不间断电源在单位中心机房供电系统中的应用研究

陈 雷

（中共新疆维吾尔自治区委员会党校，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引 言

随着现代企业对数据处理和业务连续性的依赖不断加深，单位中心机房的供电安全性与稳定性显得尤为重要。不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统作为确保数据中心电力供应持续稳定的关键，具有重要作用。本研究聚焦于UPS 在单位中心机房中的应用，旨在探究其如何有效地提供电能质量保障和应急备用能力，以确保关键业务能够持续、稳定的运行，为机房供电系统的设计与优化提供科学、可靠的参考依据。

1 单位中心机房供电系统概述

单位中心机房供电系统的设计和运维是确保企业信息化建设稳定运行的基础工作。该系统不仅要从市电获得稳定的主电源供应来满足机房日常的工作需求，还要通过精细化的电源管理和配电系统来满足不同信息技术（Information Technology，IT）设备对电源的特定要求。UPS 在单位中心机房供电体系中扮演着重要角色，不仅能够在市电异常情况下提供即时的电能补给，有效防止数据丢失和硬件损坏，还能通过其内置的电能调节功能，为机房设备提供稳定且纯净的电流供应。此外，高度集成的电源和环境监控系统也为实时监测电力质量和环境状态提供了支持，使运维团队能够有效预防和快速响应各种电力事件。

整个供电系统采用冗余设计，并配备了备用发电机等设备，确保在极端情况下机房设备仍能持续稳定运行。单位中心机房的供电体系是一个由多个关键组件和子系统共同组成的复杂系统，能够提供高可靠性和高稳定性的电力支持，确保企业核心业务的正常运行。

2 不间断电源系统原理与分类

2.1 工作原理

UPS 系统能够提供即时的电力供应，以防因市电供应中断或不稳定而影响机房内关键设备的正常运行。UPS 系统通常由储能装置（如电池）、逆变器、静态开关以及控制器等主要部件组成，工作原理如图1 所示。

图1 UPS 系统工作原理

正常情况下，UPS 将市电转换为稳定的直流电给内部电池充电，并通过逆变器将直流电转换为干净且稳定的交流电供设备使用。当市电中断或出现波动时，UPS 会立即切换到电池供电模式，利用储存的能量通过逆变器转换成交流电，持续供给负荷正常运转所需的电力[1]。

2.2 分类情况

UPS 系统可以分为在线式、离线式和线路交互式3 种。

在线式UPS（也称双转换UPS）正常工作情况下，先将交流市电转换成直流电，并给内部电池充电；再将直流电逆变换回交流电，供设备使用。这种方式能够确保供应给负载的电力与市电完全隔离，提供较高的电源质量和保护。需要注意的是，即使市电正常供应，在线式UPS 也会持续利用其内部电路进行运作。

离线式UPS（也称备用式或待机式UPS）在市电正常供应时，不会对电流进行任何处理，而是直接将市电供给机房设备。只有当市电供应出现中断或不稳定时，离线式UPS 才会启动电池并通过逆变器供电。在市电正常供应的情况下，电流并没有经过UPS 的任何电气处理，因此离线式UPS 只能提供基本的电源保护，成本相对较低。

线路交互式UPS（也称在线互动式UPS）提供的保护级别介于在线式和离线式UPS 之间，会对市电进行一定的调节，如校正电压波动等。然而在市电中断的情况下，其仍需将电池的直流电经过逆变器转换为交流电，以供负载设备使用[2]。

3 不间断电源系统在中心机房的应用

在现代单位中心机房中，UPS 系统的配置方案是实现电力可靠性、业务连续性和数据完整性的关键。配置UPS 系统时，需要综合考虑多方面因素。

首先，要考虑中心机房负载的大小和性质，以确定所需的UPS 容量。根据负载计算和预期增长，合理设计UPS 的规模，确保所有关键设备在断电时能够持续工作。因此，需要详细评估服务器、网络硬件、存储设备及其他关键系统的功率需求。

其次，考虑运行时间。根据业务连续计划和恢复时间目标，UPS 应配备足够的电池组，以缩短机房操作所需的时间，直至备用发电机启动或电源恢复正常工作。该时间范围的确定取决于组织的需求。

再次，考虑冗余性。冗余性是实现高可用性中心机房设计的另一关键要素。采用N+1 或2N冗余的UPS 配置可以提供更高的可靠性，即使某个UPS组件发生故障，其他UPS 也可维持持续供电。其中，2N配置提供完全的冗余性，即每个负载都由两套独立的UPS 路径供电；而N+1 配置提供了额外的UPS单元作为备份，以供主UPS 单元在需要时使用。

最后，软件和管理工具也是UPS 系统的重要部分[3]。先进的UPS 可以连接到网络并集成在中心机房的管理软件中，使IT管理员能够远程监控电源状况、排除故障、优化能源使用。这些工具还具备自动化响应功能，能够在发生电力事件时安全关闭服务器。

4 不间断电源系统的规切与设计

UPS 系统的规划与设计是确保单位中心机房稳定运行和数据安全的关键步骤，要根据中心机房的业务需求、可靠性要求和未来的发展计划制定。

首先，UPS 系统的规划需要充分考虑负载需求。全面评估中心机房内所有设备的功率需求，确保UPS的容量能够满足现有负载和未来扩展的需求。负载需求分析还应包括对各种设备在启动时所需的瞬时功率需求，确保UPS 系统能够应对瞬间的负载变化。其次，可靠性设计。这通常涉及冗余配置，即使用多台UPS模块协同工作，以确保在一台UPS 设备发生故障时，其他UPS 仍能完成供电任务，实现N+1 或2N等级的冗余设计，确保供电系统的稳定性和可靠性[4]。最后，为确保UPS 系统的稳定运行，要设计适当的维护旁路，从而在不中断主供电的情况下进行UPS 的维护或更换。而电池备份时间的确定是另一个关键的设计考量点。在设计UPS 系统时，应考虑到能效和热管理，选择能效较高的UPS 型号能够降低运行成本，而适当的机房空调和散热设计则能确保UPS 系统稳定运行。2024 年1 月8 日单个UPS 系统的性能数据如表1 所示。

表1 2024 年1 月8 日单个UPS 系统的性能数据

5 不间断电源系统的维护与管理

UPS 系统的维护与管理是确保其能够有效履行职责的关键因素。维护与管理工作包括定期检查、测试、预防性维护、故障诊断、实时监控以及控制环境条件等。因此，需要设立专门的维护团队，并制定详尽的检查计划，对UPS 系统的各个组成部分进行周期性的综合检查，包括但不限于电池组、电容、风扇、熔断器以及其他关键电子部件[5]。检查的目的是发现潜在的安全隐患（如电池鼓胀），并及时替换老化或性能不符合规格的部件。此外，机房应有稳定的环境控制系统，以确保系统处于合适的环境条件。定期对所有操作人员进行培训，了解UPS系统的工作原理、潜在风险和必要的应急操作程序，及时发现问题，快速响应紧急状况并修复故障。

6 不间断电源系统的先进技术与发展趋势

未来UPS 系统的发展将朝着高效能、环境友好和智能化的方向快速前进，以最大化利用能效。这意味着UPS 系统的设计将更加精细，以减少能量损失，优化整个电力转换过程。

随着人们环境保护意识的日益增强，未来的UPS系统将致力于降低对环境的影响，如使用可循环材料、不使用含有害化学物质的材料、研究高性能电池技术等，以延长产品的使用寿命。

加强智能化和自主管理能力是未来UPS 系统发展的另一趋势。通过集成云服务、物联网（Internet of Things，IoT）设备和大数据平台，UPS 系统能够更精确地预测电源需求，自动进行能量管理，并及时识别和解决潜在的问题。这样的系统具备自我诊断、自动报告、与远程管理服务无缝对接的能力，从而提高了整体系统的可靠性和效率。

在技术领域，为追求更高的能量密度和更长的维护间隔，需要专注于优化电池技术，并开发新型能源存储解决方案。同时，在单相和三相UPS 系统中使用新型半导体材料是未来实现技术突破的关键。例如，硅碳化物（SiC）和氮化镓（GaN）等新型半导体材料有助于提升电力转换效率，进而实现更快的响应，降低能耗[6]。

7 结 论

通过研究可知，UPS 系统对单位中心机房供电系统的稳定性和可靠性至关重要。有效的UPS 应用能有效避免电力故障对机房运行的不良影响，保障关键数据和服务不会因电力问题而中断。为提升UPS系统效益，优先采用效率高、可扩展且维护成本低的UPS 解决方案。同时，实施智能监控系统，以实现对UPS 性能的实时追踪与管理，确保设备始终运行在最佳状态，并采取适时的维护策略，以延长关键组件的使用寿命。此外，应加强对操作人员的专业培训，确保其能对UPS 系统进行正确的操作和应急响应。积极推广并使用新技术与材料，如高效率半导体和先进的电池技术，以提升系统整体能效，降低操作成本。通过不断探索和实施绿色节能措施，UPS 系统不仅能保障供电安全，还能为可持续发展目标的实现提供支持。

UPS 是确保单位中心机房供电连续性和可靠性的关键组件。通过采用高效、智能化的UPS 解决方案，并结合定期维护和培训操作人员等措施，能够显著提高数据中心的运行稳定性。为适应未来发展趋势，推荐引入先进技术和材料，以提升系统效能，确保业务的持续运营。