不間斷電源節能運用的實踐

中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司 姜 寧

不間斷電源節能運用的實踐

中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司 姜 寧

介紹了UPS（不間斷電源）ECO（生態，節能，優化）模式在通信機房的運用情況。ECO模式是UPS為提高用電效率的一種運行模式，是用市電直接向IT（信息技術）負載供電。由于不需要經過整流、逆變的變換過程，減少了電能損耗，效率提高，從而達到進一步節能的效果。當市電質量不能滿足后端設備正常運行時，切換至UPS“雙變換”工作模式。通過實驗室數據與現場實踐闡述，高級ECO模式比標準ECO模式更適合通信運營商現在的運用場景，系統安全性與可靠性沒有降低。

模式； 安全運行； 節能

0 引言

通信運營商目前UPS（不間斷電源）均為在線式雙變換構架，其在工作時整流器、逆變器均存在功率損耗，運行效率僅在93%左右。UPS的高效率不僅要求帶載效率高，同時也必須具備一個較高的效率曲線，特別是在“1＋1”并機系統時，根據通信行業（江蘇移動）的維護規程，系統負載率每臺UPS容量不得大于45%。所以要求UPS必須采用優化效率措施，使UPS效率在較低負載時也能達到較高的水平。為了解決上述問題，UPS的ECO（生態，節能，優化）模式應運而生。

1 ECO模式概述

ECO以技術、環保和經濟性為設計研發的基本理念。在ECO模式下UPS運行是以提高其運行效率的一種特殊技術。國外運用很早，運用領域廣泛。UPS的ECO模式有兩種：標準模式和為高級模式。

1.1 標準ECO模式

標準ECO模式有些類似于離線式UPS（也稱作“后備式”或“在線互動式”UPS）的基本運行模式。在正常運行狀態下不投入運行。因此在正常運行中，負載實際上是直接接入未經處理的市電電源。在標準ECO模式下，UPS逆變器實際上是關閉的。

1.2 高級ECO模式

高級ECO模式中UPS逆變器實際上是工作的，只是沒有輸出。我們知道如果在逆變器處于備用狀態時發生市電中斷，則UPS的輸出電壓和電流波形都將受到負面影響。UPS需要時間來檢測、啟動逆變器，并通過電池向負載提供純凈的電源。高級模式是減少切換時間，以降低標準ECO模式的負面影響。高級模式下，逆變器始終保持“開啟”狀態，與旁路輸入電源并聯運行，但實際并不給負載供電。由于逆變器保持“開啟”狀態，當主電源發生波動或故障時，它可以完成無縫切換并繼續為負載供電。從安全性與可靠性分析，高級ECO模式更適合通信運營商。但是，在UPS效率方面，高級ECO模式比標準ECO模式低2%～3%。

2 高級ECO模式的可靠性與安全性

UPS使用中有兩條路徑可以承擔供電負載，一條是在線雙變換供電，另一條是旁路供電。當旁路激活時，負載被直接接入市電狀況下的供電。ECO模式（旁路）比雙變化模式節能，但這種節能的表現有所差異，主要取決于UPS設備的電氣架構

設計和實現ECO模式功能時采用的具體方法。目前有些維護人員或電源主管認為為了節能，不值得承擔這些風險； 而有些維護人員或電源主管通過實驗，認為可行。其實分歧的焦點是對ECO模式的理解存在差異，ECO模式有2種，標準型和高級型。標準ECO模式有風險，且不適合通信運用商在現網使用，高級ECO模式適合通信運營商在現網使用。下面是通信機房的供配電架構。

通信機房樓采用一類市電，分別從兩個獨立電源各引入一路10 kV供電線路，兩路供電線路很少出現同時檢修停電情況。低壓配電均采用“1＋1”冗余配置，系統安全性高。通信機房整體供電環境穩定，供電品質優良。UPS系統也是“1＋1”冗余配置，且是“雙重線”。所以本次實踐確定運用場景為：一個平面的“1＋1”UPS系統進行高級ECO模式并機運行，另一個平面的UPS保持原“1＋1”在線模式運行。系統架構沒有變化，只是有一個平面的“1＋1”UPS系統是經濟運行（ECO模式），這個平面ECO模式的安全性與可靠性需要用實驗數據與運行實踐來佐證。首先在實驗室模擬UPS設備在ECO模式下的運用場景，模擬在各種狀態下可能出現的問題，實驗證明可行。下面是實驗測試方法與數據。

2.1 系統安全性測試

測試系統在不同工況下，各種工作模式切換的安全性，電壓波動范圍為380 V±20%，頻率波動范圍為50 Hz±5 Hz，可能出現的閃斷的持續時間均小于5 ms。包括不同工作模式間切換時間和系統安全保護機制。測試正常。

2.2 不同負載率下系統效率

系統在不同負載率（25%、50%、75%、100%）下，測量高級ECO模式和雙變換模式下系統效率。

在高級ECO模式中我們將從旁路輸入異常、重復旁路輸入掉電異常等多個方面對UPS進行測試，觀察其在高級ECO模式下運行的可靠性。UPS #1與UPS #2并機工作在高級ECO模式，輸出100%阻性負載，斷開UPS旁路輸入電壓，UPS切換到正常工作模式，用多通道示波器觀察輸出電壓波形，輸出電壓應無異常。

高級ECO旁路輸入異常切換測試：UPS并機系統工作在ECO模式，輸出93%阻性負載，斷開UPS系統旁路輸入，UPS應該切換到正常工作模式，用多通道示波器觀察輸出電壓波形，輸出電壓應無異常。

觀察截圖1，我們可以發現，運行在ECO模式下的UPS對電源故障的檢測和轉換時間可以控制在5 ms內，后端IT設備是感知不到電源的變化。不會影響到IT設備和網絡的安全性。

2.3 ECO模式設置確保可靠運行

ECO模式設置各家機器各有不同，因為設置的敏感度太高，它可能對輕微電力干擾反應過度，導致逆變器頻繁地被反復接入，形成乒乓效應。如果敏感度過低，ECO模式的響應時間可能過長而不能及時應對市電瞬間波動做出及時反應。導致后端設備出現問題。目前的UPS具備ECO設置功能，即發現電力問題時及時退出ECO模式，在市電穩定后，重新啟動ECO模式。由于該設置沒有統一標準，不同的設備商可能設置不一樣，工作方式也不盡相同。這一點也是需要通過不同的運用場景與不同的需求來優化與完善。后期，通信運營商要考慮的是在柴油發電機組運行時，是否就ECO模式的使用制定程序，即柴油發電機組運行時強行切回“雙變化”模式，不再進行ECO模式。

因為發現市電存在電源頻繁切換時，或柴油發電機組發電時，為確保系統安全、可靠更為重要，所以減少系統切換次數，消除乒乓效應，需要及時退出ECO模式。而目前有些UPS機器已經有柴油發電機組運行的“干接點”接入信號端，后期可以考慮直接接入該信號，讓UPS知道輸入的電源是市電，還是柴油發電機發電，以提升系統的容災能力。我們本次的試運行是用穩定運行時間來判斷市電的質量，從這次的市電瞬間波動分析，它是可行的，但未必是最佳方案。日后其他運營商和廠家也可以優化該設置，或直接接入發電機發電信號，確保ECO系統安全、可靠。

3 運用案例

在運用中發生過一次市電瞬間波動，后端設備沒有任何感

知，ECO模式的UPS并機系統安全、可靠的運轉。由于瞬間波動太快，當天的“動力”環境監控系統也沒有偵察到任何波動數據，發現該事件還是我們在厲行日常維護工作，察看機器log（日志）時發現。ECO模式的UPS系統曾經發生過一次快速切換，該切換使UPS系統經歷了3種工作狀態： 電池放電（逆變器工作）、雙變換工作、ECO模式（旁路工作）。

2015年4月3日下午南京公司試點的某機房，當時“宅基線”10 kV瞬間波動，由于太快，10 kV進線斷路器與低壓總出線斷路器均沒有動作。但是后端的UPS智能設備感受到，由于通信機房的UPS主輸入電源與旁路電源均取之同一臺變壓器，所以在該路電源的所有UPS都轉入了電池放電的狀態。這種情況下，對雙變換機器來說，沒有什么問題，因為本身機器就是運行在整流、逆變，逆變器始終工作； 而對ECO模式機器則不同。高級ECO模式逆變器始終保持“開啟”狀態，與旁路輸入電源并聯運行，但實際并不給負載供電。由于逆變器保持“開啟”狀態，當主電源發生波動或故障時，它應該完成無縫切換并繼續為負載供電。對這種市電瞬間波動，既要考驗UPS逆變器將承受因負載突變而產生的電流沖擊，還要考驗逆變器瞬時發熱并對UPS內部系統造成沖擊。業界普遍認為，瞬變熱量是造成電力電子系統故障的一個主要原因。電力瞬變現象的事件種類繁多，很難在測試中進行模擬，本次就是一個實地檢驗。

具體見圖2、圖3。

從2臺機器的告警log分析：

電池逆變供電： 電池放電時間很短，毫秒級（1號機14 ms、2號機9 ms）；

主路逆變供電： UPS雙變換運行5 min；

濾波器接入： 運行對應5 min（本次帶載各機器負載都超過30%，所以濾波器全部打開，也是運行5 min）；

從告警log記錄顯示分析整個過程為： 該系統的UPS經歷了3種工作狀態。① 逆變器工作（電池組放電）、② 雙變換工作、③ 旁路工作（ECO模式）。

通過2臺UPS告警記錄分析，本次切換與市電穩定后5 min再次切回ECO模式（圖2、圖3中的主路逆變供電時間）。主路逆變供電、濾波器接入都只運行了5 min，所以可以判斷5 min后系統又切回ECO模式。本次ECO模式切換是實驗室模擬不了的，是一次市電瞬間波動，極其快速。過程為： 由于市電波動，主路與旁路電源都不可用，“1＋1”UPS系統從ECO模式切到“電池放電逆變器供電”模式； 在極其短時間內，市電又穩定了。“1＋1”UPS系統從“電池放電逆變器供電”模式變換為“雙變化”模式（整流、逆變），該模式運行了5 min，下面再次切回ECO模式。由于設計要求： 高級ECO模式時，UPS旁路供電，逆變器處于待機狀態并鎖定旁路，逆變器和旁路是通過逆變SCR（可控硅）隔離，當旁路出現問題，逆變SCR速度快放開，實現旁路到逆變的不間斷切換。所以完全達到設計要求的。本次真實的事件證明“1＋1”UPS并機的ECO模式運行是安全可靠的。

4 運行與節能分析

UPS高級ECO模式時，UPS損耗從5%降至1.5%，效率也相應從93%升至96.5%，見圖4。我們假設核心機房UPS系統在50%負載下運行，結果是400 kVA的UPS效率每臺每提高1%，一年節省的電費為24 303.74元。應用ECO模式的UPS每臺每年大約節省85 063.09元。南京市核心機房分別有400 kVA、320 kVA、200 kVA等級別的UPS，按照一半ECO模式，另一半正常模式，一年節省電費大約在500萬元人民幣，而且系統安全等級沒有降低。

對于特殊情況進行錯誤補救，對于丟失設備進行文檔銷毀，最大限度地保證了企業數據安全。

2.3.3 文檔在線閱讀

對于特殊敏感性文檔，企業出于對文檔安全性的要求，不希望文檔能夠本地保存，防止文檔外泄。對于特殊文檔格式，客戶端提供特殊格式文檔在線閱讀的能力，支持的格式包括.WPS、微軟Office、 .PDF等。

2.3.4 文檔安全分發

文檔無論是變更還是刪除，都可以通過通知的方式提醒終端用戶。分發文檔時，支持按照自定義策略進行分發，支持消息通知。所有的文檔都應通過安全的SSL（安全套接層）加密傳輸，確保安全、完整、可靠分發到終端上。

3 總結

安全在信息技術時代是個永恒的話題，隨著信息技術的發展和迭代，安全問題會涉及到各行各業并進行嚴格的細分，本文通過站在企業管理者的角度對企業移動應用安全三個要素進行剖析，試圖通過功能和技術上的分解來探討移動安全解決思路，希望結合本文的分析在今后在企業的移動應用安全管理上能夠做到有的放矢、彌補缺點和不足，為企業信息安全筑建一道堅固的移動辦公安全“長城”。