不間斷電源節(jié)能運(yùn)用的實(shí)踐

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司 姜 寧

不間斷電源節(jié)能運(yùn)用的實(shí)踐

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司 姜 寧

介紹了UPS（不間斷電源）ECO（生態(tài)，節(jié)能，優(yōu)化）模式在通信機(jī)房的運(yùn)用情況。ECO模式是UPS為提高用電效率的一種運(yùn)行模式，是用市電直接向IT（信息技術(shù)）負(fù)載供電。由于不需要經(jīng)過(guò)整流、逆變的變換過(guò)程，減少了電能損耗，效率提高，從而達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果。當(dāng)市電質(zhì)量不能滿足后端設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，切換至UPS“雙變換”工作模式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐闡述，高級(jí)ECO模式比標(biāo)準(zhǔn)ECO模式更適合通信運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)在的運(yùn)用場(chǎng)景，系統(tǒng)安全性與可靠性沒(méi)有降低。

模式； 安全運(yùn)行； 節(jié)能

0 引言

通信運(yùn)營(yíng)商目前UPS（不間斷電源）均為在線式雙變換構(gòu)架，其在工作時(shí)整流器、逆變器均存在功率損耗，運(yùn)行效率僅在93%左右。UPS的高效率不僅要求帶載效率高，同時(shí)也必須具備一個(gè)較高的效率曲線，特別是在“1＋1”并機(jī)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)通信行業(yè)（江蘇移動(dòng)）的維護(hù)規(guī)程，系統(tǒng)負(fù)載率每臺(tái)UPS容量不得大于45%。所以要求UPS必須采用優(yōu)化效率措施，使UPS效率在較低負(fù)載時(shí)也能達(dá)到較高的水平。為了解決上述問(wèn)題，UPS的ECO（生態(tài)，節(jié)能，優(yōu)化）模式應(yīng)運(yùn)而生。

1 ECO模式概述

ECO以技術(shù)、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性為設(shè)計(jì)研發(fā)的基本理念。在ECO模式下UPS運(yùn)行是以提高其運(yùn)行效率的一種特殊技術(shù)。國(guó)外運(yùn)用很早，運(yùn)用領(lǐng)域廣泛。UPS的ECO模式有兩種：標(biāo)準(zhǔn)模式和為高級(jí)模式。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)ECO模式

標(biāo)準(zhǔn)ECO模式有些類似于離線式UPS（也稱作“后備式”或“在線互動(dòng)式”UPS）的基本運(yùn)行模式。在正常運(yùn)行狀態(tài)下不投入運(yùn)行。因此在正常運(yùn)行中，負(fù)載實(shí)際上是直接接入未經(jīng)處理的市電電源。在標(biāo)準(zhǔn)ECO模式下，UPS逆變器實(shí)際上是關(guān)閉的。

1.2 高級(jí)ECO模式

高級(jí)ECO模式中UPS逆變器實(shí)際上是工作的，只是沒(méi)有輸出。我們知道如果在逆變器處于備用狀態(tài)時(shí)發(fā)生市電中斷，則UPS的輸出電壓和電流波形都將受到負(fù)面影響。UPS需要時(shí)間來(lái)檢測(cè)、啟動(dòng)逆變器，并通過(guò)電池向負(fù)載提供純凈的電源。高級(jí)模式是減少切換時(shí)間，以降低標(biāo)準(zhǔn)ECO模式的負(fù)面影響。高級(jí)模式下，逆變器始終保持“開(kāi)啟”狀態(tài)，與旁路輸入電源并聯(lián)運(yùn)行，但實(shí)際并不給負(fù)載供電。由于逆變器保持“開(kāi)啟”狀態(tài)，當(dāng)主電源發(fā)生波動(dòng)或故障時(shí)，它可以完成無(wú)縫切換并繼續(xù)為負(fù)載供電。從安全性與可靠性分析，高級(jí)ECO模式更適合通信運(yùn)營(yíng)商。但是，在UPS效率方面，高級(jí)ECO模式比標(biāo)準(zhǔn)ECO模式低2%～3%。

2 高級(jí)ECO模式的可靠性與安全性

UPS使用中有兩條路徑可以承擔(dān)供電負(fù)載，一條是在線雙變換供電，另一條是旁路供電。當(dāng)旁路激活時(shí)，負(fù)載被直接接入市電狀況下的供電。ECO模式（旁路）比雙變化模式節(jié)能，但這種節(jié)能的表現(xiàn)有所差異，主要取決于UPS設(shè)備的電氣架構(gòu)

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)ECO模式功能時(shí)采用的具體方法。目前有些維護(hù)人員或電源主管認(rèn)為為了節(jié)能，不值得承擔(dān)這些風(fēng)險(xiǎn)； 而有些維護(hù)人員或電源主管通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為可行。其實(shí)分歧的焦點(diǎn)是對(duì)ECO模式的理解存在差異，ECO模式有2種，標(biāo)準(zhǔn)型和高級(jí)型。標(biāo)準(zhǔn)ECO模式有風(fēng)險(xiǎn)，且不適合通信運(yùn)用商在現(xiàn)網(wǎng)使用，高級(jí)ECO模式適合通信運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)網(wǎng)使用。下面是通信機(jī)房的供配電架構(gòu)。

通信機(jī)房樓采用一類市電，分別從兩個(gè)獨(dú)立電源各引入一路10 kV供電線路，兩路供電線路很少出現(xiàn)同時(shí)檢修停電情況。低壓配電均采用“1＋1”冗余配置，系統(tǒng)安全性高。通信機(jī)房整體供電環(huán)境穩(wěn)定，供電品質(zhì)優(yōu)良。UPS系統(tǒng)也是“1＋1”冗余配置，且是“雙重線”。所以本次實(shí)踐確定運(yùn)用場(chǎng)景為：一個(gè)平面的“1＋1”UPS系統(tǒng)進(jìn)行高級(jí)ECO模式并機(jī)運(yùn)行，另一個(gè)平面的UPS保持原“1＋1”在線模式運(yùn)行。系統(tǒng)架構(gòu)沒(méi)有變化，只是有一個(gè)平面的“1＋1”UPS系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（ECO模式），這個(gè)平面ECO模式的安全性與可靠性需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行實(shí)踐來(lái)佐證。首先在實(shí)驗(yàn)室模擬UPS設(shè)備在ECO模式下的運(yùn)用場(chǎng)景，模擬在各種狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)證明可行。下面是實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法與數(shù)據(jù)。

2.1 系統(tǒng)安全性測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)在不同工況下，各種工作模式切換的安全性，電壓波動(dòng)范圍為380 V±20%，頻率波動(dòng)范圍為50 Hz±5 Hz，可能出現(xiàn)的閃斷的持續(xù)時(shí)間均小于5 ms。包括不同工作模式間切換時(shí)間和系統(tǒng)安全保護(hù)機(jī)制。測(cè)試正常。

2.2 不同負(fù)載率下系統(tǒng)效率

系統(tǒng)在不同負(fù)載率（25%、50%、75%、100%）下，測(cè)量高級(jí)ECO模式和雙變換模式下系統(tǒng)效率。

在高級(jí)ECO模式中我們將從旁路輸入異常、重復(fù)旁路輸入掉電異常等多個(gè)方面對(duì)UPS進(jìn)行測(cè)試，觀察其在高級(jí)ECO模式下運(yùn)行的可靠性。UPS #1與UPS #2并機(jī)工作在高級(jí)ECO模式，輸出100%阻性負(fù)載，斷開(kāi)UPS旁路輸入電壓，UPS切換到正常工作模式，用多通道示波器觀察輸出電壓波形，輸出電壓應(yīng)無(wú)異常。

高級(jí)ECO旁路輸入異常切換測(cè)試：UPS并機(jī)系統(tǒng)工作在ECO模式，輸出93%阻性負(fù)載，斷開(kāi)UPS系統(tǒng)旁路輸入，UPS應(yīng)該切換到正常工作模式，用多通道示波器觀察輸出電壓波形，輸出電壓應(yīng)無(wú)異常。

觀察截圖1，我們可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行在ECO模式下的UPS對(duì)電源故障的檢測(cè)和轉(zhuǎn)換時(shí)間可以控制在5 ms內(nèi)，后端IT設(shè)備是感知不到電源的變化。不會(huì)影響到IT設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的安全性。

2.3 ECO模式設(shè)置確保可靠運(yùn)行

ECO模式設(shè)置各家機(jī)器各有不同，因?yàn)樵O(shè)置的敏感度太高，它可能對(duì)輕微電力干擾反應(yīng)過(guò)度，導(dǎo)致逆變器頻繁地被反復(fù)接入，形成乒乓效應(yīng)。如果敏感度過(guò)低，ECO模式的響應(yīng)時(shí)間可能過(guò)長(zhǎng)而不能及時(shí)應(yīng)對(duì)市電瞬間波動(dòng)做出及時(shí)反應(yīng)。導(dǎo)致后端設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題。目前的UPS具備ECO設(shè)置功能，即發(fā)現(xiàn)電力問(wèn)題時(shí)及時(shí)退出ECO模式，在市電穩(wěn)定后，重新啟動(dòng)ECO模式。由于該設(shè)置沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的設(shè)備商可能設(shè)置不一樣，工作方式也不盡相同。這一點(diǎn)也是需要通過(guò)不同的運(yùn)用場(chǎng)景與不同的需求來(lái)優(yōu)化與完善。后期，通信運(yùn)營(yíng)商要考慮的是在柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，是否就ECO模式的使用制定程序，即柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)強(qiáng)行切回“雙變化”模式，不再進(jìn)行ECO模式。

因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)市電存在電源頻繁切換時(shí)，或柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電時(shí)，為確保系統(tǒng)安全、可靠更為重要，所以減少系統(tǒng)切換次數(shù)，消除乒乓效應(yīng)，需要及時(shí)退出ECO模式。而目前有些UPS機(jī)器已經(jīng)有柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的“干接點(diǎn)”接入信號(hào)端，后期可以考慮直接接入該信號(hào)，讓UPS知道輸入的電源是市電，還是柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，以提升系統(tǒng)的容災(zāi)能力。我們本次的試運(yùn)行是用穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間來(lái)判斷市電的質(zhì)量，從這次的市電瞬間波動(dòng)分析，它是可行的，但未必是最佳方案。日后其他運(yùn)營(yíng)商和廠家也可以優(yōu)化該設(shè)置，或直接接入發(fā)電機(jī)發(fā)電信號(hào)，確保ECO系統(tǒng)安全、可靠。

3 運(yùn)用案例

在運(yùn)用中發(fā)生過(guò)一次市電瞬間波動(dòng)，后端設(shè)備沒(méi)有任何感

知，ECO模式的UPS并機(jī)系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于瞬間波動(dòng)太快，當(dāng)天的“動(dòng)力”環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也沒(méi)有偵察到任何波動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該事件還是我們?cè)趨栃腥粘＞S護(hù)工作，察看機(jī)器log（日志）時(shí)發(fā)現(xiàn)。ECO模式的UPS系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一次快速切換，該切換使UPS系統(tǒng)經(jīng)歷了3種工作狀態(tài)： 電池放電（逆變器工作）、雙變換工作、ECO模式（旁路工作）。

2015年4月3日下午南京公司試點(diǎn)的某機(jī)房，當(dāng)時(shí)“宅基線”10 kV瞬間波動(dòng)，由于太快，10 kV進(jìn)線斷路器與低壓總出線斷路器均沒(méi)有動(dòng)作。但是后端的UPS智能設(shè)備感受到，由于通信機(jī)房的UPS主輸入電源與旁路電源均取之同一臺(tái)變壓器，所以在該路電源的所有UPS都轉(zhuǎn)入了電池放電的狀態(tài)。這種情況下，對(duì)雙變換機(jī)器來(lái)說(shuō)，沒(méi)有什么問(wèn)題，因?yàn)楸旧頇C(jī)器就是運(yùn)行在整流、逆變，逆變器始終工作； 而對(duì)ECO模式機(jī)器則不同。高級(jí)ECO模式逆變器始終保持“開(kāi)啟”狀態(tài)，與旁路輸入電源并聯(lián)運(yùn)行，但實(shí)際并不給負(fù)載供電。由于逆變器保持“開(kāi)啟”狀態(tài)，當(dāng)主電源發(fā)生波動(dòng)或故障時(shí)，它應(yīng)該完成無(wú)縫切換并繼續(xù)為負(fù)載供電。對(duì)這種市電瞬間波動(dòng)，既要考驗(yàn)UPS逆變器將承受因負(fù)載突變而產(chǎn)生的電流沖擊，還要考驗(yàn)?zāi)孀兤魉矔r(shí)發(fā)熱并對(duì)UPS內(nèi)部系統(tǒng)造成沖擊。業(yè)界普遍認(rèn)為，瞬變熱量是造成電力電子系統(tǒng)故障的一個(gè)主要原因。電力瞬變現(xiàn)象的事件種類繁多，很難在測(cè)試中進(jìn)行模擬，本次就是一個(gè)實(shí)地檢驗(yàn)。

具體見(jiàn)圖2、圖3。

從2臺(tái)機(jī)器的告警log分析：

電池逆變供電： 電池放電時(shí)間很短，毫秒級(jí)（1號(hào)機(jī)14 ms、2號(hào)機(jī)9 ms）；

主路逆變供電： UPS雙變換運(yùn)行5 min；

濾波器接入： 運(yùn)行對(duì)應(yīng)5 min（本次帶載各機(jī)器負(fù)載都超過(guò)30%，所以濾波器全部打開(kāi)，也是運(yùn)行5 min）；

從告警log記錄顯示分析整個(gè)過(guò)程為： 該系統(tǒng)的UPS經(jīng)歷了3種工作狀態(tài)。① 逆變器工作（電池組放電）、② 雙變換工作、③ 旁路工作（ECO模式）。

通過(guò)2臺(tái)UPS告警記錄分析，本次切換與市電穩(wěn)定后5 min再次切回ECO模式（圖2、圖3中的主路逆變供電時(shí)間）。主路逆變供電、濾波器接入都只運(yùn)行了5 min，所以可以判斷5 min后系統(tǒng)又切回ECO模式。本次ECO模式切換是實(shí)驗(yàn)室模擬不了的，是一次市電瞬間波動(dòng)，極其快速。過(guò)程為： 由于市電波動(dòng)，主路與旁路電源都不可用，“1＋1”UPS系統(tǒng)從ECO模式切到“電池放電逆變器供電”模式； 在極其短時(shí)間內(nèi)，市電又穩(wěn)定了。“1＋1”UPS系統(tǒng)從“電池放電逆變器供電”模式變換為“雙變化”模式（整流、逆變），該模式運(yùn)行了5 min，下面再次切回ECO模式。由于設(shè)計(jì)要求： 高級(jí)ECO模式時(shí)，UPS旁路供電，逆變器處于待機(jī)狀態(tài)并鎖定旁路，逆變器和旁路是通過(guò)逆變SCR（可控硅）隔離，當(dāng)旁路出現(xiàn)問(wèn)題，逆變SCR速度快放開(kāi)，實(shí)現(xiàn)旁路到逆變的不間斷切換。所以完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。本次真實(shí)的事件證明“1＋1”UPS并機(jī)的ECO模式運(yùn)行是安全可靠的。

4 運(yùn)行與節(jié)能分析

UPS高級(jí)ECO模式時(shí)，UPS損耗從5%降至1.5%，效率也相應(yīng)從93%升至96.5%，見(jiàn)圖4。我們假設(shè)核心機(jī)房UPS系統(tǒng)在50%負(fù)載下運(yùn)行，結(jié)果是400 kVA的UPS效率每臺(tái)每提高1%，一年節(jié)省的電費(fèi)為24 303.74元。應(yīng)用ECO模式的UPS每臺(tái)每年大約節(jié)省85 063.09元。南京市核心機(jī)房分別有400 kVA、320 kVA、200 kVA等級(jí)別的UPS，按照一半ECO模式，另一半正常模式，一年節(jié)省電費(fèi)大約在500萬(wàn)元人民幣，而且系統(tǒng)安全等級(jí)沒(méi)有降低。

對(duì)于特殊情況進(jìn)行錯(cuò)誤補(bǔ)救，對(duì)于丟失設(shè)備進(jìn)行文檔銷毀，最大限度地保證了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

2.3.3 文檔在線閱讀

對(duì)于特殊敏感性文檔，企業(yè)出于對(duì)文檔安全性的要求，不希望文檔能夠本地保存，防止文檔外泄。對(duì)于特殊文檔格式，客戶端提供特殊格式文檔在線閱讀的能力，支持的格式包括.WPS、微軟Office、 .PDF等。

2.3.4 文檔安全分發(fā)

文檔無(wú)論是變更還是刪除，都可以通過(guò)通知的方式提醒終端用戶。分發(fā)文檔時(shí)，支持按照自定義策略進(jìn)行分發(fā)，支持消息通知。所有的文檔都應(yīng)通過(guò)安全的SSL（安全套接層）加密傳輸，確保安全、完整、可靠分發(fā)到終端上。

3 總結(jié)

安全在信息技術(shù)時(shí)代是個(gè)永恒的話題，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和迭代，安全問(wèn)題會(huì)涉及到各行各業(yè)并進(jìn)行嚴(yán)格的細(xì)分，本文通過(guò)站在企業(yè)管理者的角度對(duì)企業(yè)移動(dòng)應(yīng)用安全三個(gè)要素進(jìn)行剖析，試圖通過(guò)功能和技術(shù)上的分解來(lái)探討移動(dòng)安全解決思路，希望結(jié)合本文的分析在今后在企業(yè)的移動(dòng)應(yīng)用安全管理上能夠做到有的放矢、彌補(bǔ)缺點(diǎn)和不足，為企業(yè)信息安全筑建一道堅(jiān)固的移動(dòng)辦公安全“長(zhǎng)城”。