大型指揮中心UPS供電方案設(shè)計探討

劉潤琪，朱 全

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引言

大型指揮中心的關(guān)鍵裝備系統(tǒng)有音視頻顯示系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、中心計算機系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。若直接采用市電系統(tǒng)、農(nóng)電系統(tǒng)供電，易發(fā)生斷電、電壓波動及閃跳等現(xiàn)象。人為事故或自然災(zāi)害(如施工、雷暴天氣等)也可能造成電源系統(tǒng)的故障，導(dǎo)致昂貴的關(guān)鍵裝備受損或燒毀，進而影響重要任務(wù)或關(guān)鍵行動中斷甚至失敗。因此，大型指揮中心供電系統(tǒng)的可靠性要求非常高。近年來，不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)作為一種不間斷的供電系統(tǒng)，可有效改善供電質(zhì)量，避免主系統(tǒng)(如中心計算機系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)等)受到電網(wǎng)電壓波動和負載變化的影響。特別是在開啟設(shè)備多、用電量大、易導(dǎo)致供電異常或突然斷電的情況下，為確保主系統(tǒng)和重要設(shè)備的正常、連續(xù)工作，并及時保存數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)丟失，UPS供電系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

各類指揮中心因工作特點、實際運用等不同需求，在系統(tǒng)組成和設(shè)備布局上，對UPS供電系統(tǒng)種類和建設(shè)方式有不同的要求。但因大型UPS供電使用范圍不普及，部分技術(shù)人員并不了解正確的UPS供電系統(tǒng)建設(shè)和使用保養(yǎng)方法。有些建設(shè)單位對如何根據(jù)自身裝備特性及使用需求來設(shè)計選用合理的UPS供電系統(tǒng)方案也不清楚。在實際工作中，UPS供電系統(tǒng)設(shè)計不合理、選型不科學(xué)、使用不規(guī)范等情況大量存在。

目前，基于建筑場所UPS供電方案的研究主要集中在大型數(shù)據(jù)中心。文獻[1]提出了數(shù)據(jù)中心機房UPS供電方案的關(guān)鍵思路。文獻[2]考慮到UPS供電效率低的問題，提出了綠色數(shù)據(jù)中心UPS模塊化設(shè)計方法。而在諸多文獻中，針對大型指揮中心如何科學(xué)、合理地建設(shè)供電系統(tǒng)鮮有涉及。因此，本文從電源選型、供電方式和容量計算等方面，對大型指揮中心UPS供電方案設(shè)計方法進行探討，并對使用、維護保養(yǎng)要求提出建議，以期給相關(guān)人員提供有益參考。

1 UPS種類與供電方式

1.1 UPS種類

依據(jù)工作原理，UPS可分為在線式、后備式和在線互動式三類[3-4]。

①在線式UPS。交流市電經(jīng)過該類UPS的整流器變?yōu)橹绷麟姡倮媚孀兤鬓D(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電后輸出。在此期間，其逆變器一直處于工作狀態(tài)。市電斷電時的切換時間為零，適用于對電源要求嚴格的場合，如數(shù)據(jù)中心和指揮中心等。

②后備式UPS。有市電時，該類UPS處于充電狀態(tài)，而逆變器不工作；當(dāng)市電斷電時，其逆變器切換到工作狀態(tài)，切換時間一般小于10 ms。因其價格相對便宜，適用于對供電質(zhì)量要求不高的場合，如個人、家庭用戶等。

③在線互動式UPS。有市電且輸入電壓正常時，該類UPS處于充電狀態(tài)；當(dāng)市電電壓超出正常范圍時，由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后輸出；當(dāng)市電斷電時，其逆變器切換至工作狀態(tài)。該類UPS的最大優(yōu)點是可以連接計算機，實現(xiàn)遠程控制和智能監(jiān)測，但動態(tài)性能不好且有切換時間，不適用于市電不穩(wěn)定的環(huán)境。

1.2 UPS供電方式

大型指揮中心配置有大量設(shè)備，根據(jù)用途通常劃分為多個分系統(tǒng)。各分系統(tǒng)設(shè)備通常部署在不同區(qū)域內(nèi)。因此，在設(shè)計UPS供電方案時，需要考慮究竟是建設(shè)一套較大功率UPS供電系統(tǒng)為指揮中心所有設(shè)備供電，還是建設(shè)多套小型UPS供電系統(tǒng)為各分系統(tǒng)分別單獨供電。

(1)UPS分散供電方式。

分散式供電是當(dāng)前較為普遍的一種供電方式，根據(jù)各分系統(tǒng)的用途分別配備合適的UPS。為節(jié)約成本、增加可靠性，可對供電質(zhì)量要求高的主系統(tǒng)配備在線式UPS，而其他非重要設(shè)備配備后備式UPS[5]。其優(yōu)點如下。①可靠性高。當(dāng)一個系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生UPS故障，不會干擾其他系統(tǒng)設(shè)備的正常工作，以免因各分系統(tǒng)電源故障而相互影響。②有效避免UPS故障導(dǎo)致所有系統(tǒng)同時癱瘓的可能性。③前期投資建設(shè)不用考慮擴容的問題，避免設(shè)備和資源浪費。④線路敷設(shè)方便。

其缺點是：各分系統(tǒng)都需單獨設(shè)置設(shè)備UPS機房，占用較多的建筑面積；各分系統(tǒng)單獨用電，未進行綜合考慮，導(dǎo)致電源效率不高、浪費嚴重；UPS維護工作量大，使維護管理成本大大提高。

(2)UPS集中供電方式。

大型數(shù)據(jù)中心常采用UPS集中供電，用一套較大功率的UPS為所有系統(tǒng)設(shè)備供電。該供電方式方便管理和維護。但如果各系統(tǒng)設(shè)備部署在不同區(qū)域、距離較遠，則會增加布線難度。其優(yōu)點如下。①不需要為每個系統(tǒng)單獨設(shè)置UPS機房，節(jié)約建筑面積。②采用大功率UPS集中供電，可提高電源使用效率。③只有一套UPS，更容易實現(xiàn)1+1并機冗余，從而增加供電的可靠性。而分散供電難以對各個分系統(tǒng)冗余供電。④減少了UPS設(shè)備的采購成本、可以提高維護人員的工作效率、減輕勞動強度。

其缺點是：如果UPS出現(xiàn)故障，會使整個供電系統(tǒng)癱瘓；一個系統(tǒng)設(shè)備故障，可能會對其他供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響；整體布線難度將會大大增加，線纜成本投入也會大大增加。

2 設(shè)計UPS系統(tǒng)方案時需考慮的因素

2.1 選擇UPS類型和供電方式

UPS的電源類型如表1所示。由表1可知，在線式UPS適用于要求長時間不間斷供電的場所。因此，對大型指揮中心而言，選擇在線式UPS更佳[6]。

表1 UPS的電源類型

由1.2節(jié)可知，大功率電源集中式供電抗負載波動能力強、可靠性高、可獨立進行調(diào)度和運營管理，檢修維護工作相對集中、方便。而分散式供電雖然減少了像大型UPS系統(tǒng)一次性巨額投資和容量長期閑置，但供電可靠性相對不高、設(shè)備維護檢查工作量大，因而更適用于小型低端指揮中心。因此，供電方式建議采用集中供電。

UPS供電為集中方式時，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)需求計算UPS的電源容量，并考慮所選UPS產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率越高，節(jié)省初期投資和長期耗能的費用越多。除此之外，還應(yīng)考慮大功率UPS機房的環(huán)境條件、設(shè)備布局和整個樓層的稱重范圍等。

2.2 UPS功率容量的計算

選擇合適的UPS容量十分重要。若容量過小、負載過大，會縮短電源壽命甚至損壞；若容量過大而負載太小，則會導(dǎo)致運行效率低、資金浪費。UPS容量應(yīng)按總功率(即視在功率)選擇。UPS外側(cè)標有輸出功率，通常用有功功率P(kW)或者用視在功率S(kVA)表示。則有：

P=Scosφ

(1)

式中：cosφ為功率因數(shù)，通常cosφ取值0.8。

①負載容量的確定。

記錄UPS供電范圍內(nèi)所有設(shè)備的有功功率，計算實際負載總和，并折算成視在功率[7]：

(2)

式中：Pi為各設(shè)備有功功率；∑Pi為實際負載的總和。

②UPS容量的計算。

UPS容量由實際負載容量、UPS轉(zhuǎn)換效率和裕量系數(shù)決定：

(3)

轉(zhuǎn)換效率是在輸入額定電壓、輸出額定負載時，輸出的有功功率與輸入有功功率之比。電源自身也是一個耗能器，因此轉(zhuǎn)換效率越高，損耗越小，越省電。在選擇UPS 品牌型號時，應(yīng)著重考慮轉(zhuǎn)換效率這一指標。當(dāng)裕量系數(shù)具有足夠可靠性時，其取決于設(shè)備的啟動容量。若機房長期無人值班且沒有感性負載，通常取值1.5～2；市電斷電后希望設(shè)備關(guān)機時間充足，則取值1.05～1.5。

2.3 UPS電源安裝環(huán)境要求

①環(huán)境條件。

UPS所處環(huán)境應(yīng)做到干凈、通風(fēng)、干燥且溫度適宜。干凈的環(huán)境能有效避免有害灰塵飄進主機內(nèi)部，以免引起電路短路或器件腐蝕。標準使用溫度為25 ℃，濕度為50%，環(huán)境溫度盡量不要超過15～30 ℃。環(huán)境溫度長期過低會降低電源容量，過高將縮短電池壽命。UPS機房應(yīng)通風(fēng)散熱良好，條件允許時可配備空調(diào)。

②安裝條件。

UPS主機兩側(cè)、背部應(yīng)與其他物品、墻面留有至少300 mm空隙，有利于主機散熱；前方應(yīng)留有至少600 mm，以便維護人員維修保養(yǎng)。當(dāng)選擇大功率、長延時UPS外接電池，需將樓層稱重問題納入考慮。根據(jù)《電子計算機場地通用規(guī)范》(GB/T 2887—2000)規(guī)定，空調(diào)設(shè)備、供電設(shè)備用房的樓板荷重應(yīng)根據(jù)設(shè)備重量而定，一般應(yīng)大于或等于1 000 kg/m2或采取加固措施[8]。通常采用增加承重面積或者減少壓強的方法，例如在機柜下增加承重散力支架或增加電池柜數(shù)量。

3 UPS使用維護保養(yǎng)要求

3.1 使用過程維護方法

①按要求開關(guān)機。日常對UPS開關(guān)機必須嚴格按照規(guī)定、要求執(zhí)行。開機時，應(yīng)先給UPS供電，然后挨個閉合負載開關(guān)。應(yīng)按照負載電流由大到小的順序，禁止同時打開負載，以防止負載在通電瞬間產(chǎn)生沖擊電流損壞電源。關(guān)機順序可以看作是開機順序的逆過程。同樣按照此順序逐個斷開負載開關(guān)，然后再關(guān)閉UPS，最后切斷市電[9]。

②合理控制開關(guān)機頻率。UPS開關(guān)機不要過于頻繁，關(guān)機后需至少等待6 s才能重新開機。若設(shè)備長時間不使用，可將其關(guān)閉。給不允許斷電的主系統(tǒng)、重要設(shè)備供電的UPS可以長期處于開機狀態(tài)。而為分指揮所、辦公室等階段性工作場所供電的UPS，在不使用時最好將其關(guān)閉。否則，一旦長時間停電且無值班人員時，UPS即使不帶負載也將持續(xù)工作，自身也會將蓄電池的能量消耗殆盡，增加故障幾率[10]。

③嚴格控制負載類型和荷載范圍。UPS禁止連接感性負載，如電動機和空調(diào)等。這是因為感性負載的啟動電流一般會大于額定電流的3～6倍，導(dǎo)致UPS瞬時超載。額外增加大功率負載應(yīng)在電源容量允許的條件下，禁止UPS長期處于滿載或超載的狀態(tài)，避免電源內(nèi)部器件發(fā)熱嚴重導(dǎo)致燒損；負載過小不僅運行效率低，還會造成電池放電不充分。因此，需嚴格按照實際負荷情況來判斷UPS容量，保證UPS負載的合理性。通常，UPS負載滿足額定功率的30%～80%即可。負載過大或過小都會對UPS產(chǎn)生危害，縮短壽命。實踐證明，輸出負載控制在額定容量的60%左右為最佳。

3.2 日常保養(yǎng)維護方法

①定期進行充放電。為保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定、不人為縮短電源壽命，對指揮中心內(nèi)UPS進行經(jīng)常性的正確維護保養(yǎng)是十分必要的。根據(jù)不同指揮中心運行情況，通常每2～3個月就要進行一次維護保養(yǎng)工作，即測試電池兩端電壓是否超出臨界值、電池內(nèi)阻是否大于80 mΩ。如是，應(yīng)該及時對其均衡充電或替換[11]。

如果市電長期不停電，則需要維護人員定期進行一次斷電，讓UPS帶負載放電。在放出電池容量的30%～40%后，再接入市電正常工作，并記錄放電日期。電池定期放電可以激活其充放電能力，延長實際壽命。每次放電之后需利用內(nèi)部充電回路進行浮充。充電時間不得少于10～12小時，否則會造成電池實際容量變小。

②定期進行除塵和檢修。正常情況下，應(yīng)每年對UPS主機進行除塵和器件檢查，以防止因灰塵堆積或者散熱片松動造成溫度過高而影響電源壽命。如機房環(huán)境較差可縮短至每半年檢修一次。檢修前先斷電。檢修內(nèi)容包括：風(fēng)扇運轉(zhuǎn)是否正常；主機內(nèi)部接線接頭、接插件是否接觸牢固；板間的排線連接是否異常；器件是否發(fā)生燒焦變色；電解電容是否有漏液、膨脹現(xiàn)象。

3.3 UPS常見故障分析診斷

UPS在工作期間難免會發(fā)生各種各樣的故障。為確保指揮中心內(nèi)供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，維護人員應(yīng)根據(jù)故障現(xiàn)象及時進行排查、處理。現(xiàn)將工作中一些較為常見的故障現(xiàn)象、原因及維修方法總結(jié)如下[12-13]。

①UPS輸出電壓為零，且自身未提示故障。其故障原因多為輸出電纜接觸不良。解決方法為：檢查電纜線是否接觸不良，并及時更換不良連接的電纜線。

②UPS無法啟動。其故障原因多為開關(guān)鍵按鍵時間過短或者UPS的輸入斷路器跳閘。解決方法為：按UPS開關(guān)鍵至少保持2 s，若能正常開關(guān)則表明無故障問題；減少UPS的負載，檢查輸入空開上是否接有漏電保護器，確認有無漏電、保護器是否誤動作。

③過載燈亮、旁路燈沒亮。其故障原因多為UPS負載過載。解決方法為：根據(jù)實際使用情況斷開部分負載。

④故障燈亮、過載燈沒亮。其故障原因多為電池或充電器故障。解決方法為：及時與 UPS的售后部聯(lián)系，返廠維修或更換電池。

⑤UPS工作期間電池放電時間不夠。其故障原因多為近期停過電或電池的使用壽命將盡，電池電力不足。解決方法為：對電池正常充電，如果電池組已用滿3～5年，可考慮更換電池。

4 結(jié)論

UPS是大型指揮中心關(guān)鍵核心系統(tǒng)裝備供電安全、穩(wěn)定運行的有效、可靠保障。因此，設(shè)計UPS供系統(tǒng)建設(shè)方案時必須充分考慮裝備特點、布局和供電要求，選用合適的UPS類型和功率，根據(jù)實際情況設(shè)計合理的供電方式；同時，要加強對UPS操管人員的培訓(xùn)，掌握科學(xué)的UPS使用、維護保養(yǎng)方法，從而正確使用和延長UPS服役壽命，使其在保障重要任務(wù)中發(fā)揮更佳的作用效果。