模塊化UPS測(cè)試探討

李 菁，周啟龍

（中國(guó)電信股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢430070）

1 前 言

近年來(lái)，模塊化UPS技術(shù)有了較大的發(fā)展，在通信業(yè)界得到了越來(lái)越多的推廣應(yīng)用。模塊化UPS作為新技術(shù)其可靠性、高效性、可維護(hù)性還有待在測(cè)試和應(yīng)用中檢驗(yàn)和完善。

2 模塊化UPS測(cè)試的目的

模塊化UPS測(cè)試的主要目的是檢驗(yàn)各品牌模塊化UPS的外觀結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)、功能性能是否滿(mǎn)足通信應(yīng)用場(chǎng)景的要求。通過(guò)測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、產(chǎn)品等存在的問(wèn)題，消除設(shè)備隱患，引領(lǐng)設(shè)備廠家的技術(shù)改進(jìn)和完善，提升設(shè)備的安全性、可靠性、易操作性和可維護(hù)性。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試，也可以使維護(hù)人員深入了解模塊化UPS產(chǎn)品和技術(shù)，為今后模塊化UPS的應(yīng)用、維護(hù)和選型積累經(jīng)驗(yàn)。

3 模塊化UPS測(cè)試的內(nèi)容

《YD／T2165－2010通信用模塊化UPS不間斷電源》的第五部分，對(duì)于模塊化UPS的要求包含：一、環(huán)境條件，二、外觀與結(jié)構(gòu)，三、電氣性能，四、電磁兼容性，五、抗擾性，六、保護(hù)功能，七、風(fēng)扇故障告警，八、防雷性能，九、熱插拔功能，十、電池組智能管理功能，十一、手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)（可選），十二、監(jiān)控功能，十三、系統(tǒng)告警功能，十四、接地性能，十五、安全要求，十六、可靠性。《YD／T2165－2010通信用模塊化UPS不間斷電源》的第六部分，對(duì)包含外觀與結(jié)構(gòu)等共計(jì)37個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試方法進(jìn)行了說(shuō)明。

與設(shè)備廠家的出廠檢驗(yàn)測(cè)試不同，作為產(chǎn)品使用者的通信運(yùn)營(yíng)商等用戶(hù)進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)收測(cè)試沒(méi)有必要也不可能進(jìn)行所有項(xiàng)目的全面測(cè)試，部分測(cè)試內(nèi)容可查閱泰爾認(rèn)證等第三方的測(cè)試報(bào)告。由模塊化UPS產(chǎn)品用戶(hù)組織進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)模塊化UPS應(yīng)用場(chǎng)景、關(guān)鍵指標(biāo)和差異化需求等來(lái)制定。

根據(jù)武漢電信公司的經(jīng)驗(yàn)，推薦檢測(cè)以下內(nèi)容：

（1）外觀與結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)組成、母排纜線規(guī)格、絕緣防護(hù)等。

（2）性能指標(biāo)：①系統(tǒng)效率；②諧波；③頻率跟蹤范圍和跟蹤速率；④逆變旁路轉(zhuǎn)換時(shí)間；⑤功率模塊過(guò)載能力；⑥功率模塊輸出電流不均衡度；⑦旁路電流不均衡度；⑧空載環(huán)流。

（3）保護(hù)功能：如有條件，進(jìn)行全部保護(hù)功能的測(cè)試。

（4）故障模塊自動(dòng)退出。

（5）電池組智能管理功能。

（6）監(jiān)控功能。

（7）系統(tǒng)告警功能。

4 模塊化UPS的廠驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

由用戶(hù)組織的模塊化UPS驗(yàn)收測(cè)試，一般包含兩個(gè)部分：廠驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

4.1 廠驗(yàn)測(cè)試

側(cè)重于模塊化UPS設(shè)備在組成、外觀與結(jié)構(gòu)、主要電氣指標(biāo)、功能性能測(cè)試的詳細(xì)檢查。關(guān)鍵是要進(jìn)行多模塊并聯(lián)、長(zhǎng)時(shí)間帶載下的運(yùn)行測(cè)試。

但目前受限于廠家實(shí)驗(yàn)室條件和差異，測(cè)試存在局限性：

（1）不能進(jìn)行系統(tǒng)滿(mǎn)載測(cè)試，只能進(jìn)行模塊滿(mǎn)載測(cè)試。

（2）UPS輸入輸出無(wú)法模擬通信局站的復(fù)雜配電情況。

（3）測(cè)試廠家提供的UPS產(chǎn)品，而非實(shí)際使用的UPS產(chǎn)品。

（4）不能按實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景配置UPS電池組進(jìn)行測(cè)試。

（5）不能測(cè)試UPS與油機(jī)的配合。

（6）只能測(cè)試廠家監(jiān)控軟件的運(yùn)行情況。

希望模塊化UPS廠家能夠不斷提升實(shí)驗(yàn)室條件，提升廠驗(yàn)水平，將廠驗(yàn)作為測(cè)試關(guān)鍵指標(biāo)和重要功能的必要環(huán)節(jié)，以便盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷和瑕疵，盡早解決和完善。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

側(cè)重于應(yīng)用于通信機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)的由模塊化UPS、輸入輸出配電屏、蓄電池組、油機(jī)、動(dòng)環(huán)監(jiān)控等組成的不間斷供電系統(tǒng)的測(cè)試。重點(diǎn)針對(duì)于廠驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和未驗(yàn)證的項(xiàng)目：

（1）UPS輸入輸出波形、諧波、輸出零地電壓測(cè)試。

（2）UPS全部模塊滿(mǎn)載或重載測(cè)試：穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能、市電電池及逆變旁路切換等。

（3）UPS電池管理功能測(cè)試：放電記錄、充電管理、溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

（4）UPS與油機(jī)的配合測(cè)試：UPS輸入側(cè)諧波、功率因數(shù)；油機(jī)輸出頻率、UPS的頻率跟蹤范圍和速率等。

（5）UPS接入動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試：系統(tǒng)正常工作方式／電池／旁路供電、過(guò)載、市電故障、功率模塊故障等重要狀態(tài)與告警。系統(tǒng)主輸入與旁路輸入電壓、輸出電壓與電流、以及模塊和電池組等遙測(cè)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是設(shè)備運(yùn)行前的最后一關(guān)，主要關(guān)注模塊化UPS工作模式變換、運(yùn)行安全性、可維護(hù)性等功能性項(xiàng)目，對(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，尤其是特異性問(wèn)題要進(jìn)行深入分析，進(jìn)行反復(fù)“測(cè)試－－改進(jìn)－－再測(cè)試”的往復(fù)循環(huán)直至解決，切忌存疑。

5 模塊化UPS測(cè)試的情況

5.1 測(cè)試的總體情況

近年來(lái)，經(jīng)過(guò)對(duì)多種品牌、規(guī)格的模塊化UPS進(jìn)行測(cè)試和應(yīng)用，從外觀結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、功能驗(yàn)證三個(gè)主要項(xiàng)目來(lái)看，測(cè)試結(jié)果基本合格。相比于傳統(tǒng)UPS，模塊化UPS在效率（如表1）、輸入諧波等指標(biāo)上更優(yōu)，采用功率模塊N＋X、旁路模塊N＋1方式使UPS系統(tǒng)的可靠性更高，可維護(hù)性更好，體現(xiàn)了模塊化UPS的優(yōu)勢(shì)。

表1 傳統(tǒng)UPS與模塊化UPS效率對(duì)比

5.2 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

5.2.1 功率模塊內(nèi)器件燒毀導(dǎo)致輸出中斷

羊肚菌是珍稀名貴食用菌，具有獨(dú)特的風(fēng)味、豐富的營(yíng)養(yǎng)和重要的保健作用，特別是在益腸胃、助消化、防癌抗癌和補(bǔ)腎助陽(yáng)、補(bǔ)腦提神及提高人體免疫力等方面有明顯的功效，因而備受?chē)?guó)內(nèi)外高端消費(fèi)市場(chǎng)的青睞。

【問(wèn)題描述】某模塊化UPS在現(xiàn)場(chǎng)帶載測(cè)試中發(fā)生了功率模塊內(nèi)部器件燒毀，同時(shí)導(dǎo)致輸出明顯中斷。

【原因分析】

（1）功率模塊器件燒毀的原因

如圖1所示，逆變2管由于體二極管工藝特性影響，其驅(qū)動(dòng)在工作過(guò)程中容易受到干擾，出現(xiàn)了誤導(dǎo)通。逆變2管當(dāng)受干擾導(dǎo)致本該處于截止?fàn)顟B(tài)的2管誤導(dǎo)通，此時(shí)逆變3管和4管處于正常的導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致逆變1管承受的電壓應(yīng)力為正負(fù)BUS電壓之和，高達(dá)800 V以上，造成逆變1管因耐壓擊穿而損壞。

圖1 功率模塊電路示意圖

（2）功率模塊故障導(dǎo)致輸出中斷的原因

功率模塊故障應(yīng)及時(shí)退出系統(tǒng)，不允許輸出中斷。根據(jù)《GB50174－2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》電子信息設(shè)備供電質(zhì)量要求，允許斷電持續(xù)時(shí)間A級(jí)為0～4 ms，B級(jí)為0～10 ms。

此類(lèi)功率模塊損壞相當(dāng)于輸出發(fā)生了短路，由于原設(shè)計(jì)中功率模塊的輸出保險(xiǎn)管熔斷速度較慢，其I2T值（熔化熱能）較大，發(fā)生短路故障后其不能及時(shí)熔斷，導(dǎo)致該模塊不能及時(shí)退出，系統(tǒng)上其它模塊向該故障模塊持續(xù)灌入大電流，導(dǎo)致系統(tǒng)較長(zhǎng)一段時(shí)間處于輸出短路狀態(tài)，輸出電壓被持續(xù)拉低。

【解決措施】

功率模塊增加保護(hù)功能設(shè)計(jì)：

（1）逆變電流快速保護(hù)功能：功率管驅(qū)動(dòng)受干擾誤導(dǎo)通時(shí)，逆變電流遠(yuǎn)大于正常工作電流，檢測(cè)到異常電流時(shí)即可判斷逆變工作異常，觸發(fā)模塊退出機(jī)制。與逆變快速保護(hù)相比，此保護(hù)電流更大，檢測(cè)時(shí)間更短。

（2）逆變電壓快速保護(hù)：功率管受干擾誤導(dǎo)通時(shí)，逆變電壓波形將出現(xiàn)畸變，對(duì)逆變波形與理想波形進(jìn)行比較，比較檢測(cè)到電壓波形畸變即觸發(fā)保護(hù)。

5.2.2 輸入側(cè)諧振

【問(wèn)題描述】某臺(tái)模塊化UPS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：UPS空載開(kāi)機(jī)后，UPS輸入電壓波形畸變嚴(yán)重；UPS關(guān)機(jī)后，輸入電壓波形正常；UPS空載輸出零地電壓為5 V，遠(yuǎn)高于《GB50174－2008電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》的零地電壓為2V的要求；UPS開(kāi)機(jī)后，配電機(jī)房的ABB空開(kāi)能聽(tīng)到明顯的嗡嗡聲。

【原因分析】

整體配電示意圖如圖2，取了三相中一相進(jìn)行說(shuō)明：

圖2 模塊化UPS配電示意圖

從配電示意圖可以看到從低壓配電柜至UPS電路中存在多個(gè)電感和電容，不同的電感和電容組合會(huì)有不同的諧振點(diǎn)，諧振頻率f＝1／2π。當(dāng)UPS帶較大負(fù)載功率工作時(shí)，電路上流過(guò)較大的電流。由于市電電壓和UPS的輸入電流都不可能為完美的正弦波，其必然含有一定的高次諧波，該高次諧波中與諧振頻率相同的電流成分會(huì)導(dǎo)致LC產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生較大的諧振電流。負(fù)載越大，電網(wǎng)上流過(guò)電流中高次諧波電流也越大，相當(dāng)于諧振的激勵(lì)源也越大，所以負(fù)載加重時(shí)，諧振現(xiàn)象會(huì)更為嚴(yán)重。

模塊化UPS輸入側(cè)諧振的形成與其應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的配電電路相關(guān)，因此現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要關(guān)注輸入側(cè)電壓電流波形、輸出側(cè)零地電壓的檢查。

【解決措施】

改進(jìn)必要性：諧振是大功率UPS在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)可能會(huì)遇到的問(wèn)題。諧振不僅影響模塊化UPS正常運(yùn)行，同時(shí)對(duì)整個(gè)機(jī)樓配電系統(tǒng)乃至電網(wǎng)都是損害。

諧振產(chǎn)生需要以下條件：（1）電路中存在諧振源，即電路中的電感、電容；（2）電路中存在激勵(lì)源，即UPS或其它電源設(shè)備；（3）激勵(lì)源中有與諧振源頻率一致的激勵(lì)電流。只要任何一個(gè)條件不滿(mǎn)足，諧振就可以得到抑制。

圖3 諧振抑制箱示意圖

抑制諧振的方法是改變電路的LC即可改變諧振頻率。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用條件，一般通過(guò)諧振抑制插箱（如圖3），將該插箱插入U(xiǎn)PS模塊柜的空余槽位即可改變電路中的諧振頻率，抑制諧振的產(chǎn)生（如圖4）。

5.2.3 電池放電時(shí)斷開(kāi)電池開(kāi)關(guān)UPS轉(zhuǎn)旁路會(huì)中斷

【問(wèn)題描述】某模塊化UPS測(cè)試時(shí)電池放電時(shí)手動(dòng)斷開(kāi)電池開(kāi)關(guān)，UPS轉(zhuǎn)旁路。輸出波形有2個(gè)周波約40 ms的畸變（波峰值為160 V），并有5 ms的波峰值跌落至80 V。同時(shí)，在2011年中國(guó)電信集團(tuán)組織的模塊化UPS功能性測(cè)試中此問(wèn)題較普遍。

圖4 諧振抑制前后輸入波形對(duì)比圖

【原因分析】當(dāng)UPS系統(tǒng)在無(wú)交、直流供電時(shí)，逆變的輸出完全靠模塊內(nèi)部電容放電維持，所以隨著電容放電、直流母線電壓逐漸降低，逆變輸出會(huì)出現(xiàn)削頂?shù)牟ㄐ巍Ｓ捎谠O(shè)計(jì)人員考慮到出現(xiàn)這種問(wèn)題的概率很低，原來(lái)靜態(tài)開(kāi)關(guān)的默認(rèn)欠壓保護(hù)切換值為176 V，再加上采樣判斷時(shí)間，因此就出現(xiàn)切換時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象。

因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)有必要進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試來(lái)模擬電池放電下出現(xiàn)故障導(dǎo)致切換旁路的情況，檢驗(yàn)切換旁路時(shí)輸出是否中斷。

【解決措施】

改進(jìn)必要性：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，UPS系統(tǒng)故障的40%為電池故障。一旦在電池放電時(shí)由于電池性能的原因?qū)е码姵亟M斷開(kāi)，UPS必須要能快速由逆變切換到旁路，不能因切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致UPS的瞬斷。

（1）該廠家改進(jìn)了控制電路，首先將靜態(tài)開(kāi)關(guān)的逆變欠壓保護(hù)值由原來(lái)的176 V提升到198 V，同時(shí)改進(jìn)采樣電路，判斷時(shí)間的速度提高一倍，這樣使切換時(shí)縮短，波峰的跌落不至于很低，輸出電壓仍在允許范圍之內(nèi)時(shí)就切換到旁路，保證切換過(guò)程負(fù)載不掉電。（2）還有廠家采用母線電壓 ＋ 輸出電壓雙檢測(cè)，但主要依靠母線電壓故障檢測(cè)模式，保障故障在前端及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，避免純粹依靠后端輸出電壓檢測(cè)方式增加切換時(shí)間。

5.2.4 旁路模塊不能更換或不能在UPS逆變工作下更換

【問(wèn)題描述】測(cè)試過(guò)多個(gè)品牌的模塊化UPS，普遍存在旁路模塊不能更換，或不能在正常逆變工作下更換，部分產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)將UPS從逆變工作轉(zhuǎn)入旁路工作后進(jìn)行更換。同時(shí)，在2011年中國(guó)電信集團(tuán)組織的模塊化UPS功能性測(cè)試中此問(wèn)題較普遍。

【原因分析】此問(wèn)題有以下原因：（1）旁路模塊非獨(dú)立功能設(shè)計(jì)，它不但具備旁路控制功能，還整合了模塊化UPS監(jiān)控系統(tǒng)通信和供電接口、并機(jī)通信線接口、維修旁路狀態(tài)檢測(cè)接口。因?yàn)榫邆渲匾谋O(jiān)控功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)在逆變工作下將故障的旁路控制模塊退出。（2）旁路模塊是獨(dú)立模塊化，但設(shè)計(jì)人員為了防止在更換時(shí)，逆變工作突然轉(zhuǎn)入旁路工作導(dǎo)致輸出中斷，從控制電路設(shè)計(jì)上就防止旁路模塊在逆變狀態(tài)下進(jìn)行更換。

【解決措施】

改進(jìn)必要性：旁路模塊不能更換就意味著存在單點(diǎn)故障；旁路模塊只能在旁路工作方式下更換就意味著輸出中斷風(fēng)險(xiǎn)增加：旁路工作狀態(tài)就是市電，就是不可靠電源，隨時(shí)都有中斷的可能。

技術(shù)改進(jìn)的思路：（1）旁路模塊獨(dú)立功能設(shè)計(jì)。（2）通過(guò)旁路模塊1＋1并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)旁路模塊進(jìn)行正常更換。（3）旁路模塊通過(guò)先給控制電路一個(gè)“旁路不在線”信號(hào)或其它方式來(lái)鎖定逆變工作方式，然后可進(jìn)行旁路模塊更換，完成后解除鎖定。

5.3 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題匯總

在模塊化UPS測(cè)試和應(yīng)用中，雖然暴露出一些的問(wèn)題（如表2），但這些問(wèn)題主要是由于設(shè)計(jì)人員和維護(hù)人員的思路不同導(dǎo)致，而不是技術(shù)水平問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員思路是保障設(shè)備安全下兼顧成本控制，維護(hù)人員思路是確保UPS輸出不間斷。通過(guò)測(cè)試溝通，改進(jìn)后的各廠家模塊化UPS在外觀結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、功能驗(yàn)證三個(gè)項(xiàng)目上都能達(dá)到要求。說(shuō)明通信用模塊化UPS產(chǎn)品從技術(shù)、設(shè)計(jì)到行規(guī)都有待進(jìn)一步完善。

表2 模塊化UPS測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題匯總

6 結(jié)束語(yǔ)

模塊化UPS作為一項(xiàng)新技術(shù)，通過(guò)測(cè)試，我們認(rèn)為相對(duì)于傳統(tǒng)UPS而言，在高效節(jié)能、系統(tǒng)冗余、安全可靠、維護(hù)擴(kuò)容、投資成本等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

模塊化UPS技術(shù)真正應(yīng)用到通信行業(yè)的時(shí)間不長(zhǎng)，在測(cè)試中也暴露出一些的問(wèn)題，產(chǎn)品的成熟度和穩(wěn)定度仍待提升，對(duì)于其在今后應(yīng)用和維護(hù)中的風(fēng)險(xiǎn)也要做好充分的準(zhǔn)備。當(dāng)前，測(cè)試仍是檢驗(yàn)?zāi)K化UPS產(chǎn)品和技術(shù)的有效手段，需要堅(jiān)持下去。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試使用戶(hù)與廠家雙向溝通，深入交流，達(dá)成共識(shí)，促進(jìn)適合于通信應(yīng)用場(chǎng)景的模塊化UPS的技術(shù)完善，促進(jìn)不斷優(yōu)化的模塊化UPS逐漸取代傳統(tǒng)UPS，兼顧供電的安全和效率，使其真正為通信行業(yè)的節(jié)能減排和綠色發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

［1］YD／T2165－2010.通信用模塊化 UPS不間斷電源［S］.2010.

［2］GB50174－2008.電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2008.