关于UPS系统建设若干问题的探讨

2020-04-06张立浩

数字通信世界 2020年3期

张立浩

（中通服咨询设计研究院有限公司，南京 210019）

1 UPS主机工作原理

1.1 UPS的作用及功能

数据中心、通信机房中的用电设备，诸如服务器、路由器、交换机、磁盘阵列等设备对供电质量要求很高，不仅在运行过程中不能停电，还需要电能的电压、频率、波形及相位完好，因此不间断电源（UPS）供电系统得到了迅速的发展和普及，在通信设备供电系统中占据了重要的地位。

UPS主要具有3个功能

不间断供电功能：在UPS系统中配置一定容量的蓄电池，在市电断电时，通过蓄电池逆变供电给通信设备，后备时间可以为15分钟、30分钟或更长时间。

隔离干扰功能：市电电源输入UPS系统后，经过整流和逆变两个转换环节，可将电网中的电压波动、失压、谐波、频率扰动等干扰因素与通信设备完全隔离，在不影响电网的前提下，保证设备的可靠供电。

电压、频率变换功能：通过UPS，可对输入电压等级进行转化，以满足通信设备用电需求。

1.2 UPS系统工作原理

当市电供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声滤波器除去电网中的高频干扰得到纯净电压，然后进入充电器对蓄电池组进行充电；另一路进入整流和滤波，并将交流电转换为平滑直流供电给逆变器并转化成220V/50Hz的交流电供通信设备使用。当发生断电时，滤波器、整流器、充电器不再工作，但此时蓄电池放电，把直流电输送至逆变器并转换为交流电供给通信设备，因此对于通信设备来说，市电中断，在蓄电池能量放完之前，并未受到任何影响，仍可以正常运行。

UPS工作原理

2 UPS与蓄电池容量配置

随着UPS应用场景的多样化，各厂商可生产多种规格的UPS，常见的容量规格包括60kVA、80kVA、120kVA、200kVA、300kVA、400kVA等，关于选择何种容量的UPS，主要从通信设备的用电功耗、功率因数及UPS负载率等方面进行考虑，并按照以下公式进行计算：

S=P/（η×cosΦ）

式中，S为UPS容量，单位kVA；P为通信设备功率，单位kW；η为UPS安全负载率，一般为80%～95%；cosΦ为通信设备功率因数，一般为0.8～0.95。

例如：某机房规划安装80架通信机柜，单机柜功率为4kW，则UPS计算容量为：S=80架×4kW/（90%×0.9）=395kVA，因此可选择容量为400kVA的UPS主机，可满足通信设备用电需求。

蓄电池类型主要包括阀控式铅酸蓄电池，磷酸铁锂蓄电池两种，其中阀控式铅酸蓄电池因储存电能大、安全可靠且造价较低，主要应用于大型数据中心机房，磷酸铁锂电池因重量轻、占地面积小等特点，主要应用于中小型通信机房。

蓄电池主要容量包括12V/65Ah、12V/100Ah、12V/200Ah以及2V/400Ah、2V/500Ah、2V/600Ah、2V/800Ah等，电池选型配置方法包括安时容量法、恒功率法、速算法、阶梯累加法等，考虑到UPS多数应用工况，恒功率算法在成本控制、性能满足上能够实现合理的配置，因此本文仅介绍恒功率算法，计算公式如下：

P电池=K×S×cosΦ/η逆变

式中，P电池为电池总输出功率；K为安全系数：一般取1.25；S为UPS主机容量；cosΦ为通信设备功率因数，一般为0.8～0.95；η逆变为逆变器效率，一般取0.94。

例如：UPS主机容量为400kVA，可支持电池只数为40只及最多4组并联，通信负载需要后备时长为15分钟，则需要的电池总功率为：P电池=1.25×400000×0.9/0.94=478723W，单体电池功率为478723W/40只/4组=2992W，经查表可知12V550W可满足后备时间需求，因此蓄电池配置为：12V550W×40只×4组。

某厂家恒功率放电数据

3 UPS系统组织架构

互联网数据中心、金融中心以及民航空管部门等的重要通信设备，要求UPS系统的可用性需要达到6个“9”，即99.9999%。这些重要用户一年内所能承受的停电时间不能大于31s，即每天的停电不得多于0.09s，否则将给这些重要负载带来不可估量的损失。为此，需要采用2N或3N系统架构。

3.1 2N系统架构

在2N系统架构中，需要设置两套互相独立的UPS系统（每套系统可以是单机运行，也可以为1+1冗余运行），每套系统的市电输入、蓄电池配置、输出配电屏等完全独立，双电源通信负载可分别从2套UPS系统引入交流电，单电源负载可通过静态开关（STS）从2套UPS系统引入交流电。2N系统为100%冗余系统，为通信负载提供极高的可靠性和可用性。