UPS节能措施及应用

赵慧峰，石利宏，梁凤珍

（1.吉林石化公司化肥厂，吉林吉林 132000； 2.中国石油吉林数据中心，吉林吉林 132000；3.吉林石化公司机动处，吉林吉林 132021）

0 引言

UPS（UninterruptiblePowerSupply，不间断电源）作为常年不间断运行设备，运行效率的高低直接影响着系统的运行成本。UPS负载率是影响运行效率的直接因素。负载率从40%到100%时，UPS的效率基本保持不变；当负载率＜30%时，UPS的效率将有较大的下降。

1 UPS供电系统节能

1.1 模块化智能休眠节能

在多机/冗余系统的配置中，传统的方法是分批采购、通过关闭1台或多台UPS达到在轻载下的效率最大化（图1）。智能动态功率调节技术是通过选择性将一部分模块置于空闲状态使整个系统达到较高的效率点，一些模块处于“热备份”状态。负载由剩余的激活模块供电（图2）。

图1 UPS效率与负载配比

图2 模块化智能UPS

1.2 UPS轮巡休眠节能模式，提高 UPS负载率

UPS的节能，主要是要克服整流、逆变等环节上的额外能耗。那么，延伸出来的技术主要是休眠模式——逆变器关闭，整流器不关闭；包括逆变部分的隔离变压器关闭；整流器不关闭，电池正常充电。

某数据中心UPS共有 48套 UPS。44台型号为Hipulse NXL500k的UPS设备，安装在动力变电所、1#～10#模块变电所中，单台UPS负载率普遍＜10%。由于负载率较低，部分UPS甚至处于空载状态，UPS本身消耗着较多的电能（图3，其中，ACPPC是交流开关柜，STS是静态转换开关）。表1为实际测得某日24h各机房UPS负载率数据。

图3 某数据中心UPS运行现状

2 UPS节能方案及案例分析

2.1 并机系统休眠轮巡模式介绍

对于低负载并机系统，设定其在一定的负载量下。将负载集中到并机系统的一部分设备上，余下设备进入休眠状态；日常运行时设定设备按照一定时间周期 轮巡；由于改造对象是并机双母线系统，对一部分设备休眠，并不会对系统可靠性造成根本性的影响。休眠轮巡方案要点如下。

（1）当一侧母线总负载＜单台UPS容量30%（待定）时，系统将安排1台UPS运行，3台UPS休眠。

（2）当一侧母线总负载超过单台UPS容量30%（待定）＜60%（待定）时，系统将安排2台UPS运行，2台UPS休眠。

（3）当一侧母线总负载超过单台UPS容量60%（待定）时，系统运行在全运行模式，恢复到3+1模式。

（4）当主用UPS有故障需要退出运行时，同母线侧UPS不间断切换至旁路，保障供电，继而激活处于休眠状态的UPS，后从旁路回切到非故障UPS进行并机供电保障。

（5）平时运行时，同一母线上的UPS按预设的优先顺序轮流休眠，应先激活休眠UPS顺利投用后再将运行设备进入休眠——如UPS-1b激活投用，UPS-1a进入休眠。

UPS系统默认1#UPS为通信主机，4台UPS无控制主机。任何一台都可进行唤醒及切换动作。UPS轮值时，先进行下一台需要运行的UPS唤醒，当其逆变器工作稳定运行2min后，再关闭需要休眠的UPS使其进入休眠状态。负载＜单台UPS容量30%时，UPS1用3备；负载在单台UPS容量的30%～60%时，UPS2用2备；负载在单机容量的60%～90%时，UPS3用1备；负载＞90%时，UPS全部唤醒启动。

表1 UPS负载及效率统计

（1）4台UPS并机系统全部运行后，当一侧母线总负载＜单台UPS容量30%（可变）时，系统将根据负载情况，等待2min逆变器休眠确认时间，4#UPS逆变器。同理再经过4#UPS2min休眠时间，关掉3#UPS逆变器，3#UPS开始休眠，直至1#UPS运行，其他3台UPS休眠。根据现场设定的轮巡时间，当到达轮巡时间后，1#UPS唤醒4#UPS运行，等待2min逆变器休眠确认时间后，1#UPS休眠，依次类推。

（2）接上一步，当一侧母线总负载从单机UPS容量的30%逐步增加到60%（可变），且未达到60%时。系统还是默认为单台UPS工作，其余3台UPS休眠。当达到轮值时间达到时，需要唤醒另一台UPS逆变器工作时，另一台UPS也处于逆变器工作状态，原来处于工作的UPS还是处于逆变器工作状态。即1#UPS唤醒4#UPS后，2台UPS同时工作。再经过一个轮巡周期后，唤醒3#UPS工作，1#UPS经过2min后进行休眠，依次类推。

（3）接上一步，当一侧母线总负载逐步增加到单台UPS容量90%（可变）时，且未达到90%时，2台工作的UPS会在轮值周期内一直工作，直到唤醒第三台后，3台UPS进入轮值一同逆变工作，再经过一个轮值周期后，唤醒第四台UPS，经过2min后，需要休息的UPS逆变器自动停止。3台逆变工作，1台休眠。依次类推进行轮巡。

（4）接上一步，当一侧母线总负载逐步增加到单台UPS容量120%时，3台工作的UPS还会继续工作，单台休眠的UPS还会休眠，直到到达轮巡周期后，唤醒休眠的UPS工作，此后，UPS都工作，不进行轮巡。

（5）如果在（1）处检测的负载为单机UPS容量30%～60%，则最终进入2台轮巡方式工作；如果检测到的负载为单机UPS容量的60%～90%，则最终进入3台轮巡方；如果检测到的负载为单机UPS容量的90%以上，则进入4台UPS逆变器同时运行方式。

（6）如果在突然增加一个较大负载，UPS系统会唤醒所有休眠中的UPS共同承担负载，待负载检测稳定后，再更具相应区间进行UPS轮值工作。

（7）当主用UPS有故障需要退出运行时，同母线侧UPS不间断切换至旁路，保障供电，继而激活处于休眠状态的UPS，后从旁路回切到非故障UPS进行并机供电保障。

（8）当轮巡UPS遇到有任何故障信息时，除故障UPS退出运行外，其余UPS全部唤醒处于逆变工作状态。待故障清除后方可进入轮巡模式。当单台轮巡中的UPS故障时，如果是本台机器故障，则其他3台均切换至旁路，进而切换至3台UPS逆变器供电，退出轮巡方式，故障UPS退出运行。当故障消除后再进行轮巡方式。如果是非单台运行UPS故障，则除故障UPS外全部唤醒，退出轮巡方式。

（9）当有告警信息出现时，对应的告警的UPS及1#通信主机UPS退出轮巡，均被唤醒其他UPS继续轮巡。

（10）UPS可进行手动关逆变，该台机组退出轮巡模式，当开启逆变后，自动进入轮巡模式。

2.2 UPS轮值休眠节能效果

2.2.1 休眠轮巡方案节能计算

500kUPS主要参数：①逆变空载损耗8.25kV·A；②休眠空载损耗4.27kV·A，其中充电耗能1.62kV·A，输入损耗2.65kV·A。试验平台测试数据如下。

（1）负载＜单机容量30%时，单台功率在5.8kW（表2）。

表2 负载＜单机容量30%时4台UPS测试数据

（2）负载在单台UPS容量的30%～60%时，单台功率为16.25kW（表3）。

表3 单台UPS容量负载30%～60%时4台UPS测试数据

（3） 模拟 5#，6#，9#，10#总输出为 30%负载，单台 UPS 负载7.5%（135kW），见表4。

表4 30%负载4台UPS测试数据

（4）模拟7#，8#总输出为40%负载，单台UPS负载10%（180kW），见表5。

表5 40%负载时4台UPS测试数据

2.2.2 休眠轮巡方案实际节能效果

以某北方大型数据中心变电所UPS作研究，有规律性的关闭某（几）台UPS逆变器，再对UPS进行每月手动轮值操作。经过几个月的观察，1#变日平均节省电能440kW·h，2#变日平均节省电能360kW·h，3#变每日平均节省电能370kW·h，4#变每日平均节省电能380kW·h，5#变日平均节省电能210kW·h，6#变日平均节省电能210kW·h，7#变日平均节省电能90kW·h，8#变日平均节省电能110kW·h，9#变日平均节省电能230kW·h，10#变日平均节省电能220kW·h，合计每日节省电能2620kW·h，PUE值降低了0.4。每年平均节省电量956.30MW·h。每年可节省电费54.51万余元人民币

3 结论

随着UPS不断发展，UPS不间断供电系统已非常成熟，发展方向也逐步趋于直供电与高频模块机相结合。主电源是市电经过滤波器直接供电，当市电停电或波动后转由UPS供电，UPS同时具有高频模块化功能，UPS供电时自动分配达到效率最大化。这种有些颠覆传统UPS的新型UPS系统已经在各大数据中心陆续使用。由于普通工厂及数据中心企业大部分仍使用工频机，为此着重介绍工频机的节能，即轮值休眠。在保证稳定运行的前提下，使得UPS达到最大使用效率，同时节省逆变器损耗电能。

［1］黄群骥.谈谈 PUE［J］.机房技术与管理，2015，59（3）：21-23.

［2］谢富熹.数据中心机房的节能设计［J］.科技传播，2011，1（上）：179-182.