信息化機(jī)房UPS電源的選型、容量配置及維護(hù)方法

賀 瑾，王 博，任海庫

（1.維諦技術(shù)（西安）有限公司，陜西 西安 710065；2.西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

信息化機(jī)房是企業(yè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)運(yùn)行中心，其中包括主機(jī)、監(jiān)控設(shè)備以及各種服務(wù)器等設(shè)備，儲(chǔ)存著企業(yè)內(nèi)部的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和信息，故保障信息化機(jī)房計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)安全對整個(gè)企業(yè)而言至關(guān)重要。一旦出現(xiàn)市區(qū)大面積停電或者其他狀況導(dǎo)致整個(gè)機(jī)房設(shè)備停機(jī)時(shí)，如果運(yùn)行的數(shù)據(jù)不能夠及時(shí)儲(chǔ)存，那么將會(huì)直接給企業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失。為了避免因停電導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)計(jì)算機(jī)無法及時(shí)保存信息的事故，需要在信息化機(jī)房增設(shè)電源點(diǎn)和UPS電源等，為計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)提供不間斷穩(wěn)定的運(yùn)行電源，確保服務(wù)器、主機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等可以穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，信息化機(jī)房選用UPS電源具有十分重要的意義。

1 信息化機(jī)房和UPS電源概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，許多企業(yè)都進(jìn)行了數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)化的優(yōu)化和升級(jí)，本文以某國有企業(yè)為例，其總公司位于北京，旗下?lián)碛?0多個(gè)子公司。該企業(yè)將數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)為以總公司信息數(shù)據(jù)為控制中心，其他子公司地面調(diào)度中心為節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，同時(shí)改造子公司的供電系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)以及生產(chǎn)系統(tǒng)，讓其實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。總公司的信息數(shù)據(jù)控制中心設(shè)在面積約為450 m2的信息化機(jī)房，用電設(shè)備、服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最終規(guī)模在100 kVA左右。因此，在該大中型信息化機(jī)房中必須安裝UPS作為后備電源，同時(shí)做好UPS電源的選型，并給出UPS電源的維修處理方法，以便在UPS電源出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)維護(hù)[1]。

UPS電源主要是在機(jī)房突然停電后為計(jì)算機(jī)提供電能，不讓計(jì)算機(jī)因?yàn)橥蝗煌ｋ姷韧话l(fā)情況發(fā)生導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息無法及時(shí)保存的情況。電池的容量大小決定著電池能夠儲(chǔ)存電能的多少，多數(shù)UPS電源都是由若干節(jié)電池串聯(lián)到一起形成，因此需要根據(jù)信息化機(jī)房計(jì)算機(jī)的數(shù)量和用電規(guī)模來選擇UPS電源的容量。在保證選擇的UPS電池達(dá)到信息化機(jī)房的供電要求后，還需要考慮機(jī)房中電源的工作環(huán)境、儲(chǔ)能時(shí)間以及負(fù)荷性等因素，綜合這些要求才能保證UPS電源能夠滿足機(jī)房內(nèi)的供電需求。另外，UPS電源自身存在保護(hù)點(diǎn)和最終負(fù)荷點(diǎn)，因此在進(jìn)行UPS電源管理和維護(hù)過程中要特別注意。當(dāng)UPS電源達(dá)到保護(hù)點(diǎn)時(shí)，電源會(huì)自動(dòng)斷電來保護(hù)自身不被損壞；當(dāng)UPS電源達(dá)到負(fù)荷點(diǎn)后，電源將不能再繼續(xù)供電，因此管理人員需要注意UPS電源的能量恢復(fù)問題，確保UPS電源啟動(dòng)后能量能夠及時(shí)恢復(fù)。

2 UPS電源的原理、選型和容量配置

2.1 UPS電源的原理

UPS電源內(nèi)部的主要元件包括有儲(chǔ)能電池、變換器、整流器以及開關(guān)控制等，各個(gè)器件的正常使用有效保障了UPS電源的正常穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為了有效提高UPS電源蓄電池的電壓，通常采用浮充式的UPS電源，并將逆變器逐漸向負(fù)載輸出電力能源，從而不斷使UPS電源達(dá)到最佳配置[2]。簡而言之，通過整流器和變換器之間的相互作用可以實(shí)現(xiàn)電流功率的轉(zhuǎn)化，從而使得電流完成實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)給UPS電源充電時(shí)，電壓會(huì)增加一定的倍數(shù)（通常是1.25倍），使得發(fā)生了逆轉(zhuǎn)的逆變器可以進(jìn)行負(fù)載供電，這就是UPS電源的工作原理。UPS電源主要有后備式和在線式兩種類型，對于后備式電源而言，當(dāng)其沒有電時(shí)，蓄電池會(huì)為其提供相應(yīng)的電力，確保正常運(yùn)行。而對于在線式電源而言，它可以將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡瑥亩Ｕ县?fù)載在停電逆流時(shí)能夠持續(xù)供電[3]。

2.2 UPS電源的選型

UPS電源能夠?yàn)樾畔⒒瘷C(jī)房中的任何電子設(shè)備提供不間斷的電源，可以有效防止因?yàn)橥蝗粩嚯娀蛘吖╇婋妷鹤兊偷裙收蠈?dǎo)致機(jī)房內(nèi)計(jì)算機(jī)突然關(guān)機(jī)的事故，對信息化機(jī)房的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存具有重要意義。

UPS不間斷電源中的主要供電電池為鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池利用硫酸和鉛的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和釋放的功能[4]。給UPS電源充電時(shí)，鉛酸蓄電池主要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存電能的功能，電池內(nèi)正極板和負(fù)極板在硫酸（H2SO4）水溶液電解液中，充電時(shí)，鉛（Pb）被吸附到負(fù)極板，二氧化鉛（PbO2）被吸附到正極板。放電時(shí)，蓄電池內(nèi)的正負(fù)極板上的PbO2、Pb以及H2SO4被分解還原生成PbSO4，產(chǎn)生電離子，進(jìn)而產(chǎn)生電流，具體化學(xué)方程式為：

PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+2H2O

在線式和后備式是UPS電源的兩種主要類型[5]。對于在線式UPS電源而言，其在正常工作時(shí)，有兩路工作線路，一路通過逆變器和整流器將直流電源和交流電源相互轉(zhuǎn)化后給機(jī)房中的電子設(shè)備進(jìn)行供電；另一路則輸入市電經(jīng)過充電器對蓄電池組充電。具體的工作原理如圖1所示。

圖1 在線式UPS電源工作原理圖

后備式UPS和在線式UPS的工作方式有很大差異。當(dāng)市電發(fā)生逆轉(zhuǎn)時(shí)，后備式UPS僅僅需要10 ms的逆轉(zhuǎn)時(shí)間，故一般個(gè)人計(jì)算機(jī)使用后備式比較多。而在線式UPS一般多用于大型企業(yè)和部門的后備電源，這是因?yàn)樵诰€式UPS的雙變換模式無論是否停電都可以使逆變器處于工作狀態(tài)[6]。

2.3 UPS電池容量配置

該企業(yè)信息化機(jī)房采用蓄電池的電池電壓為18 V，為保證后備供電電源的供電時(shí)間不少于3 h，UPS電源的容量有統(tǒng)一的計(jì)算公式，即：

式中，P為預(yù)期負(fù)載，cosφ為輸出功率因數(shù)，K為電池容量系數(shù)，U為電池組端電壓，η為逆變效率。具體的計(jì)算原理是首先需要得到UPS電池的實(shí)際預(yù)期負(fù)載值和需要供電電子設(shè)備的功率，并根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)求出電池的放電電流，然后將放電電流和電池容量系數(shù)相乘可以直接得到電池容量。電池容量系數(shù)主要和電源的供電時(shí)間有關(guān)，可以通過相關(guān)的表查詢，具體如表1所示。

表1 電池容量系數(shù)表

UPS電池的實(shí)際預(yù)期負(fù)載值即UPS所能帶的最大負(fù)載，本文所采用的UPS電源帶載為45%，即45 kVA，從而能夠更好地進(jìn)行雙機(jī)冗余并機(jī)配置[7]。同時(shí)，該企業(yè)的UPS電源每組安裝20節(jié)電池，電池組端電壓為360 V，UPS輸出功率因數(shù)為0.8，UPS逆變效率約為0.85，電池容量系數(shù)為4，最終可得到的電池容量為45 000×0.8×4/（360×0.85）≈470 Ah。綜上所述，每臺(tái)UPS可以采用4組端電壓為360 V、120 Ah的電池組進(jìn)行并聯(lián)[8]。

3 UPS電源維護(hù)

UPS電源與普通的穩(wěn)壓電源不同，在使用時(shí)為充分發(fā)揮其自身性能和特點(diǎn)，并做好UPS電源的保養(yǎng)和維護(hù)，需盡可能地減少UPS電源出現(xiàn)故障的頻率。UPS電源維護(hù)重點(diǎn)需要注意以下4個(gè)注意事項(xiàng)：一是注意UPS電源的接地保護(hù)和有效屏蔽；二是注意UPS電源故障時(shí)應(yīng)先分析電路圖；三是要做好UPS電源的防塵維護(hù)工作；四是及時(shí)對蓄電池進(jìn)行放電，防止其處于浮充狀態(tài)。

首先，對于第二點(diǎn)注意事項(xiàng)需要嚴(yán)格注意UPS電源的防電擊保護(hù)，因?yàn)閁PS電源中的電脈沖很容易會(huì)受到雷擊，從而損傷電源線和通信線，因此要做好相關(guān)的防護(hù)措施，比如說設(shè)置電阻值不超過4 Ω的良好的防雷接地裝置，或者做到良好的屏蔽設(shè)施，以不斷減少雷擊給UPS電源帶來的損傷。

其次，對于第二點(diǎn)注意事項(xiàng)，是因?yàn)橹挥须娫丛诟邏罕Ｗo(hù)或者穩(wěn)壓電路時(shí)候才會(huì)出現(xiàn)各種故障因素，因此當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)先分析相關(guān)電路，同時(shí)要在日常維護(hù)中多關(guān)注一下電源的高壓情況和電路保護(hù)情況，從而不斷減少UPS電源的故障發(fā)生率。

再次，對于第三點(diǎn)UPS電源的防塵工作而言，需要增加電源和主機(jī)的灰塵清潔次數(shù)，避免因?yàn)橹鳈C(jī)上灰塵太多而導(dǎo)致散熱工作不能正常進(jìn)行，從而使得UPS電源出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。部分企業(yè)并不是很重視信息化機(jī)房的除塵工作，對于主機(jī)除塵工作做的并不是很到位，機(jī)房中較為干燥的地區(qū)通常會(huì)彌漫較多的灰塵，而這些彌漫的灰塵一旦與潮濕空氣接觸很容易使整個(gè)主機(jī)工作秩序發(fā)生紊亂，因此一定要做好機(jī)房中的防塵、除塵工作，特別是對于干燥區(qū)域，同時(shí)還要及時(shí)檢查各個(gè)原件連接是否牢固。

最后，對于注意事項(xiàng)的第四點(diǎn)，及時(shí)對UPS電源進(jìn)行放電是為了延長UPS電池的使用壽命和供電時(shí)間[9]。UPS電源放置一段時(shí)間之后通常會(huì)處于浮充狀態(tài)，若一直保持這種狀態(tài)將會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷電池，降低UPS電源的使用壽命和供電時(shí)間，因此需要過一段時(shí)間人為給UPS電源放電，以確保UPS電源的均衡程度。通常每兩個(gè)月就需要進(jìn)行一次放電，每次放電的時(shí)間通常是在10 min左右。另外，還要及時(shí)處理廢舊和落后的電池，以此來防止安全事故的發(fā)生，避免因落后電池惡化形成反極電池。

除了上述重要的UPS電源維護(hù)方法外，在進(jìn)行信息化機(jī)房UPS電源的維護(hù)工作時(shí)，還應(yīng)當(dāng)做到以下兩點(diǎn)。一是UPS電池的容量必須根據(jù)信息化機(jī)房中的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算并確定，并保證UPS電源不接超負(fù)載。如果因?yàn)樘厥馇闆r接入超負(fù)載，那么需要嚴(yán)格限制供電時(shí)間，避免UPS電源長期重在運(yùn)行。二是放置UPS電源的房間應(yīng)清潔、通風(fēng)且干燥，工作環(huán)境的適宜溫度為15～25 ℃，濕度為20%～60%，最佳取50%[10]。

4 結(jié) 論

UPS電源是保障企業(yè)信息數(shù)據(jù)中心的重要設(shè)備，對于信息化機(jī)房而言至關(guān)重要。本文以北京市某企業(yè)總公司的信息化機(jī)房為例，首先簡單介紹了信息化機(jī)房和UPS電源的工作原理，其次分析了該信息化機(jī)房的UPS電源的選型，最后給出了信息化機(jī)房UPS電源的維護(hù)方法，從而不斷促進(jìn)信息化機(jī)房UPS電源能夠有效維持機(jī)房電子設(shè)備不斷電、運(yùn)行數(shù)據(jù)不丟失、軟件硬件不損壞，進(jìn)而保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。