不間斷電源在單位中心機房供電系統中的應用研究

陳 雷

（中共新疆維吾爾自治區委員會黨校，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引 言

隨著現代企業對數據處理和業務連續性的依賴不斷加深，單位中心機房的供電安全性與穩定性顯得尤為重要。不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統作為確保數據中心電力供應持續穩定的關鍵，具有重要作用。本研究聚焦于UPS 在單位中心機房中的應用，旨在探究其如何有效地提供電能質量保障和應急備用能力，以確保關鍵業務能夠持續、穩定的運行，為機房供電系統的設計與優化提供科學、可靠的參考依據。

1 單位中心機房供電系統概述

單位中心機房供電系統的設計和運維是確保企業信息化建設穩定運行的基礎工作。該系統不僅要從市電獲得穩定的主電源供應來滿足機房日常的工作需求，還要通過精細化的電源管理和配電系統來滿足不同信息技術（Information Technology，IT）設備對電源的特定要求。UPS 在單位中心機房供電體系中扮演著重要角色，不僅能夠在市電異常情況下提供即時的電能補給，有效防止數據丟失和硬件損壞，還能通過其內置的電能調節功能，為機房設備提供穩定且純凈的電流供應。此外，高度集成的電源和環境監控系統也為實時監測電力質量和環境狀態提供了支持，使運維團隊能夠有效預防和快速響應各種電力事件。

整個供電系統采用冗余設計，并配備了備用發電機等設備，確保在極端情況下機房設備仍能持續穩定運行。單位中心機房的供電體系是一個由多個關鍵組件和子系統共同組成的復雜系統，能夠提供高可靠性和高穩定性的電力支持，確保企業核心業務的正常運行。

2 不間斷電源系統原理與分類

2.1 工作原理

UPS 系統能夠提供即時的電力供應，以防因市電供應中斷或不穩定而影響機房內關鍵設備的正常運行。UPS 系統通常由儲能裝置（如電池）、逆變器、靜態開關以及控制器等主要部件組成，工作原理如圖1 所示。

圖1 UPS 系統工作原理

正常情況下，UPS 將市電轉換為穩定的直流電給內部電池充電，并通過逆變器將直流電轉換為干凈且穩定的交流電供設備使用。當市電中斷或出現波動時，UPS 會立即切換到電池供電模式，利用儲存的能量通過逆變器轉換成交流電，持續供給負荷正常運轉所需的電力[1]。

2.2 分類情況

UPS 系統可以分為在線式、離線式和線路交互式3 種。

在線式UPS（也稱雙轉換UPS）正常工作情況下，先將交流市電轉換成直流電，并給內部電池充電；再將直流電逆變換回交流電，供設備使用。這種方式能夠確保供應給負載的電力與市電完全隔離，提供較高的電源質量和保護。需要注意的是，即使市電正常供應，在線式UPS 也會持續利用其內部電路進行運作。

離線式UPS（也稱備用式或待機式UPS）在市電正常供應時，不會對電流進行任何處理，而是直接將市電供給機房設備。只有當市電供應出現中斷或不穩定時，離線式UPS 才會啟動電池并通過逆變器供電。在市電正常供應的情況下，電流并沒有經過UPS 的任何電氣處理，因此離線式UPS 只能提供基本的電源保護，成本相對較低。

線路交互式UPS（也稱在線互動式UPS）提供的保護級別介于在線式和離線式UPS 之間，會對市電進行一定的調節，如校正電壓波動等。然而在市電中斷的情況下，其仍需將電池的直流電經過逆變器轉換為交流電，以供負載設備使用[2]。

3 不間斷電源系統在中心機房的應用

在現代單位中心機房中，UPS 系統的配置方案是實現電力可靠性、業務連續性和數據完整性的關鍵。配置UPS 系統時，需要綜合考慮多方面因素。

首先，要考慮中心機房負載的大小和性質，以確定所需的UPS 容量。根據負載計算和預期增長，合理設計UPS 的規模，確保所有關鍵設備在斷電時能夠持續工作。因此，需要詳細評估服務器、網絡硬件、存儲設備及其他關鍵系統的功率需求。

其次，考慮運行時間。根據業務連續計劃和恢復時間目標，UPS 應配備足夠的電池組，以縮短機房操作所需的時間，直至備用發電機啟動或電源恢復正常工作。該時間范圍的確定取決于組織的需求。

再次，考慮冗余性。冗余性是實現高可用性中心機房設計的另一關鍵要素。采用N+1 或2N冗余的UPS 配置可以提供更高的可靠性，即使某個UPS組件發生故障，其他UPS 也可維持持續供電。其中，2N配置提供完全的冗余性，即每個負載都由兩套獨立的UPS 路徑供電；而N+1 配置提供了額外的UPS單元作為備份，以供主UPS 單元在需要時使用。

最后，軟件和管理工具也是UPS 系統的重要部分[3]。先進的UPS 可以連接到網絡并集成在中心機房的管理軟件中，使IT管理員能夠遠程監控電源狀況、排除故障、優化能源使用。這些工具還具備自動化響應功能，能夠在發生電力事件時安全關閉服務器。

4 不間斷電源系統的規切與設計

UPS 系統的規劃與設計是確保單位中心機房穩定運行和數據安全的關鍵步驟，要根據中心機房的業務需求、可靠性要求和未來的發展計劃制定。

首先，UPS 系統的規劃需要充分考慮負載需求。全面評估中心機房內所有設備的功率需求，確保UPS的容量能夠滿足現有負載和未來擴展的需求。負載需求分析還應包括對各種設備在啟動時所需的瞬時功率需求，確保UPS 系統能夠應對瞬間的負載變化。其次，可靠性設計。這通常涉及冗余配置，即使用多臺UPS模塊協同工作，以確保在一臺UPS 設備發生故障時，其他UPS 仍能完成供電任務，實現N+1 或2N等級的冗余設計，確保供電系統的穩定性和可靠性[4]。最后，為確保UPS 系統的穩定運行，要設計適當的維護旁路，從而在不中斷主供電的情況下進行UPS 的維護或更換。而電池備份時間的確定是另一個關鍵的設計考量點。在設計UPS 系統時，應考慮到能效和熱管理，選擇能效較高的UPS 型號能夠降低運行成本，而適當的機房空調和散熱設計則能確保UPS 系統穩定運行。2024 年1 月8 日單個UPS 系統的性能數據如表1 所示。

表1 2024 年1 月8 日單個UPS 系統的性能數據

5 不間斷電源系統的維護與管理

UPS 系統的維護與管理是確保其能夠有效履行職責的關鍵因素。維護與管理工作包括定期檢查、測試、預防性維護、故障診斷、實時監控以及控制環境條件等。因此，需要設立專門的維護團隊，并制定詳盡的檢查計劃，對UPS 系統的各個組成部分進行周期性的綜合檢查，包括但不限于電池組、電容、風扇、熔斷器以及其他關鍵電子部件[5]。檢查的目的是發現潛在的安全隱患（如電池鼓脹），并及時替換老化或性能不符合規格的部件。此外，機房應有穩定的環境控制系統，以確保系統處于合適的環境條件。定期對所有操作人員進行培訓，了解UPS系統的工作原理、潛在風險和必要的應急操作程序，及時發現問題，快速響應緊急狀況并修復故障。

6 不間斷電源系統的先進技術與發展趨勢

未來UPS 系統的發展將朝著高效能、環境友好和智能化的方向快速前進，以最大化利用能效。這意味著UPS 系統的設計將更加精細，以減少能量損失，優化整個電力轉換過程。

隨著人們環境保護意識的日益增強，未來的UPS系統將致力于降低對環境的影響，如使用可循環材料、不使用含有害化學物質的材料、研究高性能電池技術等，以延長產品的使用壽命。

加強智能化和自主管理能力是未來UPS 系統發展的另一趨勢。通過集成云服務、物聯網（Internet of Things，IoT）設備和大數據平臺，UPS 系統能夠更精確地預測電源需求，自動進行能量管理，并及時識別和解決潛在的問題。這樣的系統具備自我診斷、自動報告、與遠程管理服務無縫對接的能力，從而提高了整體系統的可靠性和效率。

在技術領域，為追求更高的能量密度和更長的維護間隔，需要專注于優化電池技術，并開發新型能源存儲解決方案。同時，在單相和三相UPS 系統中使用新型半導體材料是未來實現技術突破的關鍵。例如，硅碳化物（SiC）和氮化鎵（GaN）等新型半導體材料有助于提升電力轉換效率，進而實現更快的響應，降低能耗[6]。

7 結 論

通過研究可知，UPS 系統對單位中心機房供電系統的穩定性和可靠性至關重要。有效的UPS 應用能有效避免電力故障對機房運行的不良影響，保障關鍵數據和服務不會因電力問題而中斷。為提升UPS系統效益，優先采用效率高、可擴展且維護成本低的UPS 解決方案。同時，實施智能監控系統，以實現對UPS 性能的實時追蹤與管理，確保設備始終運行在最佳狀態，并采取適時的維護策略，以延長關鍵組件的使用壽命。此外，應加強對操作人員的專業培訓，確保其能對UPS 系統進行正確的操作和應急響應。積極推廣并使用新技術與材料，如高效率半導體和先進的電池技術，以提升系統整體能效，降低操作成本。通過不斷探索和實施綠色節能措施，UPS 系統不僅能保障供電安全，還能為可持續發展目標的實現提供支持。

UPS 是確保單位中心機房供電連續性和可靠性的關鍵組件。通過采用高效、智能化的UPS 解決方案，并結合定期維護和培訓操作人員等措施，能夠顯著提高數據中心的運行穩定性。為適應未來發展趨勢，推薦引入先進技術和材料，以提升系統效能，確保業務的持續運營。