關于UPS系統建設若干問題的探討

張立浩

（中通服咨詢設計研究院有限公司，南京 210019）

1 UPS主機工作原理

1.1 UPS的作用及功能

數據中心、通信機房中的用電設備，諸如服務器、路由器、交換機、磁盤陣列等設備對供電質量要求很高，不僅在運行過程中不能停電，還需要電能的電壓、頻率、波形及相位完好，因此不間斷電源（UPS）供電系統得到了迅速的發展和普及，在通信設備供電系統中占據了重要的地位。

UPS主要具有3個功能

不間斷供電功能：在UPS系統中配置一定容量的蓄電池，在市電斷電時，通過蓄電池逆變供電給通信設備，后備時間可以為15分鐘、30分鐘或更長時間。

隔離干擾功能：市電電源輸入UPS系統后，經過整流和逆變兩個轉換環節，可將電網中的電壓波動、失壓、諧波、頻率擾動等干擾因素與通信設備完全隔離，在不影響電網的前提下，保證設備的可靠供電。

電壓、頻率變換功能：通過UPS，可對輸入電壓等級進行轉化，以滿足通信設備用電需求。

1.2 UPS系統工作原理

當市電供電正常時，電網輸入的電壓一路經過噪聲濾波器除去電網中的高頻干擾得到純凈電壓，然后進入充電器對蓄電池組進行充電；另一路進入整流和濾波，并將交流電轉換為平滑直流供電給逆變器并轉化成220V/50Hz的交流電供通信設備使用。當發生斷電時，濾波器、整流器、充電器不再工作，但此時蓄電池放電，把直流電輸送至逆變器并轉換為交流電供給通信設備，因此對于通信設備來說，市電中斷，在蓄電池能量放完之前，并未受到任何影響，仍可以正常運行。

UPS工作原理

2 UPS與蓄電池容量配置

隨著UPS應用場景的多樣化，各廠商可生產多種規格的UPS，常見的容量規格包括60kVA、80kVA、120kVA、200kVA、300kVA、400kVA等，關于選擇何種容量的UPS，主要從通信設備的用電功耗、功率因數及UPS負載率等方面進行考慮，并按照以下公式進行計算：

S=P/（η×cosΦ）

式中，S為UPS容量，單位kVA；P為通信設備功率，單位kW；η為UPS安全負載率，一般為80%～95%；cosΦ為通信設備功率因數，一般為0.8～0.95。

例如：某機房規劃安裝80架通信機柜，單機柜功率為4kW，則UPS計算容量為：S=80架×4kW/（90%×0.9）=395kVA，因此可選擇容量為400kVA的UPS主機，可滿足通信設備用電需求。

蓄電池類型主要包括閥控式鉛酸蓄電池，磷酸鐵鋰蓄電池兩種，其中閥控式鉛酸蓄電池因儲存電能大、安全可靠且造價較低，主要應用于大型數據中心機房，磷酸鐵鋰電池因重量輕、占地面積小等特點，主要應用于中小型通信機房。

蓄電池主要容量包括12V/65Ah、12V/100Ah、12V/200Ah以及2V/400Ah、2V/500Ah、2V/600Ah、2V/800Ah等，電池選型配置方法包括安時容量法、恒功率法、速算法、階梯累加法等，考慮到UPS多數應用工況，恒功率算法在成本控制、性能滿足上能夠實現合理的配置，因此本文僅介紹恒功率算法，計算公式如下：

P電池=K×S×cosΦ/η逆變

式中，P電池為電池總輸出功率；K為安全系數：一般取1.25；S為UPS主機容量；cosΦ為通信設備功率因數，一般為0.8～0.95；η逆變為逆變器效率，一般取0.94。

例如：UPS主機容量為400kVA，可支持電池只數為40只及最多4組并聯，通信負載需要后備時長為15分鐘，則需要的電池總功率為：P電池=1.25×400000×0.9/0.94=478723W，單體電池功率為478723W/40只/4組=2992W，經查表可知12V550W可滿足后備時間需求，因此蓄電池配置為：12V550W×40只×4組。

某廠家恒功率放電數據

3 UPS系統組織架構

互聯網數據中心、金融中心以及民航空管部門等的重要通信設備，要求UPS系統的可用性需要達到6個“9”，即99.9999%。這些重要用戶一年內所能承受的停電時間不能大于31s，即每天的停電不得多于0.09s，否則將給這些重要負載帶來不可估量的損失。為此，需要采用2N或3N系統架構。

3.1 2N系統架構

在2N系統架構中，需要設置兩套互相獨立的UPS系統（每套系統可以是單機運行，也可以為1+1冗余運行），每套系統的市電輸入、蓄電池配置、輸出配電屏等完全獨立，雙電源通信負載可分別從2套UPS系統引入交流電，單電源負載可通過靜態開關（STS）從2套UPS系統引入交流電。2N系統為100%冗余系統，為通信負載提供極高的可靠性和可用性。

2N系統架構

3.2 3N系統架構

在3N系統機構，需要設置3套互相獨立的UPS系統（每套系統可以是單機運行，也可以為1+1冗余運行），每套系統的市電輸入、蓄電池配置、輸出配電屏等完全獨立，通信負載采用插花式方式接入3套UPS系統，整套系統最多可允許1臺UPS出現故障，而仍能正常運行，系統可靠性較2N系統略低。

3N系統架構

4 結束語

UPS系統的建設是一個復雜的課題，本文僅討論了一些常見的典型配置方案，系統安全可靠的運行還包括其它一些因素，比如系統的接地方式、系統的運維管理方式等，仍需要深入的研究討論。