UPS供電系統可靠性的探討

張光華

摘 要：探討了UPS供電系統的可靠性，介紹了常見的UPS冗余供電模式，并結合具體實例，詳細論述了雙總線供電模式的應用，以期能為相關人員提供參考借鑒。

關鍵詞：UPS；供電系統；供電模式；逆變器

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.078

所謂“UPS”，即不間斷電源，是將蓄電池與主機連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。使用UPS供電系統對提高其供電可靠性，保證系統的安全運行至關重要。因此，我們需要采取有效的措施，解決UPS供電中存在的問題。基于此，就UPS供電系統的可靠性進行了探討。

1 數據中心機房設備分類及用電特點

數據中心機房設備包括網絡交換機、路由器、服務器、小型機、存儲設備等。按電源類型，可分為單電源設備和冗余電源設備。單電源設備指只有一個電源模塊，一旦供電出現問題或者電源本身出現問題，設備就會宕機；冗余電源設備有多個電源模塊（一般為1+1冗余，稱為“雙電源設備”），多個電源模塊平均承擔系統負荷，一個電源模塊出現問題停止供電時，剩余的電源模塊便承擔所有的電源負載，設備供電可靠性高。

2 常見的UPS冗余供電模式

2.1 串聯單總線供電模式

兩套UPS系統分別作為UPS主機和UPS備機。UPS備機的輸出作為UPS主機的靜態旁路電源，這就是主備冗余供電，也叫作雙機串聯冗余供電，如圖1所示。系統正常運行時，由

主機供電，備機處于空載備用狀態。主機故障時，負載切換到主機旁路，由備機承擔負載供電。

圖1 串聯單總線供電模式

串聯單總線供電這一模式可以在保留現有UPS的情況下，擴充改造無冗余的UPS系統，以獲得一定程度的冗余。只要UPS主機具有獨立的靜態旁路輸入口，就很容易實現UPS主、備機冗余供電。在這種UPS供電模式中，產品的選擇很靈活，可以混用不同制造商或不同型號的產品，在系統負載不能超過單機容量的情況下，也可使用同性能而不同容量的UPS串聯，非常方便，改造成本很低，容易實現；同時，這種供電模式中的熱備份系統不需外加任何外部設備，故障點相對較少，現場安裝調試和日常維護非常方便。

雖然這種模式結構和控制簡單，但是由于在正常工作狀態

下，所有的負載全部由主機供電，備機處于空載運行狀態，長時間運行會導致主、備機的老化程度不一樣。因此，當主機轉換到旁路時，備機必須能夠處理突然的負載變化。由于備機長期在零負載的狀態下工作，所以，這種突然負載變化要求UPS單機必須具有優良的帶階躍性負載能力。此外，這種供電模式的另外一個缺點就是存在單點（主機靜態旁路）故障隱患。

2.2 并聯單總線供電模式

將2臺或多臺UPS設備的輸出并聯，即將UPS的逆變器并聯運行，組成“N+1”冗余并聯系統，如圖2所示。正常運行狀態下，2臺（或多臺）逆變器同時向負載均分供電，當其中一臺故障時，該UPS從供電系統中脫離，負載由剩余逆變器按新的比例分配，不間斷供電。

并聯冗余模式有許多優點：①提高了容錯性能。當UPS正常運行時，N+1臺UPS平均承擔負載供電，當某臺UPS出現故障時，剩余N臺UPS具有足夠的帶載能力分擔原N+l臺的供電負載。對于UPS系統而言，仍然為后端負載提供純凈、穩定的逆變電源。②并聯冗余模式可以實現在線維護UPS，可以在UPS系統不間斷供電的情況下，對并機系統中的單臺UPS實施不帶電維護操作。③大大提高了UPS系統的可靠性。

在UPS并聯方式下，因為諸多原因，例如電網的頻率擾動、負載擾動等，都會引起UPS狀態的變化。由于各臺UPS輸出量參數難以保持完全一致，各UPS在向負載供電時，還會在UPS內部的逆變器間形成環流。當環流過大時，將直接危及逆變器安全，引發故障。此外，在并聯冗余供電模式中，UPS逆變器輸出端到負載之間仍然存在“單點瓶頸”故障隱患。

2.3 雙總線供電模式

為了克服單總線供電模式會造成單點故障的缺點，可采用雙總線供電，如圖3所示。雙總線供電模式最大的特點是同時提供兩路互不影響的供電總線，為負載提供完全獨立的電源。雙總線供電模式的每一路可以是單臺UPS，也可以是N臺UPS（N≥2）。雙電源負載可分別接兩路電源。對于單電源負載，靜態轉換開關（Static Transfer Switch，簡稱“STS”）成為必選。STS為電源二選一自動切換設備，在正常工作狀態下，當主電源處于正常的電壓范圍時，負載一直連接在主電源上；當主電源發生故障時，負載通過STS自動切換到備用電源。當主電源恢復正常后，負載又會自動切換到主電源。與傳統的自動轉換開關（Automatic Transfer Switch，簡稱“ATS”）不同，靜態轉換開關能快速轉換負載（一般為1/4周期），保證精密的電子設備不間斷工作。

雙總線正常供電時，兩路總線同時分別向負載供電，雙電源負載的兩個電源模塊協同工作，同時供電，而單電源負載由STS供電。當一路總線故障時，雙電源負載接在另一路總線的電源模塊承擔整個負載，而單電源負載則由STS自動判斷后實現不間斷供電。UPS雙總線供電模式可以消除由于設備、器件、線纜等因素而存在的單節點故障隱患，但是由于需要雙市電輸入和雙（多）套UPS系統并聯部署，因此大大增加了電源建設成本和占地空間，適用于為重要的數據中心提供電源。

3 雙總線供電模式的應用

雙總線供電模式在某數據中心的供配電系統中得到了廣泛應用。為了滿足供電可靠性的要求，可結合幾種供電模式，提高安全系數。在資金投入或者場地空間有限的情況下，可以選擇雙總線供電模式。例如，某省級電力公司數據中心機房擴容改造，機房面積增加300 m2，新增2臺400 kVA UPS，電池后備時間2 h。由于UPS室空間有限，在保證UPS供電安全可靠的前提下，盡量精簡設備，選擇單機雙總線交叉旁路模式——1臺UPS的旁路電源取自另一臺UPS的主路市電輸入，如圖4所示。UPS的旁路與主路電源來自不同市電，當一路市電或一臺UPS出現問題時，始終保持負載有2路電源供應。這種供電模式靈活地調整了雙總線供電模式的市電輸入，在提高供電可靠性的同時，減少了設備投入和占地空間。

圖4 雙總線交叉旁路模式

4 結束語

綜上所述，UPS供電系統憑借著自身具有的獨特優點，在計算機業務終端、網絡服務器、網絡設備等眾多領域有著廣泛的應用。為了進一步促進UPS供電系統的發展，我們需要對其進行監控，及時解決存在的問題，從而提高UPS供電系統的可靠性。

參考文獻

[1]周剛，王瀾.石化供電系統中UPS可靠性分析及選用探討[J].電氣應用，2009（18）.

[2]黃紹毅.UPS供電系統可靠性的計算分析[J].石油化工自動化，2006（02）.

〔編輯：王霞〕