UPS冗余并机系统案例分析

王雪娟 秦 凯

(军事科学院国防工程研究院，北京 100850)

1 概述

随着IT设备的大量应用，UPS供电系统已成为电气设计中一项非常重要的内容，冗余并机的供电方式很大程度上增大了系统的供电容量，提高了系统的供电可靠性，但也带来各种问题值得注意。

2 项目基本情况介绍

某项目现场为两台索克曼UPS主机，型号为MP300 kVA、工频50 Hz可控硅机型，2013年投入使用，两台UPS组成的是冗余并联系统。并机方案是导航型直接并机方案，即在出厂时将其中一台UPS单机指定为具有优先跟踪市电电源的“导航UPS”,让并机系统中其他逆变器跟踪“导航UPS”而不是去直接跟踪市电电源[1]。拓扑系统如图1所示。正常工作时,每台UPS只承担一半的负载电流，如果在UPS运行中，其中一台UPS出现故障，在并机逻辑控制电路的作用下，它会在向用户发出故障信号的同时，自动将位于逆变器输出通道上的断路器开关断开，从而将有故障的UPS同用户负载总线脱机，剩余的一台UPS仍具有足够的输出功率继续向用户负载供电[2]。并机运行单台UPS负载率20%～30%，单机运行负载率50%左右。

3 UPS运行中发现问题

值班人员在例行检查工作中发现2号UPS的一台交流电容器的表面温度异于其他3台，打开保护罩手测温度较低，初步判定其已停止工作。交流电容是比较重要的部件，而且一旦故障后果非常严重，于是甲方决定立即对两台UPS中的四台交流电容统一更换。

11.20夜间负荷较小的情况下，首先将2号UPS退出运行，进行交流电容器的更换，更换下来的故障电容器端部已有明显凸起，表面冰凉，应该是早已退出工作。2号UPS交流电容更换完成后顺便进行了除尘工作，然后重新启动2号UPS，发现其逆变器输出与旁路电源的相位差偏大，系统报警，电脑读取数据逆变器与旁路相位差为-326如图2所示。据UPS厂家技术人员介绍，这个值在200以内时说明逆变器输出电压与旁路电压为同步状态，UPS在旁路和逆变之间可以完全正常的转换；在200～400之间时，UPS在旁路和逆变之间的转换可能出现不正常；这个值大于400时为不同步状态，UPS在旁路和逆变之间不能正常的转换；由于当天时间不够充分，各方商定另找时间对这一问题进行检查，并更换相关可能引起此问题的配件，必须找到原因排除隐患。

4 查找问题及处理措施

4.1 离线排查电路板

12.4夜间UPS技术人员带来了仓库备用的并机控制板、主控板、并机通讯板等电路板，准备逐一进行排查。第一步先将2号UPS退出运行，更换其并机控制板，完成后用电脑在线测试数据显示逆变器与旁路相位差达到-500；第二步更换2号UPS主控板，完成后用电脑在线测试数据相位差依然不正常；第三步将1号UPS也退出运行，负载切换到手动维修旁路，更换2号UPS并机通讯板；第四步启动1号UPS，转入1号UPS逆变器输出，电脑在线测试数据显示2号UPS相位差仍然为-400多，这说明2号UPS更换的电路板并没有改变相位差过大的问题；第五步继续将1号UPS退出运行，负载切换到手动维修旁路，更换1号UPS并机通讯板,启动1号机在线测试2号UPS相位差保持在-400多；第六步更换1号UPS并联控制板，启动2号机在线测试2号UPS相位差为51，正常；但此时在线测试1号机又发现其相位差为+500多。总结上述现象，就是两台冗余并机UPS，先启动的主机相位差正常，后启动的从机相位差则异常。

4.2 确定问题所在

主机自身逆变器输出很容易追踪其旁路输入，相位差正常；但后并入系统的从机逆变器输出首先要追踪主机UPS逆变器输出，其逆变器输出与旁路输入一直存在较大的相位差。以上现象似乎说明，两台UPS的旁路输入存在相位差。

现场查看UPS电源配电柜见图3，经查证1号UPS电源柜进线编号为11AA-1，2号UPS电源柜进线编号为5AA-1。这两路电源引自院总变配电室，经确认11AA-1引自上级变配电室2号变压器，5AA-1引自上级变配电室1号变压器，而且该院区两路10 kV高压电源引自不同开闭站。

UPS电源上端的各台变压器,即使来自同一电网,其电压、相位也可能不完全相同,如不同接线方式的变压器,对应同相端之间就会有电位差,如果输入到并联运行的UPS上,在主路整流—逆变双变换运行时,系统尚可正常工作,但系统转旁路运行时,可能会烧毁旁路开关。那为什么系统已经运行7年之久呢。原因一是之前两个电源之间的相位差不大尚在允许范围内，所以系统没有报警；二是没有发生自动转旁路工作的情况。

如图4所示，上级变压器线圈连接组别均为D,yn11，但两路10 kV电源来自两个不同的开闭站,其电压、相位很可能不完全相同,对应同相端之间的电位差输入到并联运行的UPS上,在主路整流—逆变双变换运行时,系统尚可正常工作,但系统转旁路运行时,可能会烧毁旁路开关。如果两个电源的相位差超过系统设置的临界值时，也会在从机追踪主机逆变器输出电压相位的过程中，无法与自身旁路电压合相，造成并机失败。因此,并联运行的UPS电源,主回路整流器输入可不同源,但其旁路输入必须同源。

4.3 暂时分闸2号UPS旁路电源输入开关

由于工程的重要性，经与使用方沟通，决定继续保持两台UPS并机运行方式，为避免旁路运行时发生危险，暂时分断2号UPS旁路电源开关。这样可确保万一整流—逆变回路故障切换到旁路工作时，只合1号UPS旁路电源，不会造成两台UPS旁路电源不同电位不同相位直接并联引起的不良后果。

5 结果

鉴于目前两台UPS存在旁路不同源的问题，下一步应制定整改方案解决，避免两个旁路开关同时合闸时发生电源倒旁路的情况，由于现状配电柜内接线空间小，线缆硬度高，线路改造必须充分考虑可实施性。

5.1 改造方案

1)对调1号UPS旁路输入电源与2号UPS主回路输入电源。

该方案从理论上看线路改造少，不必更换开关，但很难实施。一是1号UPS旁路输入电源的电缆长度是否够；二是电缆硬度大，将2号主回路输入电源电缆反方向拉到1号 UPS旁路电源开关也有难度；三是该方案虽然解决了两路旁路不同源问题，但两路主回路输入电源也变成同源，一旦该电源故障，两台UPS都将转入蓄电池供电，蓄电池耗电完毕后，负载将彻底断电，所以此方案可靠性大大降低并不可取。

2)增加带双旁路的ATS自动切换开关。

将变配电室来的两路低压电源11AA-1和5AA-1，先引到新增双电源自动切换柜B1AT，经过双电源自动切换开关后变成两路同源电源后再引至B1APE。此方案对现有配电柜的影响小，可实施性大。首先UPS配电室有足够空间安装新增带双旁路的双电源自动切换柜，只需调整电缆接线即可；其次UPS输入仍然有两个引自不同变压器的低压电源，能够保证供电的可靠性。示意图见图5，正常供电时，双电源自动转换开关置于自动状态，由常用电源供电，维修旁路开关断开。当双电源自动转换开关故障或需要维护、更换时，将双电源自动转换开关置于手动状态，置于零位，将维修旁路开关闭合于常用电源，形成旁路，保证负载供电。减少停电带来的损失，提供供电稳定性[3]。

5.2 改造后重新并机运行

ATS自动切换柜安装及线缆改造完成后，首先启动1号UPS，逆变器与旁路电源相位差正常范围内，启动成功；再启动2号UPS，逆变器与旁路电源相位差也在正常范围内，两台UPS顺利并机。改造后的UPS供配电系统与改造前对比，两个旁路电源在任何时候都是引自同一台变压器的低压电源，解决了不同源问题，增加了供电安全性；电源输入依然由来自两台变压器的双电源切换后供电，保证了供电的可靠性。

6 结语

“1+1”型双机冗余并联UPS系统要求2台UPS的额定容量必须一致,旁路电源必须来自同一市电[2]。本工程UPS配电系统是后期改造项目，在没有充分了解上级变配电系统及UPS电源需求的情况下，施工方就盲目接入了两路电源，使得两台并机UPS的旁路不同源，给工程运行造成了一定隐患。UPS并机系统的供电设计应充分了解UPS并机的控制原理，对整流器输入电源与旁路输入电源是否同源的要求等。