1 引言

　　當今通信網絡，技術發展趨勢是IT（信息技術）與CT（通訊技術）的日益融合。為了保證供電安全的可靠性，建立在以軟交換技術為基礎的核心網絡技術上的下一代通信網絡（NGN）雖然仍將以直流電源作為基礎供電電源模式，但在業務支撐系統平臺上，使用交流電源供電模式也將同時并存。基于計算機類設備的大量應用，UPS系統設備在通信網絡上的使用也越來越多。其供電對象已經由單臺計算機設備發展到業務終端、網絡服務器、網絡設備、數據存儲設備、業務支撐平臺乃至整個通信網絡。供電對象的范圍主要涉及到計算機終端、服務器、路由器、交換器、顯示器、磁盤存儲陣列、小型機等。供電的方式也由小型 UPS 分散供電演變到大型UPS 的集中供電。為保證供電可靠性，甚至采用n+1 并聯熱備份系統乃至雙總線UPS 系統供電方式。一個設計良好的UPS 供電系統能給負載提供優質電源，然而在實際應用中，許多問題又往往是UPS 供電系統引起的。因此，如何建立一個合理的、安全的UPS 供電系統成為大家關注的問題。本文將從UPS 供電系統設計角度對這一問題進行探討。

　　2 UPS 系統容量的配置

　　UPS 的帶載能力是用戶選擇UPS 時首先要考慮的問題，即需要一個多大容量的UPS，被選中的UPS 在各種情況下帶負載的能力又如何，都是需要認真對待的。UPS 不象變壓器那樣，只要負載功率不超過其額定輸出容量（kVA）數值，無論什么負載都行，UPS 的輸出容量不僅與負載大小有關，還與負載的性質有關。合理配置系統容量既可保證UPS 的供電質量，降低故障率，又可節省投資，提高經濟效益。

　　2.1 根據負載大小選擇系統容量在UPS

　　選型時必須充分注意，不能為追求UPS 運行的高可靠性，片面地認為UPS 的容量越大可靠性就越高。若UPS 長期處于輕載運行，雖然有利于降低逆變器的損壞概率，但卻增加了UPS 內部蓄電池失效的可能性。因為蓄電池的放電電流過小而放電時間偏長，容易造成深度放電，遭永久性損壞。若UPS 長期處于重載運行，這樣雖可節省一部分投資，但由于逆變器處于重載運行，其輸出波形將發生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優質電源，還極易造成UPS 逆變器的本級驅動元件損壞，所以，即使從經濟角度講也是得不償失。根據目前一些UPS 廠家推薦，UPS 單機按帶載量60%～80%來配置，并機按每臺帶載 35%～40%來配置為佳。

　　另外在UPS 選型時還要考慮負載系統的擴容問題，其預增加帶載量為20%左右。對于通信機房面積較大，負載不斷分期擴容的情況，在首期配置UPS 容量時，應適當考慮中遠期發展趨勢，并在選型中挑選可并機或多機運行的機型，以使中遠期負載容量增大時，通過UPS 并機擴大其輸出容量。相應地，配置UPS 輸入輸出配電屏時，應預留多臺 UPS 的輸入開關和中遠期的負荷分路開關，以便今后擴容。例如，UPS 的實際負載量為60kVA，則UPS 的最小選擇容量可估算為：（60kVA+60kVA× 20％）/60%=120kVA。

　　2.2 根據負載性質選擇系統容量

　　負載性質一般分為線性負載（包括阻性負載或功率因數已校正負載、感性負載、容性負載）和非線性負載(即帶有電解電容的整流濾波型負載）。

　　根據上表可看出，不同性質的負載有不同的功率因數和峰值因數，所以選擇UPS 時，必須考慮負載的性質。

　　大多數計算機設備的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS 主要針對的負載正是這些智能精密設備，基于這樣的原因，所有的UPS 設計均需采用輸出功率因數匹配為0.7～0.8 的參數，從而最大限度地發揮UPS 的帶載能力。在功率因數匹配的情況下，即計算機負載的輸入功率因數為微容性0.7，而UPS 標定的輸出功率因數也為0.7 時，負載的VA 數與UPS 的VA 數比值為1：1。也就是說1VA 容量的UPS 在不考慮沖擊、曾容等余量因素時可帶1VA 的此類負載。若功率因數不匹配，例如電阻負載，1VA 容量的UPS 只能帶0.7VA 的電阻負載，否則UPS 會出現過載現象(即使UPS 的VA 數大于負載此時的VA 數)。

　　選擇負載容量還應考慮不同負載的沖擊電流，通常UPS 的峰值因數為3：1，適合電腦等非線性負載在正常工作中的峰值因數要求。但當沖擊較大時，UPS 等供電設備的電流容量乘以3 后還不足以滿足負載的瞬間電流要求。在這種情況下需要考慮增加供電設備的容量，從而提高電流提供能力。通常計算機負載在開機時會產生超出平常多倍的大沖擊電流。通常超過UPS 的峰值因數提供能力，因此在選擇UPS 容量時需要考慮負載波動及沖擊余量，適當增大UPS 容量以抵御負載的波動，選擇UPS 容量余量為： UPS 容量(VA 數)：計算機負載容量 (VA 數) = 1：0.7

　　而對于某些特殊負載而言，在起動或工作過程中會產生很強的沖擊電流，負載容量瞬間升高數倍(有時高達6 倍)。對于此種負載應在普通容量余量比例基礎上進一步加大余量。正確的容量配比對UPS 的正常穩定工作及UPS 的工作壽命影響很大，經常工作在滿載或過載狀態下的UPS 系統故障的機會遠遠高于正確容量配比的UPS 電源。UPS蓄電池容量的配置 #e#

　　3 UPS蓄電池容量的配置

　　合理選擇蓄電池的容量，是UPS 對負載設備正常供電的重要保證。容量配置過大，蓄電池不能充分被利用，浪費資源；容量配置過小，又不能滿足用戶對后備時間的要求，且對電池的壽命不利。

　　蓄電池容量選擇應遵循以下原則：即蓄電池必須在后備時間內供電給逆變器，且在額定負載下，蓄電池組電壓不應下降到逆變器所允許的最低電壓以下。其中后備時間應大于從市電中斷到恢復的時間或到發電機組正常供電所需時間（前級供電系統配有發電機組），若此段時間較長，則應配置外接的長延時的電池組，但此時應確認UPS 內部整流器有能力對外接大容量電池組進行充電，否則應配置外接充電器。現在通信局（站）要求油機在停電后的啟動時間為15 分鐘，并且對于UPS 運行中以并機冗余供電方式達到的實際帶載為60%左右，因此建議每臺中、大型UPS 的后備電池延遲時間（按UPS 帶滿負載計算）一般選擇1 小時為宜。

　　UPS 后備蓄電池的容量計算方法很多，恒功率法（查表法）、估算法、電源法、恒流法等，不同的計算方法有不同的結果，我們很難說出哪種計算方法是最準確的，各種計算方法各有側重點，在實際應用中需要綜合考慮蓄電池的使用情況，UPS 所帶負載情況以及應用的場合來選擇適合的電池容量計算方法。其中恒流法比較簡便，適合所有品牌電池的計算，是粗略的電池配置方法。

　　恒流法計算公式：C=（P×T）/（V×η×K），

　　其中：C--蓄電池容量（AH）、P--負載功率（W）、T--理想備用小時數（h）、V--UPS 蓄電池組額定電壓（V）、η--蓄電池逆變效率（查表）、K--蓄電池放電系數（查表）

　　舉例：愛默生系列120KVA UPS 后備時間1h，選用華日2V 系列蓄電池。估算蓄電池容量。

　　解：UPS 一般功率因數為0.8，P＝PUPS×0.8＝120000×0.8＝96000（W），V＝192×2＝ 384（V），查表取η＝0.9、K＝0.3

　　C=（P×T）/（V×η×K）=（96000×1）/（384×0.9×0.3）=926（AH）即選擇2V500AH 蓄電池2 組，即可滿足使用。

　　4 并機冗余運行方式的選擇

　　在通信局（站）中，通信設備是不允許停電的，為了提高UPS 系統的可靠性、便于UPS 系統的擴容和定期檢修維護，常采用并機冗余運行方式。冗余連接方式有多種，各有優缺點，考慮方案時要根據實際負載情況，選擇合適的模式。當前并機冗余運行方式大致可分為兩大類：

　　（1）熱備份（即串聯冗余)。UPS 有主機和從機之分，其基本原理是：主機正常時100% 地承擔負載電流，故障時由從機提供后備電源。由于備用UPS 是在主機旁路處在等待工作狀態，故稱為熱備份。此系統結構及控制簡單，但存在以下缺點：主機長時間工作，而從機處于長期待機狀態，兩機的元件老化程度不均勻，且從機所配蓄電池長期處于浮充狀態，影響蓄電池壽命；在從機供電的狀態下，主機靜態旁路故障時將可能中斷整個系統供電，出現瓶頸故障；系統負載不能超過單機容量且以后無法擴容。

　　（2）并聯冗余。將多于兩臺同型號、同功率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。目的是為了共同分擔負載功率，其基本原理是：正常情況下，兩臺UPS 均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS 故障時，由剩下的一臺UPS 承擔全部負載。三機并聯也是常用的一種方式，比如對于60KVA 的負載，我們可以考慮三臺30KVA 并聯，即使一臺UPS 出現故障，另兩臺UPS 仍然可以承擔全部負載，此為N+1 并聯冗余。并聯冗余的本質，是UPS 均分負載。此種方式目前常有兩種結構，一種是UPS 通過外加并機柜方式并聯，并機柜提供同步及多機均流控制，同時提供并聯系統的總靜態旁路；另一種是在每臺UPS 內安裝一套邏輯控制板，控制各臺機器的同步及均流輸出。此方案的優點是易于擴容（采用并機柜方式時應將并機柜按終期考慮），通過冗余備份提高供電可靠性。但也存在一些缺點：采用并機柜方式，一般會使并機柜成為系統的公共瓶頸點，一旦其內部失控或故障，會導致整個系統供電失敗；此外由于各臺UPS 輸出量參數難以保持完全一致，也會導致各UPS 在向負載供電同時，還在UPS 內部的逆變器間形成環流，當環流過大，將直接危及逆變器安全；如果各UPS 向負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，也會引發故障，一般來說，供電系統中并機數量越多，UPS 電源系統發生故障的概率也越大。UPS 輸入配電的選擇 #e#

　　5 UPS 輸入配電的選擇

　　UPS可以向負載提供穩壓精度高、穩頻、波形失真度小的高質量電源，并且在與靜態旁路切換時可以做到供電無間斷。但要做到這點，它的前級供電質量不容忽視。我們在設計通信機房前級供電系統時，應考慮以下幾個方面：

　　（1）前級供電系統電源質量不宜太差，電壓及頻率應穩定在正常范圍。目前用可控硅設計的UPS 范圍為-15%、+10%，用IGBT 整流器設計的范圍為-25%、+23%；頻率范圍最好選擇范圍較寬的50Hz±5Hz；電壓過低，將使UPS 備電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態而大大縮短它的使用壽命，相反，電壓過高，則易引起逆變器損壞。對于旁路輸入，其電壓和頻率波動也有一定的范圍，一般為額定電壓±10%，如果前級電源變化范圍過大，就會導致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或有間斷。因此，如果通信機房的前級電網在電壓范圍上達不到要求，應在UPS 前級配置合適的抗干擾交流穩壓電源，但不宜采用電子管型交流穩壓器或磁飽和穩壓器，因為這兩類穩壓器在開機時可產生瞬時高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS 故障。

　　（2）前級供電系統中不應當帶有別的頻繁啟動負載，比如經常使用的電梯，頻繁開啟的空調等。原因是在這些負載開、關機時會出現瞬間高低壓，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換控制電路誤動作，進而引起同步控制電路故障。所以在條件許可下，宜將UPS 電源盡可置于電網輸入的前端。

　　（3）前級供電系統中的交流發電機組容量應適當放大。大多數通信機房都備有發電機組，以解決較長時間停電難以供電問題。但在配置發電機組時，其容量應考慮不少于UPS 電源額定輸出功率的1.5－2 倍，以保證發電機輸出電壓、頻率正常，并改善其波形失真度。

　　（4）UPS 主輸入和自動旁路輸入應作隔離要求。如果兩個輸入都是由同一個交流配電屏空開引入，機器內部作連接處理，這將存在嚴重的“單點故障”隱患，當設備內部短路，產生嚴重過載，導致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動旁路將同時失效，造成負載斷電事故。應該將UPS 內部整流輸入與自動旁路輸入的跳線拆掉，使UPS 由單輸入變為雙輸入，即：讓UPS 的送電線路由一路改為二路，分別通過兩只空開向UPS 整流和自動旁路送電，從而避免整流輸入開關故障跳閘后UPS 不能轉旁路的問題。

　　6 UPS 配線的選擇

　　合理選擇配線是很重要的，配線線徑太細，電流太大，容易發熱而引起火災；線徑太粗，則造成浪費。

　　交流電源線可根據經濟電流密度法進行選擇，經濟電流密度法計算公式：S=Im/Ji。其中 S 為銅纜線徑（mm2），Im 為最大負載電流（A），Ji 為經濟電流密度(2～4A/mm2，一般取2.25)。例如，一個通信局最大用電負載電流為100A，則S=100/2.25=44.44（mm2），所以使用50mm2 的銅纜最佳。對于UPS 電源系統中線的截面積應選為相線電纜截面積的1.5～1.7 倍；對于 UPS 電源系統地線的截面積應為相線截面積的0.5～1 倍，但不小于6mm2。直流電纜（蓄電池電纜）可根據電流矩法進行選擇，電流矩法計算公式為：S=（I×L） /(K×△V)。其中S 為電源線線徑（mm2），I 為電源線負荷電流（A），L 為電源線回路長度（為m），K 為電源線的導電率（m/Ω× mm2），銅線為57，△V 為導線上的電壓降，一般取值為2.6V。例如，一通信局站最大負載電流為100A，電池線長度為20m（20m 電池線包括來回線路的長度），固定壓降為0.5V，則所需電池線線經為S=（100×20）/（57×0.5） =70.2(mm2)，應使用75mm2 的銅電纜。

　　7 結束語

　　一個UPS 供電方案的好壞，直接決定了通信機房內重要負載是否能正常運行。在配置通信機房UPS 供電系統時，我們既要節省投資，又要考慮系統的可靠性、靈活性，為通信設備及計算機負載提供有效保障。