電力系統二次設備UPS配置方案及選擇探討

摘要：電力系統二次設備安全穩定運行首先要有可靠的電源保證，目前電力公司變電站、電力調度控制中心機房都配有相應的UPS設備，不同的二次設備UPS配置運行方式也不完全相同，結合電力公司常見的UPS配置方式做出科學的評述，為電力企業運行維護人員選配UPS提供很好的參考。

關鍵詞：UPS；冗余；熱備份

作者簡介：翟程虎（1974-），男，江蘇漣水人，江蘇漣水縣供電公司電力調度控制中心，助理工程師。（江蘇漣水223400）

中圖分類號：TM7#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）06-0148-02

在構成電力系統電源設計中，主要是雙機熱冗余和雙機熱備用兩種方式。雙機熱冗余在正常工作時兩臺主機同時給負載提供電源，如圖1所示；雙機熱備份正常工作時僅一臺主機給負載供電，另外一臺處于備用狀態，如圖2所示。它們都應在100%的時間內向負載提供100%的經逆變器轉換后的高質量電源。

一、UPS并聯冗余與串聯熱備方式的特點

電力企業二次設備在選購三相UPS時，要在并聯冗余方式和串聯熱備方式中做一選擇，就增加系統可靠性而言，雙機并聯冗余可以增加可靠度，當其中一臺UPS出故障時，所有的負載可由另一臺UPS承擔。因此在應用時，負載的總容量最好不要超過其中一臺UPS的額定容量，否則易發生過載現象。如以兩臺額定容量50kVA三相UPS并機為例，負載最多不要超過50kVA。因此設備投資利用率最高僅為50kVA/100kVA=50%。而不是50kVA+50kVA=100kVA，簡單來說是“l+1=1”，而不是“1+1=2”。因而每臺UPS最高的負載比率也僅有50%。

雙機串聯熱備方式的應用同樣可以達到增加系統可靠度的目的。其中主機UPS故障時，可由另一臺串聯的熱備機承擔所有負載、切換時間可以達到零秒級。同樣，負載的總容量亦不超過其中一臺的較小容量的額定容量，設備投資的利用率最高為50%。但是串聯的主機平時承受100%的負載。一般而言承載100%的負載UPS會比承載50%的UPS效率高。因此，經長年累月工作于在線的模式下，所節省的電費也相當可觀?？偟膩碚f，串聯熱備用方式的效率比并聯冗余方式的效率高。

此外，就“并聯冗余方式可增加輸出容量”而言，雖是事實，但是為使雙機并聯的可靠度能夠得到保證，負載一般不超過任一臺的額定負載。此種應用與串聯熱備UPS的應用相同。

就操縱而言，一般雙機串聯熱備方式UPS在安裝完畢后操縱即與單機一樣簡便。但是在雙機并聯的應用中，因為雙機并聯需要考慮各UPS在電壓、頻率及相位三者完全一致前提下才可并聯，因此操縱上必須留意上述事項。并且，雙機并聯還要增加UPS的配件，以保證每臺UPS要同時鎖相輸出，因此在長時間的運行下，并聯機的故障率將會比串聯機高。有時因電壓、頻率、相位無法一致，操縱時僅能保持主機運行而從機封閉。

另外在保養維修時，雙機串聯熱備機在主機維修時，可自動切換旁路由從機提供不間斷電源，繼承供給電力設備，較為便利。雙機并聯作維修時須先封閉其中一臺UPS，而維修完重新并聯運行時，須再次遵守其復雜的操縱程序開、關機，以確保穩定的向負載提高持續穩定的電源。

在雙機并聯冗余方式應用中，有時為使兩機的電壓、頻率、相位保持一致，須額外加一個通訊單元（或稱并聯板），以便使兩臺并聯UPS內部的微機處理（CPU）相互通訊。因此，此通訊單元或并聯板由電纜線連至兩臺并聯的UPS通信接口。額外增加了空間的連接的配置。而在雙機串聯熱備方式中則沒有上述的通訊單元或控制單元，可節省空間配置。

二、UPS并聯冗余與串聯熱備方式的比較

1.目的相同

UPS并聯冗余方式與串聯熱備用方式都是為了提高UPS系統的可靠性。

2.易實現性

UPS并聯冗余方式要通過并機裝置實現并聯，即使有的機型無須外加并機裝置，但在控制上要有UPS間同步等控制連接（通常采用有線或無線方式）。熱備份方式不需外加任何外部設備，這樣就大大減少了故障點，方便地實現現場安裝調節以及日常維護。

3.靈活性

UPS并機冗余方式需由統一系列的UPS設備才能實現，而熱備份方式只要主備機具備熱備份功能可以實現不同機型、不同品牌、不同系列UPS設備之間的熱備份使用，且可以靈活地實現主機和備機之間的互相轉換。

4.隔離性

UPS并聯冗余方式要將兩臺UPS設備的輸出并聯，即將兩個UPS的逆變器并聯使用，兩機之間完全沒有隔離，兩臺UPS的功率單元部門處于一種動態的平衡供電狀態。UPS并聯冗余方式因為兩臺UPS沒有完全隔離，因此，要求兩臺UPS的輸出電壓、頻率波形畸變、輸出阻抗以及上述指標的動態特性必須完全一致，其中任何一項的不一致都會導致并聯冗余方式不能正常工作，還會釀成嚴重后果。

熱備份方式中的兩臺UPS是完全隔離，獨立運行的，熱備份系統之間的切換通過主備機內部的自身消息狀態開關實現。熱備份方式因為具備了良好的隔離性，兩套UPS單獨運行，因此不存在并機冗余方式的安全隱患。

5.可靠性

在UPS并聯冗余方式下，因為諸多原因，如電網的頻率擾動、負載的擾動等，都會引起UPS狀態的變化。所有兩臺UPS的動態響應指標必須保持一致，否則 UPS為了自身的安全就會自動解開并聯狀態，改由其中一臺單獨供電。這種隨機泛起問題一旦雙機配合處理不到位，將會造成供電系統的間斷，失去并聯的意義。熱備份方式因為兩臺UPS單獨運行，時刻處于備用狀態，在動態過程中即使主機故障，備機也可以及時投入使用，而不會造成停電事故。

6.負載分配

UPS并聯冗余方式由兩臺UPS分擔負載，當其中一臺發生故障時，另一臺由半載變為承擔全載，負載的波動對機器的影響相對較小。熱備份方式正常時由主機承擔全部負載，當主機發生故障時，備用機由空載加至全載，負載的波動對UPS的影響相對較大。隨著目前UPS技術的改進，可以使得UPS在引起負載突變時，其輸出不亂度保持在2%以內，很好地解決了上述問題，但對于動態特性在100%以上的UPS，在做熱備份系統使用時要充分考慮這一因素。

綜上所述，雙機并聯冗余方式不宜做增容使用，否則其冗余功能將會喪失。只有當面臨某單一大負載，而單臺UPS容量不能滿足要求時，可使用并聯增容系統。雙機串聯熱備方式會比雙機并聯冗余方式有較好的經濟效益，而且具有相同的可靠度。總體來說，對于中央機房的UPS供電系統，采用多臺UPS并聯冗余方式較為適合，而且拆除一臺UPS可不影響對負載供電；而對于分散式負載，多臺UPS串聯熱備用方式最可靠。

三、UPS主機選型

UPS主機的可靠性是UPS供電系統的核心，在選擇UPS主機時應留意以下事項：

（1）功率器件是UPS變換器的心臟，要選用優質的低溫升功率器件制造的UPS，并使器件運行在最佳狀態，以加強UPS機能和可靠性。

（2）需選擇全數字化、集成化控制電路的UPS。在變換、控制、反饋、測量、顯示、通訊等方面均采用數字化技術。目前的部分UPS只有DC→AC是數字化，而AC→DC還是在模擬狀態下工作，因此這些UPS只能算作部分數字化；而先進UPS從AC→DC和DC→AC均為數字化，而且還采用雙數字信號處理器（DSP）及大規模集成專用電路（ASIC）和直接數字控制（DDC）技術，才算真正邁上了全數字化的臺階。數字化程度代表了UPS高指標、高可靠、高不亂的特性。

（3）選擇寬輸入電壓范圍，大功率UPS能達到電網AC380V/+15%、AC380V/-30%電壓變化范圍。

（4）選擇高輸入功率因數的UPS，因高輸入功率因數能減少無功損耗，節約電能，降低電網的諧波污染及空間輻射干擾。目前最新產品的輸入功率因數達到0.999，可以顯著減少輸入端無功損耗，節約運行，同時沒有電網污染及空間輻射，是真正的綠色環保電源。

（5）選用平均無故障時間（MTBF）長的UPS，MTB是F反映UPS長期運行的可靠性程度的一項重要指標，從UPS市場的統計資料可知，現在我國市場的UPS的MTBF一般都在10萬小時以上，但不同品牌UPS的可靠性指標是有顯著差別的。

四、負荷容量及方式選配

（1）一般UPS選擇根據設備的負荷容量來選擇，一般UPS的容量=負載容量/0.7。如：負載容量7000瓦，那UPS容量=7000/0.7=10000VA，所以選擇容量為10kVA的UPS就滿足要求。

（2）根據現場供電環境選擇輸入及輸出的要求選擇對應功能的UPS，如：現場電力環境為380V，負載設備為220V，就可以選擇UPS為三進單出的設備。

（3）蓄電池組的配置。一般蓄電池組的配置根據負載停電后的需求持續供電時間而配置。

配置的公式：蓄電池容量=UPS容量/UPS直流電壓*延長時間

如：某10kVA的機器，需要持續供電2小時，UPS直流輸入電壓為192V，則蓄電池容量=10000VA/192V*2H=104.2AH，所以配置一組100AH容量的蓄電池就可以延時2小時。

五、結語

本文系統論述電力系統二次設備常用不間斷電源（UPS）兩種工作方式各自的優缺點，對UPS的應用場合、產品的選配也做出具體的評述，為電力系統二次運行維護人員維護、選用UPS設備提供科學的理論依據。

參考文獻：

[1]曹保國.UPS應用技術[M].北京:化學工業出版社，2008.

[2]王其英，劉秀榮.新型不停電電源(UPS)的管理使用與維護[M].北京:人民郵電出版社，2005.

（責任編輯：劉麗娜）