隔离和控制故障。例如，两个不间断电源系统不应放置在同一房间，电池也不应与不间断电源模块放置在同一房间。断路器协调是设计的重要组成部分。通过适当调节断路器，可以防止局部短路损害邻近的建筑设备。此外，加固建筑物可以使其更能抵御洪水、龙卷风和飓风--所有这些在特定地区都可能需要。例如，可以通过将建筑物迁离百年一遇的洪水泛滥地区、避免在建筑物上方架设高架道路、如利用更厚的墙和采取一些诸如不需要窗户的设计，来尽量避免被打扰。静止切换器（STS）。由于采用了双供电的IT装置，所以不需要对STS装置和其失效方式进行任何的控制，因此可以极大地改善系统的使用效率。单一供电负荷。要使两个系统的优点得到最大程度的发挥，就必须把一个供电负荷和一个支架级的变换交换机相结合。2.UPS双总线分布冗余系统的优缺点（1）UPS双总线分布冗余系统的优点两条单独供电线路，没有单一点失效，具有最大的容错性；该结构为从供电到关键负荷的全部线路都提供了充分的冗余性；采用2（N+1）结构，可在同时维修时维持UPS的冗余功能；在负荷未在旁通方式下（使负荷变为无保护供电）时，UPS组件，开关柜，以及其它分配装置可以进行维修；在UPS系统之间分配负载以及识别哪个系统为哪个负载供电更加简单。（2）UPS双总线分布冗余系统的缺点冗余的组件数量多，而且成本高；由于不间断电源不能以最大容量运行，因此效率低下；由于冗余组件必须单独安装，高可用性的双系统不适合在传统结构中使用。

第3章UPS在变电站中的要求、功能及规范UPS作为电力系统的重要组成部分，承担着保障关键设备持续供电的责任，从而确保了生产、通讯、医疗等各个领域的正常运转。而变电站作为电力系统的关键节点，承担着将高压电转变为适合配电和使用的低压电的重要职责。变电站对供电设备的稳定性和可靠性有着极高的要求，而UPS作为关键的电力备份设备，必须具备高度可靠性，确保在任何情况下都能持续供电，以保障电力系统的稳定运行。UPS在变电站中需要具备高效率和大容量的特点，并且需要符合严格的规范和标准。因此，深入理解和研究UPS在变电站中的地位和作用，对于提高电网的可靠性和效率至关重要。3.1UPS在变电站中的要求可靠性要求：在变电站中，任何UPS的故障都可能对整个电力系统造成严重影响，甚至导致设备损坏或生产中断。因此，UPS需要具备高可靠性，确保在任何情况下都能持续稳定地供电。为了实现高可靠性，UPS通常采用冗余设计和多重保护机制，如并联系统、双转换技术和过载保护等，以提高其抗故障能力和可靠性。防雷要求也更高，通常需要两套防雷系统；高效率要求：能源效率是电力系统中的重要考量因素之一，尤其在变电站这样大功率设备密集的地方。UPS在变电站中需要具备高效率，以减少能源浪费和成本。高效率的UPS可以降低能源消耗，减少热量排放，提高电力系统的经济性和环保性。为了实现高效率，UPS采用先进的转换技术和节能设计，如IGBT技术、双转换模式和动态在线双转换等，以提高其能源利用效率和性能表现。大容量要求：变电站作为电力系统的主要配电中心，需要能够应对各种复杂的电力需求，包括高峰时段的大功率负载和突发性的紧急情况。因此，UPS在变电站中需要具备大容量，以满足变电站对电力供应的需求。大容量的UPS可以提供足够的电力支持，保障关键设备在各种情况下的正常运行。为了实现大容量，UPS通常采用模块化设计和并联系统，以灵活扩展和适应不同功率需求。长寿命要求：在变电站这样的重要设备中，UPS的长期稳定运行对于电力系统的可靠性和经济性至关重要。因此，UPS需要具备长寿命，以降低维护成本和系统停机时间。长寿命的UPS可以减少设备更换和维修的频率，提高电力系统的可用性和可靠性。为了实现长寿命，UPS采用高质量的组件和材料，进行严格的质量控制和测试，以确保其在恶劣环境和重载工况下的稳定运行和耐久性。负荷形式的需求：电厂DCS中的大多数负荷为单相负荷，所以单相负荷分配方式比较简便，维修费用较少。所以，大部分电厂的不间断电源都是针对低、中、低容量的三相投入、一相负荷；对AC输入的需求：大多数电厂的站用电压波动相对较大，谐波电压较大，因而对UPS的输入、输出有更高的需求，因此UPS的输入、输出均需配备绝缘变压器；旁路需求：要连续地在自动与手工转换中转换，必须采用静止转换器。为改善电网的供电品质，采用旁路方式，需加装一台独立的稳压变压器以达到旁路的目的，以达到绝缘及稳定电压的目的。旁路也要进行周期性的检修，检修时要确保不中断UPS的供电；直流需求：电厂内的DC电源为220V，该电源作为UPS的直接电源。然后，通过整流箱对蓄电池进行充电。UPS提供220伏或110伏的直流电源。为了防止逆变电源和蓄电设备间的EMI，在其直流侧一般采用反流二极管，从而降低了逆变电源的直流影响；通讯需求：在不间断电源系统中，存在两种不同的接口，可以用来监视不间断电源的工作状况，当出现不正常的时候，可以立即向用户发送警报。3.2UPS在变电站中的功能1.电力过滤UPS在变电站中常常用于电力过滤，其主要功能是过滤电力波动和噪音，以保护变电站和配电设备免受不稳定电力的影响。在电力系统中，由于各种原因，如电力负载变化、电力波动等，常常会产生电力的波动和噪声，这种不稳定的电源会破坏装置，或者影响其正常工作。通过内置的滤波、电压调节器等器件，将电网中的不稳定电源转化为可靠的电源，保障了变电所及配电网的正常运转。2.电压调节在变电站中，UPS可以对电压进行调节，确保输出电压稳定在合适的范围内，以保障电力系统的正常运行。电力系统中的电压波动可能会对设备产生负面影响，如过高或过低的电压可能会导致设备损坏或性能下降。UPS通过其内部的稳压器和调节装置，可以监测输入电压的变化，并及时对其进行调节，使输出电压保持在安全稳定的水平，确保设备的正常运行。3.紧急备用电源在电力系统中，突发性的电力中断可能会造成严重的后果，如生产中断、数据丢失等。为了应对这种情况，UPS可以作为紧急备用电源，为关键设备提供临时的电力支持，保障其正常运行。在变电站中，UPS通常配备有足够的电池容量，可以在电力中断时自动切换为备用电源状态，并提供持续稳定的电力输出，直到电力系统恢复正常。4.数据存储UPS在变电站中还承担着数据存储的重要功能。在现代电力系统中，数据具有极其重要的价值，任何数据的丢失或损坏都可能导致严重的后果。因此，UPS通常配备有数据存储设备，可以在电力中断时自动切换为备用电源状态，并确保关键数据的持续存储和保护。通过UPS的数据存储功能，变电站可以确保关键数据的完整性和可靠性，避免因电力中断而导致的数据丢失或损坏。3.3UPS在变电站中的规范1.电源稳定性标准UPS电源的基本功能是保护设备在供电中断的情况下提供电源，以保持电源连续性的稳定性。为了保证UPS电源能够成功地满足这一要求，需要执行IEC62040-3标准。该标准定义了UPS电源提供电源的各种运行模式要求，并通过验证电源的最大发电量、转换速度和保护功能，以确保UPS电源可靠。2.安全性标准UPS电源在使用时也需要考虑安全问题。UPS电源应符合IEC60950、GB4943、UL1778等标准要求。该规范涵盖了不间断供电的各种问题，例如：防止闪电袭击、防火、防腐、电源接地、电源转换、电源电流控制等。3.环保标准UPS电源对环境的影响也是我们需要考虑的。当我们使用UPS电源时，我们应该选择符合国家环保标准的UPS电源。通常，离线UPS使用更为环保，由于离线UPS与市电的直接连接，其转换损耗较低，能耗较小。4.防火防爆标准UPS电源的电力输出能力有可能超过标称值，因此，也应该执行相关的防火防爆标准，以确保UPS电源的安全性。实际应用中，UPS电源应该符合CE标准、UL标准、IEC标准等，以保证UPS电源在任何情况下都具有防火防爆的安全性。5.整机可靠性标准UPS作为电脑的保护用电，如果出现了问题，将会对电脑造成严重的破坏，因此，UPS供电的可靠性显得尤为关键。在选购UPS电源的初期，要注意它的试验报告、使用寿命、质保期限等资料，并将供应商或维护单位的能力及服务品质综合考量。不间断供电设备的整体可靠度应该达到最低额定使用年限等相关标准，确保UPS电源能够应对实际使用情况。6.法律法规UPS在变电站中需要符合相关的法律法规，以确保其设计、生产和运行符合法律法规的要求。这涉及到安全认证、电磁兼容性、环境保护等方面的法律法规，如CE认证、RoHS指令、WEEE指令等。UPS生产企业需要遵守相关法律法规，确保UPS产品的质量和安全性，同时变电站运营方也需要遵守相关法律法规，确保UPS的正常使用和维护。7.技术规范UPS需要符合一系列技术规范，以确保其性能和功能满足变电站的需求。这些技术规范包括性能指标、测试标准、通信接口等方面的要求。例如，UPS的输出电压、频率、波形等参数需要符合国际标准，以保障供电质量。此外，UPS还需要具备远程监控和管理功能，以实现对UPS的远程监控和控制，及时发现和处理异常情况。8.设备规范表3设备需遵循以下主要规范和标准序号标准号标准名称1DL/T5491-2014电力工程交流不间断电源系统设计技术规程2DL/T1074-2007电力用直流和交流一体化不间断电源设备3GB/T7260.1-2008不间断电源设备第1−1部分:操作人员触及区使用的UPS的一般规定和安全要求4GB/T7260.2-2009不间断电源设备(UPS)第2部分：电磁兼容性(EMC)要求5GB/T7260.3-2003不间断电源设备(UPS)第3部分：确定性能的方法和试验要求6GB/T7260.4-2008不间断电源设备第1−2部分：限制触及区使用的UPS的一般规定和安全要求7GB/T14715-1993信息技术设备用不间断电源通用技术条件8GB/T3859.1-2013半导体整流器通用要求和电网换相变流器第1−9GB/T2423电工电子产品环境试验10GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范11GB50171-2012电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范12GB/T191-2008包装储运图示标志13国能安全[2014]161号防止电力生产事故的二十五项重点要求14国家电网生[2007]883号国家电网公司发电厂重大反事故措施（试行）15国家电网生[2012]352号国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）16调继[2005]222号国家电网公司十八项电网重大反事故措施（试行）继电保护专业重点实施要求

第4章变电站对UPS系统的选型及设计4.1UPS及系统的选型在电力系统中，变电站用于升压和分发电力。为确保电力连续供应，UPS系统在变电站中至关重要，它是一种具有稳压、稳频、滤波、抗干扰等功能的电力保护系统，在变电站失去交流电压控制的情况下，通过提供不间断的电力供应，确保变电站稳定可靠地运行。其中，双总线分布冗余UPS系统的高可靠性、灵活性和智能化管理为变电站提高了稳定的供电。即采用两台PGP-31UPS并联运行，通过双总线结构实现电源的互为备份和冗余切换。这种系统设计能够确保在单一UPS设备出现故障时，另一台设备能够迅速接管负载，保证电力供应不中断。同时，双总线结构还能够优化电源分配，提高供电效率，确保变电站内各个关键负载的稳定运行。在变电站的实际运行中，由于设备老化、外部干扰等因素，电源故障难以完全避免。而双总线分布冗余UPS系统则能够在这种情况下发挥巨大作用。当主UPS设备检测到故障时，会迅速启动备用UPS设备，并通过智能控制系统实现无缝切换，确保电力供应的连续性。这种快速的故障检测和切换能力，极大地提高了变电站的供电可靠性，降低了因电源故障导致的运营风险。此外，双总线分布冗余UPS系统还具备智能化管理功能。采用先进的监测技术，可以对UPS的各种工况信息进行监测与分析，从而及时地检测到可能出现的问题，并及时地采取相应的对策。这样一种智能的管理方法，既可以使整个系统的工作效率得到提升，又可以减少维修费用，为实现变电所的长远、平稳的运转，起到了很大的作用。在变电站的实际应用中，双总线分布冗余UPS系统还需要结合变电站的实际情况进行定制化设计。例如，需要考虑变电站的负载特性、环境条件以及维护需求等因素，以确保UPS系统能够充分发挥其优势，为变电站的稳定供电提供坚实支撑。4.2PGP-31UPS系统的特色与优点（1）适用于工业电厂的UPS，采用高性能元件，安全范围广，适用于温度、湿度相对苛刻或较脏的工业环境，但PGP-31系列逆变器也易于在商业环境中使用。（2）输入和输出隔离变压器提高了UPS对电压和负载影响的抗扰度。（3）可靠的反向二极管可直接连接直流母线。（4）可靠的静态旁路和手动维护旁路。（5）配备一个干触点报警继电器、一个RS232/RS485计算接口和一个远程通信报警器。（6）输出过载和短路保护，确保设备安全。（7）采用模块化的IGBT功率，配合先进的DSP技术，实现数字处理控制，提高机器系统的可靠性。（8）整机运行由DSP（数字信号处理器）控制。（9）先进的电池自动充电系统和可扩展电池组。（10）可在不停电的情况下进行电池测试。（11）多功能、高分辨率的320X240LCD图形显示屏，支持绿色模式功能。（12）液晶屏可调节多语言界面。（13）接受2组电源输入，可支持2台UPS并联。（14）系统可冷启动（DCStart），在无DCBUS电压时，避免即时输入电压过高造成系统损坏，安装有限流电阻，允许使用电池直接启动系统，（15）系统可与发电机系统一起运行。（16）辅助LED状态流量指示。（17）多功能、可扩展的集成模块化设计，系统电路分为多个模块，便于快速维护和问题检测。（18）逆变器与市电同步、同相、同压、旁路至逆变器输出。（19）宽输入电压范围176V到275V（-20%到+25%）。（20）纯正弦波输出，电压总谐波失真（THD）小于3%。（21）输入电压过高或过低保护：如果输入电压过高或过低并超过额定值，系统会切换到旁路模式以保护自身。（22）免费的UPS监控软件可让您通过电脑了解UPS组件。（23）该软件定义了整个UPS各参数的补偿。（24）辅助干触点信号，两组干触点有8个选项可供选择，用户可自由使用更多，提供16组可由用户调度的两组干触点信号。（25）EPO紧急开关，带外部开关插槽。（26）语音报警，可通过语音告知UPS状态（可选）。（27）双电源供电，提供两个独立电源；当主电源损坏时，可迅速由副电源替换，不影响系统运行，提高系统稳定性和可靠性。（28）电池反接检测：当电池反接时，系统发出蜂鸣器报警。（29）湿度检测：检测机箱内的湿度，以保护系统免受潮湿影响并延长其使用寿命（可选）。（30）视负载而定的多级风扇控制：降低低负载时的噪音，延长风扇寿命。（31）低电压电池关机：在电池供电系统中，系统会自动检测电池电压，当电池放电达到低电压点时，如果电池继续放电将损坏电池。关闭，防止电池过度放电，延长电池寿命。（32）工作电源检测，系统提供多组工作电源，并使用工作电源检测板，LED显示每组工作电源是否正常，并使用保险丝保护每组电源，如果电源异常，软件也会读取异常信号并触发报警。（33）面板上有多个LED状态指示灯，用于判断系统状态和异常。（34）提供独立的通信端口，如RS-232、RS-485和LAN/SNMP。（35）直流纹波电压可根据客户的电池数量变化±10%。（36）支持行业标准MODBUS通信协议、RS-485通信接口和UPS系统状态监控。4.3UPS系统原理图4.4功能介绍4.4.1整流器该电路主要包括：匹配控制板，输出滤波器，可控硅整流器，绝缘变压器等。该整流器系一种六脉波三相桥整流整流电路。该方法利用触发信号来调节可控硅整流器的触发角度，进而实现对直流平均值的调节。整流稳压面板对输入的DC电压进行检测，并将实测的电压与规定的数值进行对比，从而触发一个脉冲。在全负荷波动的情况下，利用触发信号来调整可控硅开关的开启状态，使得整流/输出的电压在容许的误差范围之内。并将其输出电压调节到246伏.在该电路中，为了减小整流电路中的纹波系数，采用了一种感应线圈。可控硅是通过一个控制面板上的一个脉冲来启动的，它的输出电压确定了一个脉冲的相角。在此基础上，通过对整流电路的输入电压与其设定值进行对比，得出一个修正可控硅整流器导通角度的误差信号。若整流电路的输出电压降低，则通过控制面板上的信号来增加可控硅的导通角度，使得整流电路的输出电压恢复到原来的水平，反之亦然。4.4.2隔离变压器（一）电压转换UPS电源必须把输入的AC转化成一个高于AC的DC。这样，绝缘变压器就可以把低压AC输入的高压提升到适于进行DC变换的高压电平。这样就能够满足电子设备对于直流电的需求。（二）电气隔离。在工频UPS电源中，输入电源主要包括市电和UPS电源系统。而输出电源则是供应给各种电子设备使用的直流电。隔离变压器能够将这两个电源相互隔离，确保两个电源之间无直接的电气联系。当输入电源出现故障时，不会对输出电源造成影响，从而保护电子设备的安全运行。（三）保证当前的稳定。在不间断供电系统的供电中，常常会产生大量的干扰，例如噪声和瞬态干扰。绝缘变压器由于其电绝缘功能，可以有效地过滤掉上述的扰动，提高了系统的稳定性。因此，可以确保向电子装置提供高的电流品质，降低对电子装置的损坏，并提高其工作的可靠性和稳定性。（四）提供电力的安全性。在UPS电源的输出端，有时候需要进行一些维护工作，比如维修、检测等。而这些工作往往需要人员进行，为了保证人身安全，隔离变压器能够将输出电源与输入电源相互隔离，从而降低人员触电的风险。这给人员的工作提供了非常大的便利，同时也提高了操作的安全性。4.4.3逆变器该系统主要包括：同步电路，振荡电路，滤波稳压电路，逆变变换电路等。作用：可将DC电流变换成规范的正弦波，具有二次侧压及过负荷保护。由电感、换相电容、四个可控硅及其它器件构成了一种逆变变换回路。通过调整四个可控硅开关管的交流动作，将交流电流转换成方波信号。再经滤波、稳压，输出电压平稳。在此基础上，通过对逆变电路中的正弦波和旁路信号进行相、频率的对比，使逆变电路和旁路电路能够实现同步。在此基础上，采用振荡片来实现对逆变电源的电压、相位及频率的有效控制。鉴相电路判断是否有同一频率且同一相状态的情况，以便判断能否采用旁通功率开关。利用一个频率探测器来确定反相器的输出与旁路供电的信号的频率，以达到同步。在大部分场合，逆变电路与旁路电路需同时工作，且其工作模式为旁路供电。若变频器与旁路供电之频差大于0.7赫兹，则会使逆变系统失步，以其本身的固有频率进行发电。当变压器的输出电压与旁路电压的差值重新降至0.3赫兹以下时，逆变器就会自动地与旁路供电进行同步，其速率不超过1赫兹/秒钟。利用可控硅门控输出，使反相器中的振荡器能够生成合适的方波，从而实现对电源切换电路的控制。该方法能生成50赫兹的方波或矩形波形，经过稳压、滤波电路处理后，可得到50赫兹的正弦波。在反相电路中发现有过流现象，并且过流程度达到额定值的120%时，将会使逆变装置处于旁路状态。为了防止变频器在低压运行时受到损害，本装置将在176V以下时，将自动转换成旁路供电。4.4.4静态开关一组并联反向连接的晶闸管和匹配的控制板组成了静态开关。控制板负责晶闸管的开关。逆变器会自动切换到旁路电源，并在发生故障或过载时发出警报。整个切换时间限制为4毫秒。经过适当的间隔后，逆变器可重新开启，开关逻辑可确保手动和自动切换操作中的恒定供电。4.4.5逆止二级管在较长时间内，反向二极管的额定电流可维持逆变器的最大输入电流。反向截止二极管的反向峰值电压不得低于1500V。。4.4.6手动旁路开关人工旁路切换是在变频器维护时，将变频器的旁路功率转化成变频器的功率。人工旁通开关应该能够按照“分闸”和“分闸”的原则来运行。在重置之前，我们应该将供电进行同步，并将其换成工作供电。人工旁通开关具有两种状态：“开”与“关”。开路：人工旁路负荷。实现了逆变电源的同步切除；静止切换器与旁路供电绝缘。在断电的情况下，可以对UPS进行维修或检测。关：逆变器为负载供电，静态开关可随时自动打开或关闭。确认以下条件都满足才能合上开关:（1）确认手动旁路开关和断电UPS输出开关均处于关闭位置。（2）确认失电UPS母线上负荷开关全部断开。（3）确认失电UPS母线无故障。

结论要设计一个变电站UPS系统，其中运用的知识很全且复杂，运用到了电气工程、电子工程、计算机科学、控制理论等专业课。为了完成这次任务，需要搜集、参阅、整理许多资料，在本学期的学习过程中出于加强自身学识技能的考虑，自己也自学别的软件技能，所以也可以说是时间紧迫。本次设计的内容需要对所学的专业知识进行一个归纳整理，所以要复习学过的知识，并且也要汲取接触新的知识，对知识系统进行归纳升华吸收。这就要求我对本专业有更深层次的了解认识，提升自己的专业素养。本文旨在研究变电站UPS系统选择的问题，保障电力系统的高效、可靠、稳定。分析了UPS关键设备的供电系统结构。变电站采用单一UPS供电系统时，形成串联系统，UPS故障会严重影响供电的连续性。当并联系统发生故障时，只有当每个子系统都发生故障时才会出现故障。此外，还要实时监测电力负载变化、能源效率以及系统性能，提高UPS系统的整体性能。最后采用CAD绘制整个UPS系统的布局、电气接线图、设备参数标注等详细的图纸。要顺利设计好一个完整的变电站UPS系统，需要有众多的知识储备和严谨的思维，在设计期间，把理论与实践相结合，更好地消化吸收理论知识。在这过程中当然不会是一帆风顺，但是在老师及同学的鼓舞帮助下，哪些问题也都迎刃而解了。本设计是对自身能力的一次检验，增加自己这一方面知识的同时为以后的工作生活夯实基础。同时还让我明白做事情要认真务实、脚踏实地和敢于挑战困难。这次设计，我收获颇丰。因为我的水平不高，所以我的作品还不够完美，希望老师能给我一些宝贵的意见。

参考文献李益惠,郭利群.UPS及配套电池的特性和选用[J].建筑电气,2020,39(01):25-29.郑伟彬.UPS华南分公司跨境快递业务营销策略优化研究[D].兰州大学,2023.DOI:10.27204/ki.glzhu.2023.003033.谷佳琪.UPS系统概述[J].智能城市,2020,6(12):80-81.DOI:10.19301/ki.zncs.2020.12.043.张伟.基于下垂控制的并联逆变系统离并网控制技术研究[D].哈尔滨工业大学,2020.DOI:10.27061/ki.ghgdu.2020.001460.常惜阳,杨拯,刘洋.一种变电站交流