UPS冗余并機系統案例分析

王雪娟 秦 凱

(軍事科學院國防工程研究院，北京 100850)

1 概述

隨著IT設備的大量應用，UPS供電系統已成為電氣設計中一項非常重要的內容，冗余并機的供電方式很大程度上增大了系統的供電容量，提高了系統的供電可靠性，但也帶來各種問題值得注意。

2 項目基本情況介紹

某項目現場為兩臺索克曼UPS主機，型號為MP300 kVA、工頻50 Hz可控硅機型，2013年投入使用，兩臺UPS組成的是冗余并聯系統。并機方案是導航型直接并機方案，即在出廠時將其中一臺UPS單機指定為具有優先跟蹤市電電源的“導航UPS”,讓并機系統中其他逆變器跟蹤“導航UPS”而不是去直接跟蹤市電電源[1]。拓撲系統如圖1所示。正常工作時,每臺UPS只承擔一半的負載電流，如果在UPS運行中，其中一臺UPS出現故障，在并機邏輯控制電路的作用下，它會在向用戶發出故障信號的同時，自動將位于逆變器輸出通道上的斷路器開關斷開，從而將有故障的UPS同用戶負載總線脫機，剩余的一臺UPS仍具有足夠的輸出功率繼續向用戶負載供電[2]。并機運行單臺UPS負載率20%～30%，單機運行負載率50%左右。

3 UPS運行中發現問題

值班人員在例行檢查工作中發現2號UPS的一臺交流電容器的表面溫度異于其他3臺，打開保護罩手測溫度較低，初步判定其已停止工作。交流電容是比較重要的部件，而且一旦故障后果非常嚴重，于是甲方決定立即對兩臺UPS中的四臺交流電容統一更換。

11.20夜間負荷較小的情況下，首先將2號UPS退出運行，進行交流電容器的更換，更換下來的故障電容器端部已有明顯凸起，表面冰涼，應該是早已退出工作。2號UPS交流電容更換完成后順便進行了除塵工作，然后重新啟動2號UPS，發現其逆變器輸出與旁路電源的相位差偏大，系統報警，電腦讀取數據逆變器與旁路相位差為-326如圖2所示。據UPS廠家技術人員介紹，這個值在200以內時說明逆變器輸出電壓與旁路電壓為同步狀態，UPS在旁路和逆變之間可以完全正常的轉換；在200～400之間時，UPS在旁路和逆變之間的轉換可能出現不正常；這個值大于400時為不同步狀態，UPS在旁路和逆變之間不能正常的轉換；由于當天時間不夠充分，各方商定另找時間對這一問題進行檢查，并更換相關可能引起此問題的配件，必須找到原因排除隱患。

4 查找問題及處理措施

4.1 離線排查電路板

12.4夜間UPS技術人員帶來了倉庫備用的并機控制板、主控板、并機通訊板等電路板，準備逐一進行排查。第一步先將2號UPS退出運行，更換其并機控制板，完成后用電腦在線測試數據顯示逆變器與旁路相位差達到-500；第二步更換2號UPS主控板，完成后用電腦在線測試數據相位差依然不正常；第三步將1號UPS也退出運行，負載切換到手動維修旁路，更換2號UPS并機通訊板；第四步啟動1號UPS，轉入1號UPS逆變器輸出，電腦在線測試數據顯示2號UPS相位差仍然為-400多，這說明2號UPS更換的電路板并沒有改變相位差過大的問題；第五步繼續將1號UPS退出運行，負載切換到手動維修旁路，更換1號UPS并機通訊板,啟動1號機在線測試2號UPS相位差保持在-400多；第六步更換1號UPS并聯控制板，啟動2號機在線測試2號UPS相位差為51，正常；但此時在線測試1號機又發現其相位差為+500多。總結上述現象，就是兩臺冗余并機UPS，先啟動的主機相位差正常，后啟動的從機相位差則異常。

4.2 確定問題所在

主機自身逆變器輸出很容易追蹤其旁路輸入，相位差正常；但后并入系統的從機逆變器輸出首先要追蹤主機UPS逆變器輸出，其逆變器輸出與旁路輸入一直存在較大的相位差。以上現象似乎說明，兩臺UPS的旁路輸入存在相位差。

現場查看UPS電源配電柜見圖3，經查證1號UPS電源柜進線編號為11AA-1，2號UPS電源柜進線編號為5AA-1。這兩路電源引自院總變配電室，經確認11AA-1引自上級變配電室2號變壓器，5AA-1引自上級變配電室1號變壓器，而且該院區兩路10 kV高壓電源引自不同開閉站。

UPS電源上端的各臺變壓器,即使來自同一電網,其電壓、相位也可能不完全相同,如不同接線方式的變壓器,對應同相端之間就會有電位差,如果輸入到并聯運行的UPS上,在主路整流—逆變雙變換運行時,系統尚可正常工作,但系統轉旁路運行時,可能會燒毀旁路開關。那為什么系統已經運行7年之久呢。原因一是之前兩個電源之間的相位差不大尚在允許范圍內，所以系統沒有報警；二是沒有發生自動轉旁路工作的情況。

如圖4所示，上級變壓器線圈連接組別均為D,yn11，但兩路10 kV電源來自兩個不同的開閉站,其電壓、相位很可能不完全相同,對應同相端之間的電位差輸入到并聯運行的UPS上,在主路整流—逆變雙變換運行時,系統尚可正常工作,但系統轉旁路運行時,可能會燒毀旁路開關。如果兩個電源的相位差超過系統設置的臨界值時，也會在從機追蹤主機逆變器輸出電壓相位的過程中，無法與自身旁路電壓合相，造成并機失敗。因此,并聯運行的UPS電源,主回路整流器輸入可不同源,但其旁路輸入必須同源。

4.3 暫時分閘2號UPS旁路電源輸入開關

由于工程的重要性，經與使用方溝通，決定繼續保持兩臺UPS并機運行方式，為避免旁路運行時發生危險，暫時分斷2號UPS旁路電源開關。這樣可確保萬一整流—逆變回路故障切換到旁路工作時，只合1號UPS旁路電源，不會造成兩臺UPS旁路電源不同電位不同相位直接并聯引起的不良后果。

5 結果

鑒于目前兩臺UPS存在旁路不同源的問題，下一步應制定整改方案解決，避免兩個旁路開關同時合閘時發生電源倒旁路的情況，由于現狀配電柜內接線空間小，線纜硬度高，線路改造必須充分考慮可實施性。

5.1 改造方案

1)對調1號UPS旁路輸入電源與2號UPS主回路輸入電源。

該方案從理論上看線路改造少，不必更換開關，但很難實施。一是1號UPS旁路輸入電源的電纜長度是否夠；二是電纜硬度大，將2號主回路輸入電源電纜反方向拉到1號 UPS旁路電源開關也有難度；三是該方案雖然解決了兩路旁路不同源問題，但兩路主回路輸入電源也變成同源，一旦該電源故障，兩臺UPS都將轉入蓄電池供電，蓄電池耗電完畢后，負載將徹底斷電，所以此方案可靠性大大降低并不可取。

2)增加帶雙旁路的ATS自動切換開關。

將變配電室來的兩路低壓電源11AA-1和5AA-1，先引到新增雙電源自動切換柜B1AT，經過雙電源自動切換開關后變成兩路同源電源后再引至B1APE。此方案對現有配電柜的影響小，可實施性大。首先UPS配電室有足夠空間安裝新增帶雙旁路的雙電源自動切換柜，只需調整電纜接線即可；其次UPS輸入仍然有兩個引自不同變壓器的低壓電源，能夠保證供電的可靠性。示意圖見圖5，正常供電時，雙電源自動轉換開關置于自動狀態，由常用電源供電，維修旁路開關斷開。當雙電源自動轉換開關故障或需要維護、更換時，將雙電源自動轉換開關置于手動狀態，置于零位，將維修旁路開關閉合于常用電源，形成旁路，保證負載供電。減少停電帶來的損失，提供供電穩定性[3]。

5.2 改造后重新并機運行

ATS自動切換柜安裝及線纜改造完成后，首先啟動1號UPS，逆變器與旁路電源相位差正常范圍內，啟動成功；再啟動2號UPS，逆變器與旁路電源相位差也在正常范圍內，兩臺UPS順利并機。改造后的UPS供配電系統與改造前對比，兩個旁路電源在任何時候都是引自同一臺變壓器的低壓電源，解決了不同源問題，增加了供電安全性；電源輸入依然由來自兩臺變壓器的雙電源切換后供電，保證了供電的可靠性。

6 結語

“1+1”型雙機冗余并聯UPS系統要求2臺UPS的額定容量必須一致,旁路電源必須來自同一市電[2]。本工程UPS配電系統是后期改造項目，在沒有充分了解上級變配電系統及UPS電源需求的情況下，施工方就盲目接入了兩路電源，使得兩臺并機UPS的旁路不同源，給工程運行造成了一定隱患。UPS并機系統的供電設計應充分了解UPS并機的控制原理，對整流器輸入電源與旁路輸入電源是否同源的要求等。