UPS及EPS的应用技术与发展趋势

UPS及EPS的应用技术与发展趋势

摘要：就当前一体化机房捱电系统、UPS与EPS的应用特点及发展趋势进行了

阐述。

关键词：UPS；EPS（应急电源）；应用技术；发展趋势

1一体化机房供电系统的新理念

1.1电力不足与电力灾难

2003年8月14日下午美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积停

电，这次持续29个小时的大面积停电，不仅给5000万美国人和加拿大人的生

活带来极大不便，而且造成300亿美元以上的直接和间接经济损失。

我国也面临着电力供不应求的尖锐矛盾与事故频频发生的严峻形势。今

年6月我国电力部门已宣布，今年将发生严重的“电荒”，决定对24个省市自

治区采取拉闸限电的措施来保证基本的电力供应。我们应从北美发生大停电的

教训中得到警示，意识到自身电网存在的问题和隐患。

随着中国信息化建设的成熟，信息系统已经涵盖了各种系统，其中包括

航空、气象、金融、通讯以及交通等重点行业，这些系统无疑是国家的关键基

础设施，而曳力系统则是维持这些基础设施不间断运行的必要保证。

显然，用户不可能左右整个电网的可靠性，但可以积极地做好自身小环

境的电力保护，因此，用户自我保护是当前解决企业电力问题的现实之举，而

UPS能够有效地解决停电事故和电力质量小稳定的问题，在美国、H本以及西

欧等国家UPS已得到广泛应用。

现在用户已经认识到UPS和备用发电机（油机）的重要性。我国用户多采

用长延时UPS,而国外用户多采用“UPS+油机”的方式。事实上,UPS的电池

与油机的初始成本相差不多，但油机后期维护成本更低一些，而UPS的电池则

需要定期充放电，每隔几年需要更换，并且供电维持时间很难超过8h,而出现

电力事故时，UPS的任务主要是承担从电力中断到柴油发电机起动的这段时间

内的供电，保证电力供应不出现中断，而此后的供电应当交给发电机。

双路供电也是企业实现小环境电力保护的一种有效方式，但双路供电必

须有来自不同配电站的电源供给。并且，机房的UPS还要有冗余的备份设备。

对企业小环境电源保护系统的配置，用户应考虑关键设备的主次之分。

首先应保护最重要的关键设备，然后是相对次要的负载。并根据设备的重要程

度选择适当的电力保护措施，避免不必要的投资，造成浪费。

1.2小间断供电系统

自从计算机问世以来，对其供电系统的研究就成为保证计算机系统正常

运行的重要课题。计算机类（计算机及其它IT设备等）设备对供电系统的要求是

比较苛刻的，它不仅要求供电系统提供高质量的电源，保证供电的连续性，还

要求提供相应的环境物理条件和必要的系统安全保证措施，供电系统应有很高

的“可维护性”和“可管理性”，以及能够适应计算机和网络系统不断发展变

化的“可扩展性”。

计算机和网络系统的供电以市电为主。影响供电质量的客观因素一方面

是一个国家或一个地区的发电机总装机容量和配电水平、供电网络结构和配电

设备以及维护管理自动化水平的落后，是供电质量差、可靠性低的重要原因；

另一方面是各种不同性质的负载，特别是一些大容量感性、容性、冲击性、非

线性的负载，对电网造成污染，使电网电压的幅值变化、波形畸变、频率漂

移；另外，自然或人为的原因，如地震、雷击、输变电系统断路或短路等，都

会危害电力的正常供应，从而影响负载设备的正常运行。

当前，从全球经济模式及商务运作形式一直到人们的日常生活方式都在

发生着巨大的变化，其中最明显的莫过于Internet（互联网）和E-Business（电

壬商务）的迅猛发展，全球网络、全球通讯、信息实时处理以及一年365天

（8760h）的贸易，将逐渐变成日常生活中不可或缺的组成部分。在计算机网络

系统中，所有的便性加在一起的费用也只是全部网络费用的一小部分（约

20%）,而大部分费用用在检查错误，服务器的重新启动，维护和更新以及数据

重建等上面。从某种意义上讲，保护用户的数据比保护用户的网络设备更为重

要。一个大型企业，深知自己成功与否取决于计算机，即使供电系统出现很短

时间的故障，就可能出现如下的致命后果：有损形象；丢失合同；丢失客户；

中止客户服务；产品积压:丢失运行的数据。一个网站宕机，一个潜在的用户

在8s内离开，一个路由器宕机，局域网上可能有几百个用户无法工作；一个光

纤室宕机，可能有几千个用户断开网络连接。

供电系统除了要向负载提供高质量的电源外，保证供电的连续性已经成

为重要的不可缺少的功能，不间断供电系统（UPS）就是在这种形势下应运而生

的。UPS供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程，在技术不断发展和改

进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的

今天，这种变化就更明显，图1显示了这个变化过程。1993年以前着重追求对

硬件的保护，1993年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要

的地位。

图1供电系统保护功能的变化

1.3一体化网络系统

随着网络应用的深入和用户需求的个性化，对UPS的应用要求呈现高可

靠性、可管理性以及经济性并重的趋势，集不间断电源、机柜、电源管理、散

热、电力电缆和数据布线为一体的全套电源供应与管理的“整体方案”可以大

大便利用户的选购、安装、维护和扩容，降低H常管理、维护的成本。这种应

用趋势演变为匚面之间综合实力的竞争，包含产品技术、方案提供以及现场服

务等多方面的因素。

当前所说供电机房已不再是传统意义的UPS设备，而是网络关键物理基

础设施的体现，它是•套集成系统，UPS设备只能说成是该系统的核心部件。

由于UPS和EPS（应急电源）等电源保障系统是支持大型电脑、电子设

备、电机设备系统的，这些系统要有集中测控的设备来监控整个过程的运行。

10年前电源保障比较简单，只是单机单元进行监视与维护。后来随着系统愈来

愈大，所用的UPS容量也愈来愈大，并要求高可靠性。例如民航导航与空管站

的UPS,要求有两套来自不同电网的功率均分并机系统，两台UPS再并机，即

用双总线系统来保证高可靠性与高可用性。如一台UPS出故障，可由并机的另

一台承担。i路市电出问题，还有另一路市电来承担。与此同时还要求能监控

每一块电池，对发电机组也需监控，对电机的起动电池也得监控。于是电源就

成了一个与负载一一电脑设备、电子设备、机电设备同等重要而复杂的系统。

当然，技术上是可以解决的，但最终受限于成本和价格。于是电源网络化与rr

化结合起来，形成“电源、发电机、电池及被保护的电脑、电子、机电”网络

一体化的系统。也就是把UPS、EPS、电池、发电机，与被保护的电脑、电子、

机电系统看作是一个整体。即“电源、电池、电机、电脑、电子、机电”的

“六电一体化网络系统”，

只顾眼前利益忽视安全要求是非常危险的。近来报道的i些厂矿事故、

城市火灾、坍塌事故等乃是这种意识的严重后果。对于“六电一体网”的建设

绝不是一个把UPS、EPS、电池、电机与被保护的电脑、电子（如雷达、导航、

通信）、机电设备（自动化系统）简单地接在一个区也些（以太网）上就行

了。还要保证物流、能流、人流与信息流能够充分地流动起来。

2UPS与EPS的应用特点

2.1常用型UPS的特点及功能

UPS按其设计原理与工作方式可分为离线式UPS、在线式UPS、在线互

动式UPS三种。

离线式UPS亦称后备式UPS,以小功率（5kVA以下）为主，主要对市电

进行滤波、稳压调整，以便向负载提供更为稳定的电压，同时通过充也器把电

能转变为化学能储存在蓄电池内，一旦电力中断、电网电压或电网频率超出

UPS的输入范围，可在极短的时间内（几ms）开启自身的储备电源，向负载供

电，此类UPS的特点是转换效率高、易于维护且价格低廉，为绝大多数中小功

率用户电源保护的首选。

在线式UPS以中大功率（5kVA以上）为主，逆变器始终处于工作状态，

与用电设备同时运行，在供电状态下的主要功能是稳压和防止电压波动和十

扰，避免负载遭到长期低品质电力的侵害，一旦市电中断，UPS中的逆变器会

利用机内蓄电池所提供的电能来维持负载的正常运转，供电转换时间为零，真

正实现了不间断供电。该类UPS供电质量高，但价格昂贵。

在线互动式UPS以网络使用为主，它结合了离线式效率高和在线式供电

质量高的特点，与离线式UPS相比切换时间短。

一台UPS应该包括传统意义上的以下环节和功能：能在各种复杂的电网

环境下运行；在运行中不会对市电产生附加的干扰；输出电性能指标应该是全

面的、高质量的，能满足奂载的各项要求；UPS本身应具有很高的效率，有接

近实际市电的输出能力；是一台智能化程度很高的设备，有高度智能化的自检

功能，自动显示、报警、状态记忆功能，以及通讯功能；UPS不仅向由它直接

供电的各种硬件设备提供全面的保护，在互联网时代，还应该向他们所运行的

软件以及数据传输途径提供安全可靠的保护，可配置相应的电源监控软件,使

其具有远程管理能力，使用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控和数据通

讯操作。

2.2UPS与网络和数据密切相关

随着技术的发展，现在的UPS,特别是中大型UPS,不只是一台停电后

可以继续向负载供电的整机产品，而且已成为一个小型的，或者说局部的高度

可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。在网络化时代，UPS已经成为一个

高度智能化的设备，它对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的

传输途径进行全面的保护，使之成为不间断网络。

它具有如下技术特性。

2.2.1高可靠性

具有能在365天（每天24h）连续提供高质量输出电压的供电能力。这就

意味着，在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断或停阻事

故，也小允许出现由市也经交流旁路直接向负载供电的局面。为此，要求UPS

供电系统应满足如下要求：

1）UPS单机本身的故障率低，目前大型UPS产品的平均无故障工作时

间（MTBF）可达（2-4）X105h；

2）采用具有高度容错功能的“N+1”型UPS冗余并机系统来进一步提

高UPS供电系统的可靠性（“1+1”型冗余并机系统的典型MTBF值可达（14〜

20）X105h）；

3）在整套UPS供电系统中，不应存在单点瓶颈性故障隐患；

4）允许在UPS逆变器连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操

作；

5）万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响范围缩小到尽

可能小的范围。

2.2.2高抗干扰性

UPS供电系统能使互联网设备决得100%的高可利用率（低误码率，低数

据传输丢失率、高网络接通率），创造优良的运行环境C

大量的运行实践表明，电源干扰问题是造成互联网设备可利用率下降的

重要原因之一。能否尽可能地消除电源干扰是确保信息网络能否获得100%的

高可利用率的关键所在。应当说明的是，电源干扰不仅来源于普通的市电电

网，还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置

在1DC（互联网数据中心）和MK（多媒体数据中心）机房内的服务器、磁盘阵列

机、交换机等均内置有开关电源。这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系

统反射3〜23次谐波干扰，其可能带来的后果之一是降低语音通话质量。实践

证明，过大或过多出现电源干扰，轻者会导致互联网的传输速率下降、网络服

务器的数据丢失率增大、Modem的上网掉线率增大等隐形故障，从而导致互联

网设备被迫进入降额使用状态，严重时还会导致网络瘫痪。从这个角度来看，

高速信息网络技术的迅猛发展在给UPS产业带来巨大商机的同时，也对UPS所

能提供的供电质量提出更为严格的要求。

2.2.3具有防雷击及抗浪涌的功能

雷击、闪电及电网上的浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如

无相应的保护措施，将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS

应具有这方面的保护电路,其指标应符合国家及国际安规标准。

2.2.4过载能力强

由于计算机等属于整流滤波型负载，在启动时往往有较大的瞬态冲击电

流，如果UPS的过载能力弱，有可能造成严重后果导致系统不能正常运行。

2.2.5智能化监控

在UPS和计算机/网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软

件管理UPS的运行、操作，当市电中断或UPS蓄电池电压处于低限时，监控软

件可将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机，然后关闭UPS,避免因

电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失,以实现数据的完整性

保护。

2.3EPS的兴起及现状

EPS已被厂.泛应用于建筑里与领域和特殊应急供电场合。随着社会发

展，越是信息化、现代化，就越依赖于电力。突然的断电必然会给人们正常的

生活秩序和学习带来影响，尤其是对于生产、生活中特别重要的负荷，一旦中

断供电，将会造成重大的经济损失。然而，电力故障具有突发性，不以人们的

意志为转移，即使电网设施再先进，意外的断电也在所难免。目前，城市供电

系统的安全对策一般是采用并网供电，为城市电力提供可靠的电源保护。但从

企业及工业、民用建筑使用情况来看，仅仅靠公用电网还远远不够，必须具备

应急供电系统(EPS),其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电

力，以有效降低因为断电而造成的损失，为人们生产和生活安全提供保障。因

此，EPS也被称为“城市生命线系统”的重要组成部分。

2.3.1EPS的分类

目前市场上的EPS品牌众多,大家在设计上所采用的控制方式和控制手

段不尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于

应急照明和事故照明的单相EPS；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应

用于空调、电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供

电的三相系列EPS；三是直接给电动机供电的变频系列即S。

2.3.2EPS的设计要求

EPS可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业，相比于发展成熟

的UPS而言，有相同之处，也有不同之处。其相同点在于都具备在市电故障(中

断)情况下继续向负载提供交流电源的功能，均采用了【GBT逆变技术和脉宽调

制(PWM)技术。不同之处是UPS除了提供不间断供电外，还兼备改善市电品质的

功能，而EPS则主要解决市电故障时的应急供电问题；UPS主要是为IT行业设

备提供用电保障，EPS则适用于各种行业；UPS供电模式要求切换时间很短(0〜

10ms),EPS则相对较宽(0〜4s)；UPS主要带计算机类负载,而EPS所带负载混

杂；UPS对于运行环境要求较高，EPS则要求能适应各种环境：UPS以一般用户

监控为主，EPS主要用于应急供电，要求与消防联动；UPS以维护信息传输畅通

为主要目的，EPS以防范重大灾难事故为主要目的。可以形象地比喻，UPS以

“救数据”为主，而EPS以“救人”为主。一般EPS功率较大，机内的逆变器

处于备用状态，因而可以简单地理解为：EPS就是大功率后备式UPS。

鉴于EPS的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力

供应，有效避免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则。因此，在设计EPS

时应着重考虑其安全性、可靠性、适用性及合理性。主要有：

1）断电转换时间一般在亳秒级（25ms）,以保证供电的及时性；

2）负载适应能力强，包括电容性、电感性、混合型负载，而且过载能

力和抗冲击能力强；

3）有多路输出，防止输出单一形成的故障；

4）有消防联动和远程控制信号，可手动与自动相互转换；

5）环境适应能力强，适用于各种恶劣环境，有防止高低温、湿热、盐

雾、灰尘、震动及鼠咬等措施；

6）使用寿命长，有电池快速充电能力和管理能力；

7）节能，运行效率高，运行成本低；

8）有无人值守、自动操作功能；

9）报警功能齐全，能及时提供各种异常状况的报警：

10）有强启动功能，避免电池环节保护后无法启动；

11）无烟雾、无噪音、无公害等；

12）维护简单，维护费用低。

2.3.3EPS的设计原理

1）应急照明和事故照明类照明型的EPS一般以单相为主，主要为应急

照明场合（商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等）提供集中供电，如图2

所示。当输入电源正常时，市电一路通过转换装置输出给日常照明，另一路通

过充电器给电池组充电，当控制器检测到市电中断或异常（偏低或偏高）时,向

逆变器发出启动信号，并控制互投转换装置转至逆变器输出。当然，对于EPS

的接法不同，还可以把EPS当作二路电源、三路电源使用。

图2照明EPS的供电系统

2）应急照明及混合型负载类此类型EPS一般适用于负载性质比较复杂

的场合，譬如既有照明型负载，又有动力型负载，所以一般以三相居多，如图

3所示。适用场合为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。

图3混合负载型EPS供电系统

3）电机专用的变频起动类此种类型EPS主要为电机类负教而设计，避

免因电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。被广泛应用于大功率电动机负

载，比如电梯、消防水泵、大型风机等。与其他EPS的不同之处是此类EPS一

般只有单路输出，如图4所示。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供

直流电，同时经充电器对电池组充电；当三相输入断电或异常时，自动转由电

池组给变频器提供直流电,当需要电机负载工作时，送给变频器启动信号（运行

信号、远程控制信号等），变频器会立即输出。从0〜53Hz变频，供给电动机进

行变频起动，当其频率到达50Hz后保持正常运行。

图4电机专用型EPS的供电系统

2.3.4EPS领域的现状

随着蚀的不断发展，众多的智能大厦拔地而起，人们在对其居住环境

提出了更高要求的同时，也提出了电力保障和消防安全问题。但EPS的起步较

发电机和UPS要晚，人们对其认识的程度还不够，所以在众多的应急供电场

合，还是以发电机和UPS为主要应急供电方式来实现EPS的功能。就提供应急

供电能力而言，这两种方式已暴露出许多不足之处。

1）用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最

常见的应急备用电源，由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时

间长，所以已经有较长的应用历史。然而，无论发电机的起动速度有多快，从

停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频率等达到稔定可以供电

时为止，至少需要数十s至数min,这段时间，所有用电设备均停止工作，就

可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。而EPS的启动一般不会

超过25ms,所以不会影响设备的正常工作。

另一方面，柴油发电机应用在应急供电场合，有诸多不利之处，主要

有：

（1）在高层建筑中，柴油发电机组一般放在地下室，设计难度大，造

价高，配备进风、冷却、排烟、减震、消音等设施都需要充分考虑；

（2）存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”，万一失火，

后果不堪设想；

（3）日常维护比较频繁，工作量大；

（4）柴油发电机噪音大，产生公害；

（5）排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。

以负载容量为200kW为例，将EPS与柴油发电机组的性价比作一个比

较。选用EPS时，其额定功率与负载功率比为1：1即可，其总价约为60万元

左右。而选用柴油发电机时，其额定功率与负载功率比应为1.3〜L5：1,对

200kW的负载，柴油发电机组需250kVA规格，该机组价格为40万元左右，但

是除机组本身价格之外，还需外加其他辅助装置费用约16〜29万元，现以20

万元计算，即选用柴油发电机组总价为60万元左右。所以，二者价格相差不

多。从中也不难看出，如果EPS容量小于200kW时，其价格要小于柴油发电机

组的综合造价。目前消防应急供电场合的负载总容量一般在200kW以下，从投

资的长远利益考虑，EPS较柴油发电机组经济得多.

2）用UPS作为应急电源EPS从原理结构上和UPS大同小异。在线式

UPS不论市电是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入一整流一

逆变一输出”的顺序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出，如图

5所示。而EPS,当市电正常时，市电通过开关S输出给负载，同时充阻器对电

池充电。当控制系统检测到市电停电时,逆变^工作，使开关S切换全逆变输

出状态，向负载提供电能，如图6所示。

图5UPS供电系统

图6EPS供电系统

从以上供电系统图可以看出，UPS是一种双变换结构的不间断电源，主

要为负载提供稳定的高质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般

在10ms以内，所以，UPS被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密

电子仪器等不能中断供电的场所。但正因为UPS不仅担负着应急供电外，还担

负着改善电力品质的任务，所以其逆变器要连续不断地工作，使用寿命相对较

短，一般为5〜8年，尤其是电池的更换较为频繁。另一方面，UPS的逆变器长

期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要求很高，只能放在计算机

房或空调房间里。

UPS专为IT行业的计算机类和通讯类负载而设计，其负载适应能力不

及EPS,举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负

载，那么在UPS的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起

动电流通常是其额定电流的5〜7倍，而UPS的过载能力标准规定：过载125%

时，A类为lOmin,B类为Imin,C类为30s；过载150%时10s。如果想要UPS

能承受电动机起动电流的冲击能力，势必要增大UPS的额定容量，这无疑将加

大投资，还未必能彻底解决问题。因此，选用UPS作为应急电源，工作既不可

靠，还得花费大量资金。

3UPS/EPS的发展趋势

3.1UPS的控制技术

中小型UPS的AC/DC和DC/AC变换大多数仍采用模拟控制电路,AC/

DC变换器的控制芯片大多数已集成化,使用简单，工作可靠。DC/AC变换器的

控制有两种基本方式，一•种是单闭环控制，另一种是双闭环控制。前者控制电

路简单，但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环，

电压调节器的输出为电流调节器的给定，因此，限制电流给定幅值也就限制了

逆变器的最大输出电流。

当前，数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，数字控制器具有

精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测、故隙诊断和隔离，易于实现

遥控遥测，实现多台UPS的并联和热插拔，易于实现对蓄电池的监控和管理。

也就是说，计算机的介入使UPS具备了智能化，可以使其运行在最优状态。

3.1.1DSP的应用

采用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术，是数字控制技术的核心，

用于保证UPS输出电压的质量，即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技

术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS的初始自检和运行自

检，进行故障保护和故障隔离，这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器

的灵活性，使UPS控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维

修，也大大提高了工作可靠性。

3.1.2控制电路的全微处理器化

UPS电路是由以下几部分组成的：主电路、驱动电路、监控显示及控制

保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路，

可以运用数字化设计技巧简化其电路，并解决原类比电路需要调整、具有温漂

及参数调整不易的缺欠。采用的方法是：

1)全微处理器化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通

信界面电路的功能：

2)半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路，而由处理器处

理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。

3.2蓄电池技术

蓄电池是UPS的心脏，不管UPS电路多么先进，其性能最终取决于它的

电池，一旦电池失效，再好的UPS也无法提供不间断供电。

目前，UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，由于采用阴极吸收式密

封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有“免维护”、使用方

便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料，减

少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜，阻止

了活性物质脱落，提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体，

乂可使已产生的氧气被负极铅所吸收，使蓄电池尢水的损失，达到了密封免维

护的目的。

一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约

要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(旭van3cdBattery

Management)三阶段电池管理方案,即充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡

充电，将电池容量充到90%；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100%,

然后停止充电；第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流

放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前

那种充满电后，仍使电池处于一天24h的浮充状态，因此延长了电池的寿命。

金属化银氢电池具有高能量密度的优点，而且又无银镉电池可能造成的

镉污染，将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。

美国Alupower公司研发的高功率铅一空气备用电源装置(RPU),运行250h,功

率从600W到6000W,电压有DC24v和48v两种，其能量密度是铅酸电池的十多

倍，重量只有铅酸电池的1/10,所占空间只有铅酸电池的1/7,有望取代铅

酸蓄电池应用于UPS。

3.3UPS的冗余技术和在线维护(热插拔)

开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式，这种运行

方式即所谓N+1冗余供电方式，用于取代主备方式，使电源的可靠性大幅度提

高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同，因此使电源成本提高，而且在

转换时还会造成电能中断。N+1冗余供电方式不仅降低了电源成本，并且还保

证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电遮模块提

供分布式电源，所有的模块并联运行并平均负担当前的负载，电源阵列比额定

容量多配置一个功率模块,当一个模块出现故障时，特设的电路将故障模块从

负载上断开，其它模块将立即支持所有负载，使其连续不间断地供电。替换模

块后UPS的控制电路和蓄电池均能在线运行。这种灵活的模块化设计，用户可

以白行堆叠电池模块，以增加UPS的输出功率，延长供电时间，大大增强了电

源的可靠性。

UPS的并联和热插拔技术要比开关整流器的并联复杂得多，这是因为交

流电的变量比直流电多，有相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个变量，

其任意一个与市电电源不一致，都不能使UPS投入电匣。在投入电网后还必须

不断地检测各台UPS输出的有功功率和无功功率，通过调节电压和相位实现各

UPS输出有功功率和无功功率的平均分配。

由此可见，UPS的并联工作有3个方面。一是正常工作的UPS自动投入

电网，二是并联运行的UP5之间，有功功率和无功功率的均匀分配，三是UPS

退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障UPS。这3个要求的实

现，也就解决了UPS的热插技术。

3.4智能化UPS的管理系统

所谓智能化UPS,是指将传统IPS通过与计算机相连的硬件接且，结合

特殊设计的软件，以提供计算机及数据资料的双重保护。当前UPS智能化技术

有两个方面：一是加强UPS新功能，与服务器上的软件协同工作，使UPS除了

完成最基本的不间断供电功能外，还能实现网络上事件记录、故隙告警、参数

自动测试分析和调节等；另一方面是加强UPS的节能功能。

智能化的口不，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，还应具备的

功能是：

1）对运行中的UPS进行监测，随时将采样点的状态信息送入计算机进

行处理，一方面获取UPS工作的有关参数，另一方面监视电路各部的工作状

态，从中分析电路各部分工作是否正常；

2）故障时，根据监测的结果进行故障诊断，指出故障部位，给出处理

办法；

3）完成部分处理工作，除了实现对UPS工作的控制外，还能在发生故

障时，根据需要采取必要的应急控制，此外通过对整流部分的控制，按照对不

同蓄电池的不同要求，自动完成对蓄电池的分阶段充电；

4）自动显示所检测的参数，在异常或发生故障时，可以自动记录有关

异常或故障的信息；

5）按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记

录文件；

6）能够用程序控制UPS的启动或停机，实现无人值守的自动操作；

7）具有交换信息功能，可以随时向计算机输入信息或从计算机获取信

息；

8）通过通信接口与计算机互联,实现网络化监控管理。

推动UPS技术发展的主要动力在于全球计算机网络的迅速发展。为了使

UPS能够更好地适应网络环境的要求，UPS正在向网络化管理和控制方向发展。

新型的网络UPS采用•个集成的SNMP适配器，掉电期间，即使UPS不能通过网

络传递信息，用户也可以依靠UPS通过串行端且适时关闭服务器，适配器接到

UPS通信端口上，以实现网络可维持局部停机控制。网络管理人员通过网络中

的网管平台，将UPS作为一个网络设备来管理，实时处理电源故障及UPS状态

报警。SNMP适配器和管理软件相配合可以同时向任何管理站发出电源故障及

UPS状态报警。在无人值守的情况下，当市电中断时，软件会发出告警信息，

并开始倒计时，当倒计时计数到零时或电池耗尽前，软件即关闭应用程序，并

将现场资?性存盘后关闭系统，向UPS发出关机命令，切断UPS,当市电恢复后

可自动启动UPS。

智能化的网络UPS最基本功能是在长时间断电的情况下，能安全、自动

地关闭网络，确保网络系统及数据的安全性。此外，通过远程控制装置，用户

也可以在远方通过电话遥控UPS,有些LPS还可将UPS状态或报警信息通过电

子邮件、传真机或主机等通知外出网络管理人员。

3.5提高UPS的可用性

从20世纪90年代中期开始，随着信息技术的高速发展和网络时代的到

来，对UPS可用性的要求越来越高。所谓UPS的可用性，其物理概念是，在规

定的使用期间内，UPS的正常运行时间与整个时间的比例。根据这个定义要提

高UPS的可用性有两个办法：一是提高UPS的平均无故障时间VTBF,二是降低

UPS的平均修复时间MTT%提高UPS本身MTBF的传统做法是，提高功率开关器

件的规格和档次；改进控制技术，提高逻辑控制组件的规格和档次；使用更先

进的主电路结构；提高智能管理和通信功能；严格生产工艺，加强质量管理

（IS09000）等。但当MTBF提高到一定程度后其效果就不明显了。用降低MTTR的

办法，效果是非常明显的，降低UPS的MTTR的做法有如下几种。

1）一般的做法是加强对UPS,特别是其中的关键部件的维护；充足的

备件并保证其完好性；加强对维护人员操作技能的培训，特别是用户在采购

UPS时就要求厂家对售后服务（包括备件提供、反应时间和修复速度）条件做出

严格承诺。

2）UPS的模块化+冗余配置，把整个UPS按电路功能分成几部分，并

在结构上设计成可以插拔的模块，例如功率模块（包括整流器和逆变器）、电池

模块、智能管理和通信功能模块。

3）UPS的冗余并机配置，在UPS中，可以把控制电路集中起来作为一

个独立的可插拔模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中，作为一个可

以热插拔的模块。为了适应多台UPS并联供电，也可以把每台UPS看作一个模

块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后热插拔修复，或者使每

台UPS都具备直接并机的功能。

4）用集成设计提高UPS的可用性，以适应由多种设备组成供电系统的

需要。集成化UPS供电系统的基本思想和原则是，供电设备制造和供应的统一

化和标准化；系统中供电设备和包括负载机架结构的•体化和连接的规范化；

系统中各供电设备和环节（包括负载机架中的PDU）电源状态管理的集中化；

系统中各供电设备和环节结构的模块化和连接的热插拔功能。

一个完整的供电系统的组成，除UPS设备外，还有输入配电柜、ATS转

换开关、变压器、瞬态电压浪涌抑制器、负载配电开关柜、柴油发电机、交流

稳压器、电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插板，上百乃至几百个连

接点和相应的传输线。对于一个复杂的供电系统如何提高其可用性呢?仅仅解决

UPS设备的可靠性显然是不够的，根据系统实际运行的故障数据表明，直接由

于UPS故障引起系统宕机的比例毕竟是较少的，由于系统中其他设备和环节以

及人为事故造成的故障，或者由此引发的UPS故障占大多数。但是模块化、冗

余配置、热插拔修复等设计原则还是适用的。当然，系统中各种设备和管理的

标准化、统一化和集中化，减少单路径故障点和大面积掉电的隐患，加快建设

速度和安装的规范化、对环境和负载变化的适应性和系统的可扩展性、降低维

护管理的难度和减少人为事故的几率等问题，也是要研究和解决的重点。

图7是集成化UPS供电系统示意图，虚线框内是集成化所包含的内容。

图7集成化UPS供电系统示意图

集成化U