1  電信機(jī)房供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.1  對UPS前級供電系統(tǒng)的要求

　　UPS可以向負(fù)載提供穩(wěn)壓高、頻率穩(wěn)定、波形失真度小的高質(zhì)量電源，并且在與靜態(tài)旁路切換時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無間斷供電。但要做到這點(diǎn)，它的前級供電質(zhì)量不容忽視。在設(shè)計(jì)通信機(jī)房前級供電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

　　(1)前級供電系統(tǒng)電源質(zhì)量不宜太差，電壓及頻率應(yīng)穩(wěn)定在正常范圍。一般地講，大容量UPS主機(jī)輸入電壓范圍應(yīng)為380V±15%。電壓過低，將使UPS后備蓄電池頻繁放電，終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而縮短它的使用壽命；相反，電壓過高，則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入，其電壓和頻率波動(dòng)也有一定的范圍，一般為額定電壓的±10%和額定頻率的±5%，如果前級電源變化范圍過大，就會(huì)導(dǎo)致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此，如果通信機(jī)房的前級電網(wǎng)在電壓范圍上達(dá)不到要求，應(yīng)在UPS前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源，但不宜采用磁飽和穩(wěn)壓器，因?yàn)檫@類穩(wěn)壓器在開機(jī)時(shí)可產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS故障；

　　(2)前級供電系統(tǒng)中不應(yīng)當(dāng)帶有別的頻繁啟動(dòng)的負(fù)載，比如經(jīng)常使用的電梯，頻繁開啟的空調(diào)等。原因是在這些負(fù)載開、關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬間高低壓，使供電線路上電壓波形失真度過大，造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動(dòng)作，進(jìn)而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS的供電電源盡可能置于電網(wǎng)輸入的前端或采用獨(dú)立的供電回路；

　　(3)大多數(shù)通信機(jī)房都備有發(fā)電機(jī)組，以解決較長時(shí)間停電的問題。但在配置發(fā)電機(jī)組時(shí)，其容量應(yīng)考慮不少于UPS電源額定輸出功率的1.5～2倍，以保證發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。

　　1.2  UPS容量的確定

　　根據(jù)負(fù)載容量及性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)腢PS，既可保證UPS的供電質(zhì)量，降低故障率，又可節(jié)省投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。一般來說，UPS容量的確定主要是要滿足當(dāng)前負(fù)載的需要，同時(shí)，也要考慮以下幾個(gè)因素。

　　(1)負(fù)載性質(zhì)對UPS輸出功率的影響。當(dāng)前大部分UPS生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品說明書中所給的輸出功率都是指負(fù)載功率因數(shù)為0.8(滯后)時(shí)的值，而UPS實(shí)際可帶的負(fù)載量是與負(fù)載功率因數(shù)密切相關(guān)的。當(dāng)負(fù)載為純電阻性或電感性時(shí)，逆變器在額定視在功率下其有功功率將有所下降。所以在考慮UPS容量時(shí)，對不同的負(fù)載功率因數(shù)要進(jìn)行功率折算。對于沖擊類負(fù)載，只要負(fù)載的峰值系數(shù)在UPS允許的范圍內(nèi)，UPS基本上可以輸出額定功率，對于電阻性或電感性負(fù)載，則需酌情加大UPS容量；

　　(2)UPS容量不宜過大，以免使其過度輕載運(yùn)行。過度輕載運(yùn)行雖有利于降低逆變器損壞的概率，但可能造成市電停電時(shí)蓄電池放電電流過小而放電時(shí)間偏長，在蓄電池保護(hù)裝置故障時(shí)，蓄電池組被深度放電而造成性損壞；

　　(3)UPS容量不宜過小，以免使其長期處于重載運(yùn)行狀態(tài)。這樣雖可節(jié)省一部分投資，但由于逆變器處于重載運(yùn)行，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動(dòng)過大。這樣既不能為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，還極易造成UPS逆變器的末級驅(qū)動(dòng)元件損壞。目前一些UPS廠家推薦，UPS負(fù)載量不宜長期超過其額定容量的80%；

　　(4)對于通信機(jī)房面積較大、負(fù)載不斷分期擴(kuò)容的情況下，在首期配置UPS容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮中遠(yuǎn)期發(fā)展趨勢，并在選型中挑選可并機(jī)或多機(jī)運(yùn)行的機(jī)型，以使中遠(yuǎn)期負(fù)載容量增大時(shí)，通過UPS并機(jī)擴(kuò)大其輸出容量。相應(yīng)地，配置UPS輸入及輸出配電屏?xí)r，應(yīng)預(yù)留多臺UPS的輸入開關(guān)和中遠(yuǎn)期的負(fù)荷分路開關(guān)，以便于日后擴(kuò)容。

　　1.3  供電系統(tǒng)的電氣隔離及接地

　　一般來說，電網(wǎng)中經(jīng)常存在差模干擾和共模干擾，這些干擾對機(jī)房內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行存在著不同程度的干擾。另外，零線電位的偏移也會(huì)對電子設(shè)備的運(yùn)行造成影響。所以，在考慮UPS供電方案時(shí)應(yīng)采取措施把這些影響減少到。傳統(tǒng)的UPS通過內(nèi)部的工頻輸入及輸出變壓器來實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)間的電氣隔離和電壓匹配，抑制來自電網(wǎng)的共模及差模干擾電壓，便其不致于耦合到電子設(shè)備的電源上。此類UPS的輸出零點(diǎn)是取自隔離變壓器次級Y型繞組的中性點(diǎn)。為保證輸出零點(diǎn)電壓不偏移，應(yīng)從通信機(jī)房的交流工作接地排上單獨(dú)引線至該輸出點(diǎn)。

　　近年來，出現(xiàn)了采用高頻鏈結(jié)構(gòu)的不含輸出隔離變壓器的UPS。由于采用了高頻變壓器代替工頻變壓器，其體積重量明顯減小，但因?yàn)槠漭敵龆酥苯油ㄟ^變換元件輸出，一定程度上存在直流高壓進(jìn)入負(fù)載的危險(xiǎn)，而且在三相負(fù)載不平衡情況下存在電壓零點(diǎn)偏移問題。中性線與地線間的電壓可達(dá)十幾伏甚至更高，大大超出一些電信設(shè)備的要求。所以對于大型通信網(wǎng)絡(luò)等比較重要的負(fù)載，供電系統(tǒng)應(yīng)盡量采用帶工頻隔離變壓器的UPS。

　　1.4  正確配置UPS后備蓄電池

　　為保證電網(wǎng)停電時(shí)也能利用UPS繼續(xù)向通信設(shè)備提供高質(zhì)量供電，后備蓄電池的配置尤為重要。當(dāng)負(fù)載不允許被中止供電時(shí)，通信機(jī)房內(nèi)UPS蓄電池后備時(shí)間應(yīng)大于從市電中斷到恢復(fù)的時(shí)間或到發(fā)電機(jī)組正常供電所需時(shí)間(前級供電系統(tǒng)配有發(fā)電機(jī)組)，若此段時(shí)間較長，則應(yīng)配置外接的長延時(shí)蓄電池組，但此時(shí)應(yīng)確認(rèn)UPS內(nèi)部整流器有能力對外接大容量蓄電池組進(jìn)行充電，否則應(yīng)配置外接充電器。蓄電池容量選擇應(yīng)遵循以下原則:蓄電池必須在后備時(shí)間內(nèi)供電給逆變器，且在額定負(fù)載下蓄電池組電壓不應(yīng)下降到逆變器所允許的電壓以下。在布置機(jī)房設(shè)備排列時(shí)，應(yīng)盡量使蓄電池組靠近UPS主機(jī)，縮短兩者之間連線長度，增大連線截面積，以降低連線自感量和線路壓降。蓄電池組可安裝在蓄電池柜內(nèi)，也可安裝在敞開的蓄電池架中。前者美觀、整潔，但對樓板承重要求較高；后者可分散承重，且散熱性好，但占地面積多，易積塵，給維護(hù)帶來不便。

　　1.5  通過冗余方式增加供電可靠性

　　為了提高UPS供電的可靠性，可采用多種UPS冗余連接方式。各種方式都有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮方案時(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況選擇合適的方式。當(dāng)前冗余連接方式大致有以下三種。

　　(1)雙機(jī)主從式熱備份

　　此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡單，但存在以下缺點(diǎn):主機(jī)長時(shí)間工作，而從機(jī)處于長期待機(jī)狀態(tài)，兩機(jī)的元件老化程度不均勻；在從機(jī)供電的狀態(tài)下，主機(jī)靜態(tài)旁路故障時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)供電失敗;系統(tǒng)負(fù)載不能超過單機(jī)容量且以后無法擴(kuò)容；

　　(2)功率均分并聯(lián)備份

　　此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu):一種是UPS通過外加并機(jī)柜方式并聯(lián)，并機(jī)柜提供同步及多機(jī)均流控制，同時(shí)提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路;另一種是在每臺UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺機(jī)器的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)容(采用并機(jī)柜方式時(shí)應(yīng)將開機(jī)柜按終期考慮)，可通過冗余備份提高供電可靠性，但也存在缺點(diǎn)。

　　①由于并機(jī)柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點(diǎn)，一旦它內(nèi)部失控或故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)供電失敗;

　?、谟捎诟髋_UPS輸出量參數(shù)難以保持完全一致，導(dǎo)致各UPS在向負(fù)載供電的同時(shí)，還在UPS內(nèi)部的逆變器間形成環(huán)流，當(dāng)環(huán)流過大時(shí)將直接危及逆變器安全。此外，如果各UPS向負(fù)載供電的電流差異過大，將使逆變器的功率放大元件老化速度失衡，也會(huì)引發(fā)故障。一般來說，供電系統(tǒng)中并機(jī)數(shù)量越多，UPS電源系統(tǒng)發(fā)生故障的概率也越大。

　　(3)并聯(lián)熱備份

　　該系統(tǒng)將兩臺UPS的蓄電池組輸入、整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián)，并共用旁路，正常時(shí)兩臺整流器同時(shí)向兩逆變器供電，并向兩組蓄電池充電，通過逆變器輸出靜態(tài)開關(guān)選擇其中一臺逆變器向負(fù)載供電，兩臺整流器和逆變器分別互為備用。只有當(dāng)兩臺逆變器同時(shí)故障時(shí)，系統(tǒng)將負(fù)載切至共同靜態(tài)旁路，由市電繼續(xù)向負(fù)載供電。該方案沒有瓶頸故障點(diǎn)，任何一臺UPS局部或整體故障，系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負(fù)載供電。由于UPS供電系統(tǒng)真正的輸出只有一臺逆變器，故不存在逆變器間的環(huán)流。但由于此模式類似單機(jī)運(yùn)行模式，帶載能力相對較差且不易擴(kuò)容。

　　1.6  供電系統(tǒng)應(yīng)具備智能性

　　為了保證供電系統(tǒng)能長期不間斷運(yùn)行，UPS必須具有智能性，對運(yùn)行中的UPS狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測，對UPS故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和處理，并減少因故障或檢修而造成的間斷。同時(shí)，作為通信機(jī)房動(dòng)力系統(tǒng)的一部分，UPS應(yīng)提供通信協(xié)議，以便納入動(dòng)力集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到這些因素。一般來說，智能型的UPS應(yīng)具備下列功能。

　　①實(shí)時(shí)監(jiān)測功能:監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，隨時(shí)獲取主機(jī)工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)；

　?、谌藱C(jī)交互功能:可按實(shí)際運(yùn)行情況，通過修改程序重新設(shè)置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點(diǎn)域值，也可讀取UPS各種工作參數(shù)；

　?、酃收显\斷功能:對監(jiān)測到的不正常參數(shù)進(jìn)行及時(shí)分析，及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭，顯示其性質(zhì)、部位，給出處理方法，并自動(dòng)記錄有關(guān)信息；

　?、苓h(yuǎn)程監(jiān)控功能:提供一個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接口，能通過R5232或R5485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與異地計(jì)算機(jī)終端通訊，達(dá)到遙測和遙信的目的。

　　一個(gè)UPS供電方案的好壞直接決定了通信機(jī)房內(nèi)重要負(fù)載是否能正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)時(shí)，既要節(jié)省投資，又要考慮系統(tǒng)的可靠性和靈活性，為通信設(shè)備及計(jì)算機(jī)負(fù)載提供有效的保障。

　　2  電信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)解決方案實(shí)例

　　2.1  負(fù)載容量統(tǒng)計(jì)

　　2.2  負(fù)載容量計(jì)算

　　因?yàn)橛?jì)算機(jī)類負(fù)載均為非線性負(fù)載，其功率因數(shù)為0.6～0.7，而峰值電流系數(shù)大致為2.53，因此，UPS的額定輸出容量為(取負(fù)載功率因數(shù)為0.65)

　　P=（149×220）/0.65=50.5kVA

　　若再保留適當(dāng)?shù)挠嗔恳约捌渌O(shè)備的額外功耗，建議選用6OkVA三進(jìn)三出的UPS。為提高市電供應(yīng)可靠性，單機(jī)運(yùn)行采用雙路供電方式。系統(tǒng)配置如圖1所示。

　　2.3  配置方案

　　由于服務(wù)器機(jī)房要求的供電有效性較高，需24小時(shí)全天候穩(wěn)定在220V正弦波輸出。因此，如需更高等級的保護(hù)，可在采用雙路供電的條件下再采用UPS雙機(jī)熱備份冗余的運(yùn)行方式，以利于承受非線性負(fù)載的高電流峰值系數(shù)引起的電流沖擊。系統(tǒng)配置如圖2所示。

　　該運(yùn)行系統(tǒng)的特點(diǎn)是：可靠性比單機(jī)高；停電或一臺UPS故障時(shí)另一臺UPS仍可供電；維護(hù)時(shí)仍保持UPS的功能；兩臺UPS壽命皆延長。

　　2.4  蓄電池組

　　由于目前大多采用密封式鉛酸蓄電池，其使用壽命是有限的，所以每年的運(yùn)行成本相應(yīng)增加。因此，配合有智能管理功能的UPS，采用后備30min使用壽命為5年的蓄電池組是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　2.5  網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

　　系統(tǒng)采用3PhaseUPSentry監(jiān)控軟件，具有簡單易用的圖形化接口，經(jīng)由RS一485接口的UPS，可以一臺用計(jì)算機(jī)監(jiān)控多至31臺三相UPS，且點(diǎn)到點(diǎn)的距離長達(dá)1.2km。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，3PhaseUPSentry可以透過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或調(diào)制解調(diào)器與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，進(jìn)而監(jiān)控UPS。

　　該方案留有一定的余量，機(jī)房配置的6OkVAUPS供電系統(tǒng)施行集中供電，不僅可提供充足的功率，并為將來增加系統(tǒng)設(shè)備預(yù)留了一定的電力余量，又相對提升了UPS設(shè)備的安全運(yùn)行能力，利用3PhaseUPSentry監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程UPS電源監(jiān)控管理，從而實(shí)現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)監(jiān)控管理的實(shí)時(shí)性、智能性和無人管理的功能。