大型指挥中心UPS供电方案设计探讨

刘润琪，朱 全

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

0 引言

大型指挥中心的关键装备系统有音视频显示系统、中央控制系统、中心计算机系统、指挥调度系统、通信网络系统等。若直接采用市电系统、农电系统供电，易发生断电、电压波动及闪跳等现象。人为事故或自然灾害(如施工、雷暴天气等)也可能造成电源系统的故障，导致昂贵的关键装备受损或烧毁，进而影响重要任务或关键行动中断甚至失败。因此，大型指挥中心供电系统的可靠性要求非常高。近年来，不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)作为一种不间断的供电系统，可有效改善供电质量，避免主系统(如中心计算机系统、大屏显示系统等)受到电网电压波动和负载变化的影响。特别是在开启设备多、用电量大、易导致供电异常或突然断电的情况下，为确保主系统和重要设备的正常、连续工作，并及时保存数据以防止数据丢失，UPS供电系统发挥着至关重要的作用。

各类指挥中心因工作特点、实际运用等不同需求，在系统组成和设备布局上，对UPS供电系统种类和建设方式有不同的要求。但因大型UPS供电使用范围不普及，部分技术人员并不了解正确的UPS供电系统建设和使用保养方法。有些建设单位对如何根据自身装备特性及使用需求来设计选用合理的UPS供电系统方案也不清楚。在实际工作中，UPS供电系统设计不合理、选型不科学、使用不规范等情况大量存在。

目前，基于建筑场所UPS供电方案的研究主要集中在大型数据中心。文献[1]提出了数据中心机房UPS供电方案的关键思路。文献[2]考虑到UPS供电效率低的问题，提出了绿色数据中心UPS模块化设计方法。而在诸多文献中，针对大型指挥中心如何科学、合理地建设供电系统鲜有涉及。因此，本文从电源选型、供电方式和容量计算等方面，对大型指挥中心UPS供电方案设计方法进行探讨，并对使用、维护保养要求提出建议，以期给相关人员提供有益参考。

1 UPS种类与供电方式

1.1 UPS种类

依据工作原理，UPS可分为在线式、后备式和在线互动式三类[3-4]。

①在线式UPS。交流市电经过该类UPS的整流器变为直流电，再利用逆变器转变为稳定的交流电后输出。在此期间，其逆变器一直处于工作状态。市电断电时的切换时间为零，适用于对电源要求严格的场合，如数据中心和指挥中心等。

②后备式UPS。有市电时，该类UPS处于充电状态，而逆变器不工作；当市电断电时，其逆变器切换到工作状态，切换时间一般小于10 ms。因其价格相对便宜，适用于对供电质量要求不高的场合，如个人、家庭用户等。

③在线互动式UPS。有市电且输入电压正常时，该类UPS处于充电状态；当市电电压超出正常范围时，由稳压电路稳压后输出；当市电断电时，其逆变器切换至工作状态。该类UPS的最大优点是可以连接计算机，实现远程控制和智能监测，但动态性能不好且有切换时间，不适用于市电不稳定的环境。

1.2 UPS供电方式

大型指挥中心配置有大量设备，根据用途通常划分为多个分系统。各分系统设备通常部署在不同区域内。因此，在设计UPS供电方案时，需要考虑究竟是建设一套较大功率UPS供电系统为指挥中心所有设备供电，还是建设多套小型UPS供电系统为各分系统分别单独供电。

(1)UPS分散供电方式。

分散式供电是当前较为普遍的一种供电方式，根据各分系统的用途分别配备合适的UPS。为节约成本、增加可靠性，可对供电质量要求高的主系统配备在线式UPS，而其他非重要设备配备后备式UPS[5]。其优点如下。①可靠性高。当一个系统设备发生UPS故障，不会干扰其他系统设备的正常工作，以免因各分系统电源故障而相互影响。②有效避免UPS故障导致所有系统同时瘫痪的可能性。③前期投资建设不用考虑扩容的问题，避免设备和资源浪费。④线路敷设方便。

其缺点是：各分系统都需单独设置设备UPS机房，占用较多的建筑面积；各分系统单独用电，未进行综合考虑，导致电源效率不高、浪费严重；UPS维护工作量大，使维护管理成本大大提高。

(2)UPS集中供电方式。

大型数据中心常采用UPS集中供电，用一套较大功率的UPS为所有系统设备供电。该供电方式方便管理和维护。但如果各系统设备部署在不同区域、距离较远，则会增加布线难度。其优点如下。①不需要为每个系统单独设置UPS机房，节约建筑面积。②采用大功率UPS集中供电，可提高电源使用效率。③只有一套UPS，更容易实现1+1并机冗余，从而增加供电的可靠性。而分散供电难以对各个分系统冗余供电。④减少了UPS设备的采购成本、可以提高维护人员的工作效率、减轻劳动强度。

其缺点是：如果UPS出现故障，会使整个供电系统瘫痪；一个系统设备故障，可能会对其他供电系统产生影响；整体布线难度将会大大增加，线缆成本投入也会大大增加。

2 设计UPS系统方案时需考虑的因素

2.1 选择UPS类型和供电方式

UPS的电源类型如表1所示。由表1可知，在线式UPS适用于要求长时间不间断供电的场所。因此，对大型指挥中心而言，选择在线式UPS更佳[6]。

表1 UPS的电源类型

由1.2节可知，大功率电源集中式供电抗负载波动能力强、可靠性高、可独立进行调度和运营管理，检修维护工作相对集中、方便。而分散式供电虽然减少了像大型UPS系统一次性巨额投资和容量长期闲置，但供电可靠性相对不高、设备维护检查工作量大，因而更适用于小型低端指挥中心。因此，供电方式建议采用集中供电。

UPS供电为集中方式时，首先应当根据需求计算UPS的电源容量，并考虑所选UPS产品的转换效率。转换效率越高，节省初期投资和长期耗能的费用越多。除此之外，还应考虑大功率UPS机房的环境条件、设备布局和整个楼层的称重范围等。

2.2 UPS功率容量的计算

选择合适的UPS容量十分重要。若容量过小、负载过大，会缩短电源寿命甚至损坏；若容量过大而负载太小，则会导致运行效率低、资金浪费。UPS容量应按总功率(即视在功率)选择。UPS外侧标有输出功率，通常用有功功率P(kW)或者用视在功率S(kVA)表示。则有：

P=Scosφ

(1)

式中：cosφ为功率因数，通常cosφ取值0.8。

①负载容量的确定。

记录UPS供电范围内所有设备的有功功率，计算实际负载总和，并折算成视在功率[7]：

(2)

式中：Pi为各设备有功功率；∑Pi为实际负载的总和。

②UPS容量的计算。

UPS容量由实际负载容量、UPS转换效率和裕量系数决定：

(3)

转换效率是在输入额定电压、输出额定负载时，输出的有功功率与输入有功功率之比。电源自身也是一个耗能器，因此转换效率越高，损耗越小，越省电。在选择UPS 品牌型号时，应着重考虑转换效率这一指标。当裕量系数具有足够可靠性时，其取决于设备的启动容量。若机房长期无人值班且没有感性负载，通常取值1.5～2；市电断电后希望设备关机时间充足，则取值1.05～1.5。

2.3 UPS电源安装环境要求

①环境条件。

UPS所处环境应做到干净、通风、干燥且温度适宜。干净的环境能有效避免有害灰尘飘进主机内部，以免引起电路短路或器件腐蚀。标准使用温度为25 ℃，湿度为50%，环境温度尽量不要超过15～30 ℃。环境温度长期过低会降低电源容量，过高将缩短电池寿命。UPS机房应通风散热良好，条件允许时可配备空调。

②安装条件。

UPS主机两侧、背部应与其他物品、墙面留有至少300 mm空隙，有利于主机散热；前方应留有至少600 mm，以便维护人员维修保养。当选择大功率、长延时UPS外接电池，需将楼层称重问题纳入考虑。根据《电子计算机场地通用规范》(GB/T 2887—2000)规定，空调设备、供电设备用房的楼板荷重应根据设备重量而定，一般应大于或等于1 000 kg/m2或采取加固措施[8]。通常采用增加承重面积或者减少压强的方法，例如在机柜下增加承重散力支架或增加电池柜数量。

3 UPS使用维护保养要求

3.1 使用过程维护方法

①按要求开关机。日常对UPS开关机必须严格按照规定、要求执行。开机时，应先给UPS供电，然后挨个闭合负载开关。应按照负载电流由大到小的顺序，禁止同时打开负载，以防止负载在通电瞬间产生冲击电流损坏电源。关机顺序可以看作是开机顺序的逆过程。同样按照此顺序逐个断开负载开关，然后再关闭UPS，最后切断市电[9]。

②合理控制开关机频率。UPS开关机不要过于频繁，关机后需至少等待6 s才能重新开机。若设备长时间不使用，可将其关闭。给不允许断电的主系统、重要设备供电的UPS可以长期处于开机状态。而为分指挥所、办公室等阶段性工作场所供电的UPS，在不使用时最好将其关闭。否则，一旦长时间停电且无值班人员时，UPS即使不带负载也将持续工作，自身也会将蓄电池的能量消耗殆尽，增加故障几率[10]。

③严格控制负载类型和荷载范围。UPS禁止连接感性负载，如电动机和空调等。这是因为感性负载的启动电流一般会大于额定电流的3～6倍，导致UPS瞬时超载。额外增加大功率负载应在电源容量允许的条件下，禁止UPS长期处于满载或超载的状态，避免电源内部器件发热严重导致烧损；负载过小不仅运行效率低，还会造成电池放电不充分。因此，需严格按照实际负荷情况来判断UPS容量，保证UPS负载的合理性。通常，UPS负载满足额定功率的30%～80%即可。负载过大或过小都会对UPS产生危害，缩短寿命。实践证明，输出负载控制在额定容量的60%左右为最佳。

3.2 日常保养维护方法

①定期进行充放电。为保证供电系统稳定、不人为缩短电源寿命，对指挥中心内UPS进行经常性的正确维护保养是十分必要的。根据不同指挥中心运行情况，通常每2～3个月就要进行一次维护保养工作，即测试电池两端电压是否超出临界值、电池内阻是否大于80 mΩ。如是，应该及时对其均衡充电或替换[11]。

如果市电长期不停电，则需要维护人员定期进行一次断电，让UPS带负载放电。在放出电池容量的30%～40%后，再接入市电正常工作，并记录放电日期。电池定期放电可以激活其充放电能力，延长实际寿命。每次放电之后需利用内部充电回路进行浮充。充电时间不得少于10～12小时，否则会造成电池实际容量变小。

②定期进行除尘和检修。正常情况下，应每年对UPS主机进行除尘和器件检查，以防止因灰尘堆积或者散热片松动造成温度过高而影响电源寿命。如机房环境较差可缩短至每半年检修一次。检修前先断电。检修内容包括：风扇运转是否正常；主机内部接线接头、接插件是否接触牢固；板间的排线连接是否异常；器件是否发生烧焦变色；电解电容是否有漏液、膨胀现象。

3.3 UPS常见故障分析诊断

UPS在工作期间难免会发生各种各样的故障。为确保指挥中心内供电系统稳定运行，维护人员应根据故障现象及时进行排查、处理。现将工作中一些较为常见的故障现象、原因及维修方法总结如下[12-13]。

①UPS输出电压为零，且自身未提示故障。其故障原因多为输出电缆接触不良。解决方法为：检查电缆线是否接触不良，并及时更换不良连接的电缆线。

②UPS无法启动。其故障原因多为开关键按键时间过短或者UPS的输入断路器跳闸。解决方法为：按UPS开关键至少保持2 s，若能正常开关则表明无故障问题；减少UPS的负载，检查输入空开上是否接有漏电保护器，确认有无漏电、保护器是否误动作。

③过载灯亮、旁路灯没亮。其故障原因多为UPS负载过载。解决方法为：根据实际使用情况断开部分负载。

④故障灯亮、过载灯没亮。其故障原因多为电池或充电器故障。解决方法为：及时与 UPS的售后部联系，返厂维修或更换电池。

⑤UPS工作期间电池放电时间不够。其故障原因多为近期停过电或电池的使用寿命将尽，电池电力不足。解决方法为：对电池正常充电，如果电池组已用满3～5年，可考虑更换电池。

4 结论

UPS是大型指挥中心关键核心系统装备供电安全、稳定运行的有效、可靠保障。因此，设计UPS供系统建设方案时必须充分考虑装备特点、布局和供电要求，选用合适的UPS类型和功率，根据实际情况设计合理的供电方式；同时，要加强对UPS操管人员的培训，掌握科学的UPS使用、维护保养方法，从而正确使用和延长UPS服役寿命，使其在保障重要任务中发挥更佳的作用效果。