|
張乃國
(《UPS應用》編輯部，北京
100086）
摘要：就當前一體化機房供電系統、UPS與EPS的應用特點及發展趨勢進行了闡述。
關鍵字：UPS；EPS（應急電源）；應用技術；發展趨勢
1
一體化機房供電系統的新理念
1.1
電力不足與電力災難
2003年8月14日下午美國東北部、中西部和加拿大南部發生大面積停電，這次持續29個小時的大面積停電，不僅給5000萬美國人和加拿大人的生活帶來極大不便，而且造成300億美元以上的直接和間接經濟損失。
我國也面臨著電力供不應求的尖銳矛盾與事故頻頻發生的嚴峻形勢。今年6月我國電力部門已宣佈，今年將發生嚴重的“電荒”，決定對24個省市自治區採取拉閘限電的措施來保證基本的電力供應。我們應從北美發生大停電的教訓中得到警示，意識到自身電網存在的問題和隱患。
隨著中國資訊化建設的成熟，資訊系統已經涵蓋了各種系統，其中包括航空、氣象、金融、通訊以及交通等重點行業，這些系統無疑是國家的關鍵基礎設施，而電力系統則是維持這些基礎設施不間斷運行的必要保證。
顯然，用戶不可能左右整個電網的可靠性，但可以積極地做好自身小環境的電力保護，因此，用戶自我保護是當前解決企業電力問題的現實之舉，而UPS能夠有效地解決停電事故和電力質量不穩定的問題，在美國、日本以及西歐等國家UPS已得到廣泛應用。
現在用戶已經認識到UPS和備用發電機(油機)的重要性。我國用戶多採用長延時UPS，而國外用戶多採用“UPS＋油機”的方式。事實上，UPS的電池與油機的初始成本相差不多，但油機後期維護成本更低一些，而UPS的電池則需要定期充放電，每隔幾年需要更換，並且供電維持時間很難超過8h，而出現電力事故時，UPS的任務主要是承擔從電力中斷到柴油發電機起動的這段時間內的供電，保證電力供應不出現中斷，而此後的供電應當交給發電機。
雙路供電也是企業實現小環境電力保護的一種有效方式，但雙路供電必須有來自不同配電站的電源供給。並且，機房的UPS還要有冗餘的備份設備。
對企業小環境電源保護系統的配置，用戶應考慮關鍵設備的主次之分。首先應保護最重要的關鍵設備，然後是相對次要的負載。並根據設備的重要程度選擇適當的電力保護措施，避免不必要的投資，造成浪費。
1.2
不間斷供電系統
自從電腦問世以來，對其供電系統的研究就成為保證電腦系統正常運行的重要課題。電腦類(電腦及其它IT設備等)設備對供電系統的要求是比較苛刻的，它不僅要求供電系統提供高質量的電源，保證供電的連續性，還要求提供相應的環境物理條件和必要的系統安全保證措施，供電系統應有很高的“可維護性”和“可管理性”，以及能夠適應電腦和網路系統不斷發展變化的“可擴展性”。
電腦和網路系統的供電以市電為主。影響供電質量的客觀因素一方面是一個國家或一個地區的發電機總裝機容量和配電水平、供電網路結構和配電設備以及維護管理自動化水平的落後，是供電質量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各種不同性質的負載，特別是一些大容量感性、容性、衝擊性、非線性的負載，對電網造成污染，使電網電壓的幅值變化、波形畸變、頻率漂移；另外，自然或人為的原因，如地震、雷擊、輸變電系統斷路或短路等，都會危害電力的正常供應，從而影響負載設備的正常運行。
當前，從全球經濟模式及商務運作形式一直到人們的日常生活方式都在發生著巨大的變化，其中最明顯的莫過於Internet(互聯網)和E－Business(電子商務)的迅猛發展，全球網路、全球通訊、資訊即時處理以及一年365天（8760h）的貿易，將逐漸變成日常生活中不可或缺的組成部分。在電腦網路系統中，所有的硬體加在一起的費用也只是全部網路費用的一小部分(約20％)，而大部分費用用在檢查錯誤，伺服器的重新啟動，維護和更新以及資料重建等上面。從某種意義上講，保護用戶的資料比保護用戶的網路設備更為重要。一個大型企業，深知自己成功與否取決於電腦，即使供電系統出現很短時間的故障，就可能出現如下的致命後果：有損形象；丟失合同；丟失客戶；中止客戶服務；產品積壓；丟失運行的資料。一個網站宕機，一個潛在的用戶在8s內離開，一個路由器宕機，局域網上可能有幾百個用戶無法工作；一個光纖室宕機，可能有幾千個用戶斷開網路連接。
供電系統除了要向負載提供高質量的電源外，保證供電的連續性已經成為重要的不可缺少的功能，不間斷供電系統(UPS)就是在這種形勢下應運而生的。UPS供電系統從產生到現在已有幾十年的發展歷程，在技術不斷發展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發生變化，特別是在網路技術高速發展的今天，這種變化就更明顯，圖1顯示了這個變化過程。1993年以前著重追求對硬體的保護，1993年開始，更多的用戶把電源對資料的保護要求放在了最重要的地位。
圖1 供電系統保護功能的變化
1.3
一體化網路系統
隨著網路應用的深入和用戶需求的個性化，對UPS的應用要求呈現高可靠性、可管理性以及經濟性並重的趨勢，集不間斷電源、機櫃、電源管理、散熱、電力電纜和資料佈線為一體的全套電源供應與管理的“整體方案”可以大大便利用戶的選購、安裝、維護和擴容，降低日常管理、維護的成本。這種應用趨勢演變為廠商之間綜合實力的競爭，包含產品技術、方案提供以及現場服務等多方面的因素。
當前所說供電機房已不再是傳統意義的UPS設備，而是網路關鍵物理基礎設施的體現，它是一套集成系統，UPS設備只能說成是該系統的核心部件。
由於UPS和EPS（應急電源）等電源保障系統是支援大型電腦、電子設備、電機設備系統的，這些系統要有集中測控的設備來監控整個過程的運行。10年前電源保障比較簡單，只是單機單元進行監視與維護。後來隨著系統愈來愈大，所用的UPS容量也愈來愈大，並要求高可靠性。例如民航導航與空管站的UPS，要求有兩套來自不同電網的功率均分並機系統，兩台UPS再並機，即用雙匯流排系統來保證高可靠性與高可用性。如一台UPS出故障，可由並機的另一台承擔。一路市電出問題，還有另一路市電來承擔。與此同時還要求能監控每一塊電池，對發電機組也需監控，對電機的起動電池也得監控。於是電源就成了一個與負載——電腦設備、電子設備、機電設備同等重要而複雜的系統。當然，技術上是可以解決的，但最終受限於成本和價格。於是電源網路化與IT化結合起來，形成“電源、發電機、電池及被保護的電腦、電子、機電”網路一體化的系統。也就是把UPS、EPS、電池、發電機，與被保護的電腦、電子、機電系統看作是一個整體。即“電源、電池、電機、電腦、電子、機電”的“六電一體化網路系統”。
只顧眼前利益忽視安全要求是非常危險的。近來報導的一些廠礦事故、城市火災、坍塌事故等乃是這種意識的嚴重後果。對於“六電一體網”的建設絕不是一個把UPS、EPS、電池、電機與被保護的電腦、電子(如雷達、導航、通信)、機電設備(自動化系統)簡單地接在一個Ethernet（乙太網）上就行了。還要保證物流、能流、人流與資訊流能夠充分地流動起來。
2 UPS與EPS的應用特點
2.1
常用型UPS的特點及功能
U PS按其設計原理與工作方式可分為離線式UPS、線上式UPS、線上互動式UPS三種。
離線式UPS亦稱後備式UPS，以小功率（5kVA以下）為主，主要對市電進行濾波、穩壓調整，以便向負載提供更為穩定的電壓，同時通過充電器把電能轉變為化學能儲存在蓄電池內，一旦電力中斷、電網電壓或電網頻率超出UPS的輸入範圍，可在極短的時間內(幾ms)開啟自身的儲備電源，向負載供電，此類UPS的特點是轉換效率高、易於維護且價格低廉，為絕大多數中小功率用戶電源保護的首選。
線上式UPS以中大功率(5kVA以上)為主，逆變器始終處於工作狀態，與用電設備同時運行，在供電狀態下的主要功能是穩壓和防止電壓波動和幹擾，避免負載遭到長期低品質電力的侵害，一旦市電中斷，UPS中的逆變器會利用機內蓄電池所提供的電能來維持負載的正常運轉，供電轉換時間為零，真正實現了不間斷供電。該類UPS供電質量高，但價格昂貴。
線上互動式UPS以網路使用為主，它結合了離線式效率高和線上式供電質量高的特點，與離線式UPS相比切換時間短。
一台UPS應該包括傳統意義上的以下環節和功能：能在各種複雜的電網環境下運行；在運行中不會對市電產生附加的幹擾；輸出電性能指標應該是全面的、高質量的，能滿足負載的各項要求；UPS本身應具有很高的效率，有接近實際市電的輸出能力；是一台智慧化程度很高的設備，有高度智慧化的自檢功能，自動顯示、報警、狀態記憶功能，以及通訊功能；UPS不僅向由它直接供電的各種硬體設備提供全面的保護，在互聯網時代，還應該向他們所運行的軟體以及資料傳輸途徑提供安全可靠的保護，可配置相應的電源監控軟體，使其具有遠端管理能力，使用戶可執行UPS與網路管理平臺之間的監控和資料通訊操作。
2.2 UPS與網路和資料密切相關
隨著技術的發展，現在的UPS，特別是中大型UPS，不只是一台停電後可以繼續向負載供電的整機產品，而且已成為一個小型的，或者說局部的高度可靠、性能齊全、高度智慧化的供電中心。在網路化時代，UPS已經成為一個高度智慧化的設備，它對整個網路中的硬體設備、運行程式和資料以及資料的傳輸途徑進行全面的保護，使之成為不間斷網路。
它具有如下技術特性。
2.2.1
高可靠性
具有能在365天(每天24h)連續提供高質量輸出電壓的供電能力。這就意味著，在UPS供電系統的運行中既不允許出現任何瞬間供電中斷或停電事故，也不允許出現由市電經交流旁路直接向負載供電的局面。為此，要求UPS供電系統應滿足如下要求：
1）UPS單機本身的故障率低，目前大型UPS產品的平均無故障工作時間(MTBF)可達（2～4）×105h；
2）採用具有高度容錯功能的“N＋1”型UPS冗餘並機系統來進一步提高UPS供電系統的可靠性〔“1＋1”型冗餘並機系統的典型MTBF值可達（14～20)×105h〕；
3）在整套UPS供電系統中，不應存在單點瓶頸性故障隱患；
4）允許在UPS逆變器連續供電的條件下，執行不停電的維護和檢修操作；
5）萬一在用戶設備端出現短路故障時，應將故障的影響範圍縮小到盡可能小的範圍。
2.2.2
高抗幹擾性
UPS供電系統能使互聯網設備獲得100％的高可利用率(低誤碼率，低資料傳輸丟失率、高網路接通率)，創造優良的運行環境。
大量的運行實踐表明，電源幹擾問題是造成互聯網設備可利用率下降的重要原因之一。能否盡可能地消除電源幹擾是確保資訊網路能否獲得100％的高可利用率的關鍵所在。應當說明的是，電源幹擾不僅來源於普通的市電電網，還來源於設計不完善的UPS本身及用戶的互聯網設備本身。這是因為配置在IDC(互聯網資料中心)和MDC(多媒體資料中心)機房內的伺服器、磁碟陣列機、交換機等均內置有開關電源。這種整流濾波型非線性負載會向UPS供電系統反射3～23次諧波幹擾，其可能帶來的後果之一是降低語音通話質量。實踐證明，過大或過多出現電源幹擾，輕者會導致互聯網的傳輸速率下降、網路服務器的資料丟失率增大、Modem的上網掉線率增大等隱形故障，從而導致互聯網設備被迫進入降額使用狀態，嚴重時還會導致網路癱瘓。從這個角度來看，高速資訊網路技術的迅猛發展在給UPS產業帶來巨大商機的同時，也對UPS所能提供的供電質量提出更為嚴格的要求。
2.2.3
具有防雷擊及抗浪湧的功能
雷擊、閃電及電網上的浪湧嚴重威脅UPS系統和電腦網路的安全。如無相應的保護措施，將造成UPS系統及電腦網路的硬體和軟體的損壞。UPS應具有這方面的保護電路，其指標應符合國家及國際安規標準。
2.2.4
超載能力強
由於電腦等屬於整流濾波型負載，在啟動時往往有較大的瞬態衝擊電流，如果UPS的超載能力弱，有可能造成嚴重後果導致系統不能正常運行。
2.2.5
智能化監控
在UPS和電腦／網路之間建立起雙向通信監控管理功能。利用監控軟體管理UPS的運行、操作。當市電中斷或UPS蓄電池電壓處於低限時，監控軟體可將電腦中的資料自動安全存檔、系統安全關機，然後關閉UPS，避免因電力突然中斷而造成作業系統的損壞和資料資料的損失，以實現資料的完整性保護。
2.3 EPS的興起及現狀
EPS已被廣泛應用於建築電氣領域和特殊應急供電場合。隨著社會發展，越是資訊化、現代化，就越依賴於電力。突然的斷電必然會給人們正常的生活秩序和學習帶來影響，尤其是對於生產、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經濟損失。然而，電力故障具有突發性，不以人們的意志為轉移，即使電網設施再先進，意外的斷電也在所難免。目前，城市供電系統的安全對策一般是採用並網供電，為城市電力提供可靠的電源保護。但從企業及工業、民用建築使用情況來看，僅僅靠公用電網還遠遠不夠，必須具備應急供電系統（EPS），其重要性是在事故發生的情況下確保提供所需的應急電力，以有效降低因為斷電而造成的損失，為人們生產和生活安全提供保障。因此，EPS也被稱為“城市生命線系統”的重要組成部分。
2.3.1
EPS的分類
目前市場上的EPS品牌眾多，大家在設計上所採用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用於應急照明和事故照明的單相EPS；二是用於應急照明、事故照明之外，還有應用於空調、電梯、捲簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS；三是直接給電動機供電的變頻系列EPS。
2.3.2
EPS的設計要求
EPS可以說是近兩年才迅猛發展起來的一個新興產業，相比於發展成熟的UPS而言，有相同之處，也有不同之處。其相同點在於都具備在市電故障(中斷)情況下繼續向負載提供交流電源的功能，均採用了IGBT逆變技術和脈寬調製(PWM)技術。不同之處是UPS除了提供不間斷供電外，還兼備改善市電品質的功能，而EPS則主要解決市電故障時的應急供電問題；UPS主要是為IT行業設備提供用電保障，EPS則適用於各種行業；UPS供電模式要求切換時間很短(0～10ms)，EPS則相對較寬(0～4s)；UPS主要帶電腦類負載，而EPS所帶負載混雜；UPS對於運行環境要求較高，EPS則要求能適應各種環境；UPS以一般用戶監控為主，EPS主要用於應急供電，要求與消防聯動；UPS以維護資訊傳輸暢通為主要目的，EPS以防範重大災難事故為主要目的。可以形象地比喻，UPS以“救資料”為主，而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大，機內的逆變器處於備用狀態，因而可以簡單地理解為：EPS就是大功率後備式UPS。
鑒於EPS的主要設計思想是在市電突然中斷時提供安全可靠的應急電力供應，有效避免發生災害時的人身傷亡和財產損失為原則。因此，在設計EPS時應著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：
1）斷電轉換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的及時性；
2）負載適應能力強，包括電容性、電感性、混合型負載，而且超載能力和抗衝擊能力強；
3）有多路輸出，防止輸出單一形成的故障；
4）有消防聯動和遠端控制信號，可手動與自動相互轉換；
5）環境適應能力強，適用於各種惡劣環境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動及鼠咬等措施；
6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；
7）節能，運行效率高，運行成本低；
8）有無人值守、自動操作功能；
9）報警功能齊全，能及時提供各種異常狀況的報警；
10）有強啟動功能，避免電池環節保護後無法啟動；
11）無煙霧、無噪音、無公害等；
12）維護簡單，維護費用低。
2.3.3
EPS的設計原理
1）應急照明和事故照明類照明型的EPS一般以單相為主，主要為應急照明場合（商場、娛樂場所、辦公場所、交易場所等）提供集中供電，如圖2所示。當輸入電源正常時，市電一路通過轉換裝置輸出給日常照明，另一路通過充電器給電池組充電，當控制器檢測到市電中斷或異常(偏低或偏高)時，向逆變器發出啟動信號，並控制互投轉換裝置轉至逆變器輸出。當然，對於EPS的接法不同，還可以把EPS當作二路電源、三路電源使用。
圖2 照明EPS的供電系統
2）應急照明及混合型負載類此類型EPS一般適用於負載性質比較複雜的場合，譬如既有照明型負載，又有動力型負載，所以一般以三相居多，如圖3所示。適用場合為賓館、高層建築、醫院、大型商場等。
圖3 混合負載型EPS供電系統
3）電機專用的變頻起動類此種類型EPS主要為電機類負載而設計，避免因電機起動過程中的大電流衝擊而損壞設備。被廣泛應用於大功率電動機負載，比如電梯、消防水泵、大型風機等。與其他EPS的不同之處是此類EPS一般只有單路輸出，如圖4所示。當三相輸入市電正常時經整流後給逆變器提供直流電，同時經充電器對電池組充電；當三相輸入斷電或異常時，自動轉由電池組給變頻器提供直流電。當需要電機負載工作時，送給變頻器啟動信號(運行信號、遠端控制信號等)，變頻器會立即輸出。從0～50Hz變頻，供給電動機進行變頻起動，當其頻率到達50Hz後保持正常運行。
圖4 電機專用型EPS的供電系統
2.3.4
EPS領域的現狀
隨著科技的不斷發展，眾多的智慧大廈拔地而起，人們在對其居住環境提出了更高要求的同時，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發電機和UPS要晚，人們對其認識的程度還不夠，所以在眾多的應急供電場合，還是以發電機和UPS為主要應急供電方式來實現EPS的功能。就提供應急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。
1）用柴油發電機組作為應急電源是目前大部分工程所採用的，也是最常見的應急備用電源，由於柴油發電機的容量較大，可並機運行且連續供電時間長，所以已經有較長的應用歷史。然而，無論發電機的起動速度有多快，從停電後使發電機接到起動信號開始，至發電機電壓、頻率等達到穩定可以供電時為止，至少需要數十s至數min，這段時間，所有用電設備均停止工作，就可能造成少數設備的損壞或出現生命財產的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms，所以不會影響設備的正常工作。
另一方面，柴油發電機應用在應急供電場合，有諸多不利之處，主要有：
（1）在高層建築中，柴油發電機組一般放在地下室，設計難度大，造價高，配備進風、冷卻、排煙、減震、消音等設施都需要充分考慮；
（2）存在火災隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”，萬一失火，後果不堪設想；
（3）日常維護比較頻繁，工作量大；
（4）柴油發電機噪音大，產生公害；
（5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴重，影響環保。
以負載容量為200kW為例，將EPS與柴油發電機組的性價比作一個比較。選用EPS時，其額定功率與負載功率比為1：1即可，其總價約為60萬元左右。而選用柴油發電機時，其額定功率與負載功率比應為1.3～1.5：1，對200kW的負載，柴油發電機組需250kVA規格，該機組價格為40萬元左右，但是除機組本身價格之外，還需外加其他輔助裝置費用約16～29萬元，現以20萬元計算，即選用柴油發電機組總價為60萬元左右。所以，二者價格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小於200kW時，其價格要小於柴油發電機組的綜合造價。目前消防應急供電場合的負載總容量一般在200kW以下，從投資的長遠利益考慮，EPS較柴油發電機組經濟得多。
2）用UPS作為應急電源EPS從原理結構上和UPS大同小異。線上式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入→整流→逆變→輸出”的順序進行，只有在逆變器故障或超載時才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當市電正常時，市電通過開關S輸出給負載，同時充電器對電池充電。當控制系統檢測到市電停電時，逆變器工作，使開關S切換至逆變輸出狀態，向負載提供電能，如圖6所示。
圖5 UPS供電系統
圖6 EPS供電系統
從以上供電系統圖可以看出，UPS是一種雙變換結構的不間斷電源，主要為負載提供穩定的高質量電能，不受市電電網的影響，而且其轉換時間一般在10ms以內，所以，UPS被廣泛應用於電腦、程式控制交換機、醫療設備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔負著應急供電外，還擔負著改善電力品質的任務，所以其逆變器要連續不斷地工作，使用壽命相對較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長期處於工作中，自身的損耗較大，而且對使用環境要求很高，只能放在電腦房或空調房間裏。
UPS專為IT行業的電腦類和通訊類負載而設計，其負載適應能力不及EPS，舉例說明，如果應急供電場合含有交流感應式電動機一類的感性負載，那麼在UPS的設計選型和使用中就會出現很大問題。由於交流電動機的起動電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的超載能力標準規定：超載125％時，A類為10min，B類為1min，C類為30s；超載150％時10s。如果想要UPS能承受電動機起動電流的衝擊能力，勢必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應急電源，工作既不可靠，還得花費大量資金。
3
UPS/EPS的發展趨勢
3.1 UPS的控制技術
中小型UPS的AC／DC和DC／AC變換大多數仍採用類比控制電路，AC／DC變換器的控制晶片大多數已集成化，使用簡單，工作可靠。DC／AC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環控制，另一種是雙閉環控制。前者控制電路簡單，但難於實現輸出端短路自動恢復。後者控制有電流內環和電壓外環，電壓調節器的輸出為電流調節器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的最大輸出電流。
當前，數位控制已成為新型UPS控制技術發展的主流，數位控制器具有精度高，抗幹擾能力強，易於實現對UPS的檢測、故障診斷和隔離，易於實現遙控遙測，實現多台UPS的並聯和熱插拔，易於實現對蓄電池的監控和管理。也就是說，電腦的介入使UPS具備了智慧化，可以使其運行在最優狀態。
3.1.1
DSP的應用
採用數位信號處理器(DSP)的數位PWM技術，是數位控制技術的核心，用於保證UPS輸出電壓的質量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術指標的要求。數位控制的另一個重要功能是實現UPS的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是類比控制器無法勝任的。由於數位控制器的靈活性，使UPS控制器的硬體電路可以標準化，從而簡化了生產、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。
3.1.2
控制電路的全微處理器化
UPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅動電路、監控顯示及控制保護電路和通信介面電路。其中監控、顯示及控制保護電路和通信介面電路，可以運用數位化設計技巧簡化其電路，並解決原類比電路需要調整、具有溫漂及參數調整不易的缺欠。採用的方法是：
1）全微處理器化利用微處理器來執行監控、顯示及控制保護電路和通信介面電路的功能；
2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信介面的功能。
3.2
蓄電池技術
蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多麼先進，其性能最終取決於它的電池，一旦電池失效，再好的UPS也無法提供不間斷供電。
目前，UPS一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由於採用陰極吸收式密封技術，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環境、體積小、重量輕的優點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，阻止了活性物質脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產生氣體，又可使已產生的氧氣被負極鉛所吸收，使蓄電池無水的損失，達到了密封免維護的目的。
一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續充電，電池連續充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(Advanced
Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然後停止充電；第三階段是自然放電，在這個階段裏，電池利用自身的漏電流放電，一直到規定的電壓下限，再重複上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電後，仍使電池處於一天24h的浮充狀態，因此延長了電池的壽命。
金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用於UPS可以收到小型輕量化的優點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行?50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應用於UPS。
3.3 UPS的冗餘技術和線上維護（熱插拔）
開關整流器的並聯和熱插拔已成為通信電源的基本運行方式，這種運行方式即所謂N＋1冗餘供電方式，用於取代主備方式，使電源的可靠性大幅度提高。主備方式的備份電源的容量和主電源相同，因此使電源成本提高，而且在轉換時還會造成電能中斷。N＋1冗餘供電方式不僅降低了電源成本，並且還保證了供電不中斷。這種冗餘供電方式的實質是通過並聯平行操作的電源模組提供分散式電源，所有的模組並聯運行並平均負擔當前的負載，電源陣列比額定容量多配置一個功率模組，當一個模組出現故障時，特設的電路將故障模組從負載上斷開，其他模組將立即支援所有負載，使其連續不間斷地供電。替換模組後UPS的控制電路和蓄電池均能線上運行。這種靈活的模組化設計，用戶可以自行堆疊電池模組，以增加UPS的輸出功率，延長供電時間，大大增強了電源的可靠性。
UPS的並聯和熱插拔技術要比開關整流器的並聯複雜得多，這是因為交流電的變數比直流電多，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個變數，其任意一個與市電電源不一致，都不能使UPS投入電網。在投入電網後還必須不斷地檢測各台UPS輸出的有功功率和無功功率，通過調節電壓和相位實現各UPS輸出有功功率和無功功率的平均分配。
由此可見，UPS的並聯工作有3個方面。一是正常工作的UPS自動投入電網，二是並聯運行的UPS之間，有功功率和無功功率的均勻分配，三是UPS退出並聯，特別是在不幹擾電網的情況下快速切除故障UPS。這3個要求的實現，也就解決了UPS的熱插技術。
3.4
智慧化UPS的管理系統
所謂智能化UPS，是指將傳統UPS通過與電腦相連的硬體介面，結合特殊設計的軟體，以提供電腦及資料資料的雙重保護。當前UPS智慧化技術有兩個方面：一是加強UPS新功能，與伺服器上的軟體協同工作，使UPS除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實現網路上事件記錄、故障告警、參數自動測試分析和調節等；另一方面是加強UPS的節能功能。
智慧化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，還應具備的功能是：
1）對運行中的UPS進行監測，隨時將採樣點的狀態資訊送入電腦進行處理，一方面獲取UPS工作的有關參數，另一方面監視電路各部的工作狀態，從中分析電路各部分工作是否正常；
2）故障時，根據監測的結果進行故障診斷，指出故障部位，給出處理辦法；
3）完成部分處理工作，除了實現對UPS工作的控制外，還能在發生故障時，根據需要採取必要的應急控制，此外通過對整流部分的控制，按照對不同蓄電池的不同要求，自動完成對蓄電池的分階段充電；
4）自動顯示所檢測的參數，在異常或發生故障時，可以自動記錄有關異常或故障的資訊；
5）按照技術說明書給出的指標，自動定期地進行自檢，並形成自檢記錄檔；
6）能夠用程式控制UPS的啟動或停機，實現無人值守的自動操作；
7）具有交換資訊功能，可以隨時向電腦輸入資訊或從電腦獲取資訊；
8）通過通信介面與電腦互聯，實現網路化監控管理。
推動UPS技術發展的主要動力在於全球電腦網路的迅速發展。為了使UPS能夠更好地適應網路環境的要求，UPS正在向網路化管理和控制方向發展。新型的網路UPS採用一個集成的SNMP適配器，掉電期間，即使UPS不能通過網路傳遞資訊，用戶也可以依靠UPS通過序列埠適時關閉伺服器，適配器接到UPS通信埠上，以實現網路可維持局部停機控制。網路管理人員通過網路中的網管平臺，將UPS作為一個網路設備來管理，即時處理電源故障及UPS狀態報警。SNMP適配器和管理軟體相配合可以同時向任何管理站發出電源故障及UPS狀態報警。在無人值守的情況下，當市電中斷時，軟體會發出告警資訊，並開始倒計時，當倒計時計數到零時或電池耗盡前，軟體即關閉應用程式，並將現場資料存檔後關閉系統，向UPS發出關機命令，切斷UPS，當市電恢復後可自動啟動UPS。
智慧化的網路UPS最基本功能是在長時間斷電的情況下，能安全、自動地關閉網路，確保網路系統及資料的安全性。此外，通過遠端控制裝置，用戶也可以在遠方通過電話遙控UPS，有些UPS還可將UPS狀態或報警資訊通過電子郵件、傳真機或手機等通知外出網路管理人員。
3.5
提高UPS的可用性
從20世紀90年代中期開始，隨著資訊技術的高速發展和網路時代的到來，對UPS可用性的要求越來越高。所謂UPS的可用性，其物理概念是，在規定的使用期間內，UPS的正常運行時間與整個時間的比例。根據這個定義要提高UPS的可用性有兩個辦法：一是提高UPS的平均無故障時間MTBF，二是降低UPS的平均修復時間MTTR。提高UPS本身MTBF的傳統做法是，提高功率開關器件的規格和檔次；改進控制技術，提高邏輯控制元件的規格和檔次；使用更先進的主電路結構；提高智慧管理和通信功能；嚴格生產工藝，加強品質管制(ISO9000)等。但當MTBF提高到一定程度後其效果就不明顯了。用降低MTTR的辦法，效果是非常明顯的。降低UPS的MTTR的做法有如下幾種。
1）一般的做法是加強對UPS，特別是其中的關鍵部件的維護；充足的備件並保證其完好性；加強對維護人員操作技能的培訓，特別是用戶在採購UPS時就要求廠家對售後服務(包括備件提供、反應時間和修復速度)條件做出嚴格承諾。
2）UPS的模組化＋冗餘配置，把整個UPS按電路功能分成幾部分，並在結構上設計成可以插拔的模組，例如功率模組(包括整流器和逆變器)、電池模組、智慧管理和通信功能模組。
3）UPS的冗餘並機配置，在UPS中，可以把控制電路集中起來作為一個獨立的可插拔模組，也可以把功率變換部分集中在一個結構中，作為一個可以熱插拔的模組。為了適應多台UPS並聯供電，也可以把每台UPS看作一個模組，在冗餘熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障後熱插拔修復，或者使每台UPS都具備直接並機的功能。
4）用集成設計提高UPS的可用性，以適應由多種設備組成供電系統的需要。集成化UPS供電系統的基本思想和原則是，供電設備製造和供應的統一化和標準化；系統中供電設備和包括負載機架結構的一體化和連接的規範化；系統中各供電設備和環節（包括負載機架中的PDU）電源狀態管理的集中化；系統中各供電設備和環節結構的模組化和連接的熱插拔功能。
一個完整的供電系統的組成，除UPS設備外，還有輸入配電櫃、ATS轉換開關、變壓器、瞬態電壓浪湧抑制器、負載配電開關櫃、柴油發電機、交流穩壓器、電池系統、各種開關、斷路器、熔斷器、轉插板，上百乃至幾百個連接點和相應的傳輸線。對於一個複雜的供電系統如何提高其可用性呢?僅僅解決UPS設備的可靠性顯然是不夠的，根據系統實際運行的故障資料表明，直接由於UPS故障引起系統宕機的比例畢竟是較少的，由於系統中其他設備和環節以及人為事故造成的故障，或者由此引發的UPS故障占大多數。但是模組化、冗餘配置、熱插拔修復等設計原則還是適用的。當然，系統中各種設備和管理的標準化、統一化和集中化，減少單路徑故障點和大面積掉電的隱患，加快建設速度和安裝的規範化、對環境和負載變化的適應性和系統的可擴展性、降低維護管理的難度和減少人為事故的幾率等問題，也是要研究和解決的重點。
圖7是集成化UPS供電系統示意圖，虛線框內是集成化所包含的內容。
圖7 集成化UPS供電系統示意圖
集成化UPS系統的特點如下：
（1）由單機模組化＋冗餘的UPS系統組成雙匯流排系統，是可用性等級最高的UPS供電系統；
（2）UPS供電系統與資料中心一體化機架式結構，整個系統只有電網進線與外接線；
（3）PDU作為基本組合的一個子系統，直接配置在標準的負載機架中；
（4）該系統結構的基本組合機櫃上的伺服器提供了整套基礎設施，這種基礎設施包括IT機櫃中的冷卻設施、佈線設施和配電設施；基礎組件包含在4個子系統中，即IT機櫃、機架安裝PDU、環境監控以及電源和資料電纜佈線。
3.6
綠色化
各種用電設備及電源裝置產生的諧波電壓和諧波電流，對市電電源是一種污染，隨著各種政策法規的出臺，對無污染的綠色UPS的呼聲越來越高。要求UPS做到使用戶負載既不受已污染的市電電源的影響，同時用戶負載產生的諧波電壓和諧波電流也不要污染市電。對於串並聯補償式UPS，它已經具備了這種功能，對於傳統雙變換UPS，除在輸入端加裝高效輸入濾波器外，還應在輸入整流器部分採用數控有源功率因數校正技術(PFC)，這樣就可以提高輸入功率因數，減少對市電電源的污染。
3.7 EPS的發展趨勢
由於EPS所帶負載類型的複雜性和環境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現實應用。其中包括以下幾方面。
1）結構組成普通EPS為了更好地結合實際應用，往往採用“多合一”的結構設計，但由於負載及環境的複雜性，也由此帶來設備標準化和設計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是採用模組化設計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模組完成主要的能量轉換及通訊控制功能；配電模組實現豐富的配電管理功能。主機模組通過標準控制介面實現對配電模組的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯動功能均應在配電模組中實現。
2）配電模組應增加功能EPS用於緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關鍵程度不盡相同，因此，對於EPS來說，某些配電管理功能至關重要。
（1）順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性衝擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由於EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理介面，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動衝擊電流和加大選型容量的問題。
（2）部分卸載功能由EPS負載性質決定，當超載發生時，需要EPS盡可能繼續工作，而不能象UPS那樣進行保護性關機，因此，同樣可通過配電管理介面卸除次要負載。
3）電池管理由於EPS的使用環境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：
（1）可設定充電限流；
（2）可設定電池放電終止電壓；
（3）具有自動浮充功能，充電機制應符合DIN41773標準；
（4）具有浮充電壓溫度補償功能；
（5）智慧電池檢測功能；
（6）深放電保護(可強制應急)。
4）變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設計，如圖8所示，主要著眼於解決較大電動機，如電梯、水泵、風機等負載的起動衝擊問題，但更為合理的設計，應該是線上式UPS與變頻器技術的完美結合。線上式UPS具有成熟的整流、電池管理技術；變頻器具有成熟的變頻控制技術，兩者的有機結合才是這一應用領域的最終發展方向。
圖8 變頻起動
4
鳴謝
本文摘引近兩年《UPS應用》雜誌曾發表過的文章，謹向原文作者表示感謝。
作者簡介
張乃國（1937－），男，清華大學資訊科學技術學院自動化系電子學教研室副教授。中國電源學會副秘書長，交流電源專業委員會副主任。《電源技術學報》編委，曾任《電源技術應用》雜誌主編，現任《UPS應用》雜誌主編。著書15種，發表論文50餘篇，完成科研成果10餘項。
|
