一種調度自動化機房UPS電源設計方案

丁仁杰 張楠

摘要：由于市電的非可持續性和非標準正弦輸出的缺陷，UPS作為一種可靠的能源設備，在各個應用領域都顯得尤為重要，本文針對多數電力調度自動化機房存在的UPS供給問題，結合實際情況，提出了一種雙母線冗余方式，確保調度自動化系統的穩定運行。

關鍵詞：UPS;雙母線冗余;調度自動化

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0228-02

電力系統調度自動化是為實現電力系統功能規劃以及裝備配置的一項系統設計工作，其是電力系統設計的組成部分。一旦調度自動化系統陷入癱瘓，調度控制將無法進行，調控員不能及時掌握電網狀況以及設備作業情況，嚴重影響電網正常運行。因此運用UPS（Uninterruptible Power System不間斷電源系統）為調度自動化機房提供高質量、不間斷的電源可以有效避免調度自動化系統長時間的中斷，確保電網的安全穩定運行。

1 UPS概念

1.1 UPS電源簡介

不間斷電源系統UPS是一種含有儲能裝置，并以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻不間斷電源[1]。其主要應用在給計算機網絡系統、電網及電力電子設備、網絡數據中心提高不間斷高品質的電力供應。

UPS主要由五部分組成：蓄電池、整流器、逆變器、逆變與旁路切換電路、主路與旁路及電池等電源的輸入電路。其中蓄電池是用來存儲電能的裝置，當外部供電中斷時，蓄電池可向工作設備供電;整流器的作用是將交流電（AC）轉變為直流電（DC），在UPS中其向蓄電池和逆變器提供電能;逆變器是UPS中十分重要的組成部分，其性能直接影響了UPS產品的可靠性、效率、輸出波形等重要指標，主要作用是將直流電（DC）轉變為交流電（AC）;逆變與旁路切換電路的主要作用是進行旁路轉換，當UPS出現過載、故障等情況時，逆變與旁路切換電路可使UPS自動切換至市電供電。有效地提高了UPS的安全性和可靠性。

1.2 調度自動化所用UPS工作方式及原理

UPS的分類較多，分類方式也較多，若按照工作方式分類大致可以分為后備式、在線交互式、在線式三類。

調度自動化機房一般采用在線式UPS，其具有三種工作方式。

1）正常方式

UPS在市電正常時，將市電經整流器整理濾波為純凈直流電，之后一路對蓄電池進行充電，另一路輸入逆變器轉換為所需的穩頻穩壓的交流電準備為負載供電。

2）蓄電池方式

當市電異常，進入逆變器的輸入改由蓄電池提供，從而保證為負載持續提供電力，但其供電時間有限。

3）旁路方式

當UPS出現故障、超載等故障或有手動的旁路命令時通過轉換開關由逆變輸出轉為旁路輸出（市電供電）。一般應當采樣電子開關來縮短轉換時間，避免轉換過程影響到設備正常工作。

如圖1所示是在線式UPS結構圖。

在線式UPS無論工作在何種模式下其逆變器總是處于工作狀態。并且在線式UPS為正弦波輸出，實現了對用電設備的不間斷供電，隔離了市電和用電設備，消除了來自電網電壓對負載的干擾，為用電設備提供了高質量可靠的電能。是調度自動化機房理想的供電設備。

2 存在問題[2]

由于市電并不是一個標準的正弦輸出，所以其存在諸多缺陷如電壓浪涌、欠壓過壓、電源中斷等。市電難以保證對用電設備的不間斷供電，且對于一些高要求設備也難以保證電能的質量。調度自動化系統在電網系統中被視為保護的重中之重，因為調度自動化系統處于安全Ⅰ區，是直接對電力一次設備進行實時監控的系統，供電安全問題尤為重要。

但受限于多種問題，許多地方電力公司與單位并不能為調度自動化機房的每一個用電設備都配備一個專用的UPS，通常情況下為多個用電設備共用一個UPS。基于此種情況，本文提出一種改進方案，即放棄傳統的1+1并聯冗余，采用雙母線UPS冗余方式用以保障調度自動化系統的穩定運行。

3 改造方案

調度自動化機房的負載主要為各類調度自動化系統、配電網自動化系統、路由器及交換機，這些系統及設備具有的冗余度較高，雙電源設備站比例也較高。

3.1 UPS容量選擇

選擇UPS容量應考慮以下幾個問題[3]

1）負載性質。UPS實際可帶負載是與實際功率因數密切相關的。自動化機房主要所帶的負載是計算機，在計算機運行狀態下平均功率小、瞬時功率較高，此時UPS在帶計算機設備時的功率因數約為0.65。

2）UPS的容量選擇不能過大也不能過小，若UPS容量過大可能會造成輕載運行，這會使得蓄電池放電過小、放電時間偏長造成由蓄電池深度放電造成的永久硬件損壞。若UPS容量過小可能會造成重載運行，輸出波形會發生變化，不能持續輸出標準的正弦波，同時也會損壞元器件。

3）UPS的容量選擇時應考慮后期發展，為之后可能添加的負載留有余量。

3.2 橫截面計算

橫截面計算要考慮到調度自動化機房實際用電設備的總功率，假設單個機柜中最多安裝4臺服務器，則其額定功率一般為3kW，運行時功率不會超過1.5kW。

3.3 改造方案

放棄并聯冗余，采用雙母線制，即將兩個獨立的UPS系統通過一定的適配電路，使得所有負載均可以由其中一臺UPS進行供電。具體運行時，將兩臺UPS的輸出母線上均接入一半負載，當一臺UPS發生故障時，另外一臺可以自動供電。利用LBS（負載母線同步）系統可以有效避免電源和負載產生環流，同時可以解決任意情況下UPS間的同步問題。同時利用STS（靜態轉換開關）承接一路輸出為單電源設備供電，另一路輸出為雙電源設備供電。其連線圖如圖2所示。

4 小結

本文從UPS基本概念入手，從實際情況出發制定了一種UPS雙母線改造方案，在UPS系統設計改造中不應局限于常用的方法，根據不同情況合理設計不同方案可以得到事半功倍的效果。

參考文獻：

[1]賴亞芳.調度自動化機房UPS電源系統改造實踐[D].華北電力大學，2016.

[2]劉志勇，劉小川. 電力系統運動[M].北京：中國電力出版社，2003.

[3]陳洪偉，徐新民. 不間斷電源應用分析[J].電源世界，2017（5）：34-36.

【通聯編輯：梁書】