防火知识讲座:UPS基础常识及在实际工程中的应用

一．UPS的概况

UPS即不间断电源，是信息技术领域中一个重要组成部分，它是一种集电力技术、控制技术和信号检测及通讯技术于一身的高科技电源设备，被广泛应用于计算机及网络系统、电信／移动通讯及各种自动生产流水线等多个应用领域。计算机技术迅猛发展，局域网及其应用越来越普及，但人们对局域网的供电系统和电源配置尚未引起足够的重视。据有关部门调查表明，局域网最容易发生的问题往往是由于电源停电以及电源异常造成的各种故障。在局域网中，配置UPS 的主要目的是用来为局域网中各类用电设备提供稳定可靠和高品质的电力供应。它主要体现在以下三个方面：

（1）             为各类用电设备提供后备电源，以防止突然断电给局域网造成损害，影响正常运行；

（2）        可以消除供电系统中产生的诸如浪涌、谐波干扰、频率漂移、波形断续、电压过高或过低等现象，改善电源质量，使局域网中各类设备的电子元部件免受破坏性损害；

（3）        UPS还可以抑制电网中其他用电设备产生的诸如高频信号等杂波，以免除因杂波造成数据传输失效等故障，提高网络的可靠性。

2．UPS的发展及应用

简单地讲，高端技术下移、智能化、网络化、高频化和高可靠、高可用是整体趋势。高端技术下移即将原来高端大功率产品才具有的功能移植到小功率产品上，使得低端用户也能享受到更优越的高端产品功能。智能化UPS能实时监视UPS的输入、输出电压，输入、输出频率，输出电流，电池电压，UPS主机温度等运行参数，在UPS故障或电池供电规定时间后将计算机中的数据自动存档，退出并关闭系统，能通过传呼、E－mail等方式通知系统管理人员等。对于网络化智能UPS还必须配置相应的网卡，将UPS管理纳入网络管理系统中来。

监控软件管理的内容更丰富，功能更强大，人机界面更友好，并开始推出适用于特殊应用环境的UPS产品。对于高频技术的采用也是趋势之一，在恰当的频率下，整流器和逆变器的能量损耗大幅度下降，效率达到了很高水平，提高了系统效率。高可靠、高可用也越来越成为领导厂商的“主攻点”，尤其对高可用的追求，并联冗余系统也非常时髦，它不但可以进行扩容升级，最为重要的是大大提高了系统的可靠性和可用性。

UPS系统与Internet技术的紧密结合，使其增加整个信息系统的易用性比以往任何时候都更有意义。虽然传统技术如电话拨号、SNMP 、Telnet等已实现了对UPS的远程和集中监控，但这些技术通常要求特定的设备配置和操作技能。随着Internet的普及，使用浏览器监控UPS将成为UPS监控技术的主流。由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络系统将连接在一起。作为网络系统的一部分，要求UPS能够实现在各种网络平台上的监控，而且随着Internet、Intranet和电子商务的高速发展，用户对网络可用性的要求会越来越高，使UPS从对网络关键设备的保护延伸至对整个网络路径的保护。因此，监控软件除了要提供完善的监控保护功能，还必须支持主流操作系统、跨平台操作并具有即插即用的功能；支持主流数据库及应用软件；与主流服务器管理工具集成；与主流网络管理系统集成。

二．UPS的作用和特点

1．UPS的作用

         （1）        市电中断的情况下，能利用自身所带的蓄电池通过逆变电路将直流电转换为220V交流电给计算机及网络系统供电，保证计算机及网络系统能正常运转。

         （2）        对市电有稳压作用，能在电网电压波动时稳定电压。

         （3）        能抑制电网的电力谐波干扰、电压瞬间跌落、高压浪涌、电压波形畸变、电磁干扰等电力污染，为计算机及其它设备提供电压稳定、波形纯正的电力供给，保证计算机及网络系统的正常工作和数据不受干扰。

2．UPS的特点

         （1）        高可靠性

                系统应具有能提供365×24连续提供高质量的UPS逆变电源的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中，既不允许出现任何瞬间供电中断／停电事故，也不允许出现由普通的市电经交流旁路直接向用户负载供电的情况。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求：

                ——允许在UPS逆变电源连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作。

                ——万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响缩小到尽可能小的范围。

         （2）        高抗干扰性

                 UPS供电系统能使互联网设备获得高“可利用率”，并可为其创造优良的运行环境。大量的运行实践表明：电源干扰问题是造成互联网设备的“可利用率”下降的重要原因之一。在此需说明的是：电源干扰不仅来源于普通的市电电网，它还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置在IDC和MDC机房内的服务器、磁盘阵列机和交换机等均内置有开关电源，这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射3～23次低次谐波干扰，可能带来降低话音质量的恶果。实践证明，过大和过频地出现电源干扰，轻者会导致互联网的传输速率下降，网络服务器的数据丢包率增大等隐性故障，从而导致互联网设备被迫进入“降额使用”状态，严重时会导致网络瘫痪。

                 由此可见，高速信息网络技术的迅猛发展，对UPS 供电系统所能提供的电源质量提出更为严格的要求。

          （3）        具有防雷击、抗高能浪涌的功能

                 雷击、闪电及电网上的高能浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如无相应的保护措施，将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS应具有这方面的保护电路，其指标应符合国家及国际安规标准。

          （4）        过载能力强

                 由于计算机等负载属于整流型负载，在启动时往往有较大的瞬态冲击电流，如果UPS的过载能力弱，有可能造成严重后果导致系统不能正常安全运行。

          （5）        智能化监控

在UPS和计算机/网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软件监控管理UPS的运行、操作。当市电中断或UPS电池低电位时，监控软件可做到将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机然后关闭UPS，避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失，以实现数据的完整性保护。

三．UPS的分类

1．按工作方式分

         （1）         后备式UPS

                 当市电正常时由市电给负载设备供电，并给蓄电池浮动充电。当市电电压波动超过规定值时时启动逆变电路将电池的直流电转换为稳定的交流电输出，给负载供电。后备式UPS平时由于是由市电直接给负载供电，所以无法消除市电电网上存在的浪涌、尖峰、频率漂移等电气污染，而且容量比较小。但是它的技术简单，成本较低，价格相对低廉，用于许多对电压稳定性要求不高的场合。

（2）             在线式UPS

             在线式UPS一直使其逆变器处于工作状态，市电正常时它是首先通过电路将市电交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为正弦波交流电给负载供电，在供电情况下还能对输出进行稳压及防止电磁干扰，而且还通过充电电路给蓄电池浮动充电。当停电时，则使用电池的直流电，所以逆变器不存在切换时间，所以适用于对电源有较高要求的场合。

（3）             在线互动式UPS

这是一种智能化的UPS，除具有在线式UPS的功能外，还可以自动侦测市电的电压，可以提供高精度的正弦波交流电输出。在线互动式UPS 还具有与计算机进行通讯的功能，有的还可以连接互联网，可以通过网络对UPS 进行管理，而且可以根据计算机及网络系统的工作状况自动调整UPS本身的工作状况和输出状况，并且在UPS 出现故障时，可以通知计算机系统，启动冗余的备用电源，所以称之为智能型UPS。一般用于网络系统中的服务器、路由器和大型骨干网的交换机以及部分工作站等对电源要求较高的场合。它将大大提高计算机系统的可靠性。

2．按输入输出分

（1）         单相输入单相输出（单进单出）

应用于10KVA 以下，后备式、在线交互式、在线式等小容量；

（2）         三相输入单相输出（三进单出）

应用于10KVA以上在线式；

（3）         三相输入三相输出（三进三出）

           应用于20KVA以上在线式大容量。

四．UPS的选择

1．UPS选择的原则

          一个典型的局域网通常拥有服务器、网络交换机、路由器、网管工作站、数据存储器、PC、打印机以及其他各种终端设备。由于局域网的节点数量多，而且各个节点可能分散在不同的地点，这

样，就会有位于不同地点的多台UPS需要维护，因此，在局域网中使用的UPS有其自身的特点，在选型和配置时必须加以注意。通常，局域网的中心机房应采用10～20kVA中等容量的UPS集中供电方式，并采用双机热备份或并联供电，确保供电安全可靠。而对于局域网中众多的无法集中设置的PC、路由器、打印机等设备，应采用分散式的在现场设置小容量UPS提供电力保障，且应首选对电网没有污染的在线式UPS装置。这是因为后备式或互动式UPS都属于低端产品，其可靠性和故障率等技术性能都不如在线式UPS；另外在遇到比较恶劣的电网环境时，基本上无法抑制电网干扰传至网络设备，容易影响局域网正常工作。

1 UPS的类型

　　通常设备根据电源可靠性、功能要求、使用方便等要求，尽可能经济的选择UPS。根据不同负荷特性选择不同类型UPS。从实用性、选择方便易行出发，UPS可分三类

1)单一运行，备份运行

2)有旁路转换、无旁路转换

3)平时逆变器运行。平时市电运行。

2 UPS特点

1)单一运行UPS，用于一般重要负荷；用于输人、输出频率不同，或者对市电有无影响不大，对频率精度要求很高的负荷。

2)备份运行UPS，使用多台不停电装置，具有备份功能，当部分发生故障，其它正常部分向负荷供电，用于特别重要负荷。

3)有旁路转换UPS，负荷可由市电和逆变器供电，提高供电可靠性。多数UPS设置旁路。

4)无旁路转换UPS，用于输入、输出频率不同，或对市电频率、电压精度要求极高的负荷。

5)平时逆变器运行，负荷对电源质量要求高，不受市电，电源电压、频率的影响。

6)平时市电运行，负荷对电源质量要求不高，对可靠性要求高，不变换运行效率高。使用时根据负荷性质三种运行方式组合应用。

3供电系统选择UPS的原则

3．1负荷的重要性

　　电源是否存在潜在异常。原则上不存在电源异常是不需要设置UPS的。负荷是否重要是根据电源异常导致的负荷部分受损而决定的。受损包括直接损失和间接损失。直接损失包括生产线上的不良产品，科技研发重要数据丢失。间接损失包括恢复供电需要时间，社会信誉。根据受损大小，衡量UPS系统总投资，为了提高可靠性是否采用UPS，采用UPS是否设置备份及旁路，确定运行方式。

3．2电源质量对负荷的影响

　　电源质量对负荷的影响包括：电源电压允许压降范围及持续时间；日常电压失真范围、频率精度。负荷对电源质量承受力强，可以简化系统提高可靠性降低成本，比如增加旁路时采用一般为0．02~0．2S瞬时停电转换方式。日常电压失真，频率精度一般不是特殊负荷，市电电源下足够运行，一般不需考虑电源对负荷的影响。对电源电压瞬时降低和断电敏感的计算机，即使电源电压降低10％半个周期就会产生影响。则需要提供优质电源。

3．3 UPS容量选择

　　根据下列因素，特性、计算负荷、冲击电流、峰值电流、过载能力、负荷突变状况选择UPS容量。有效负荷容量用下述数值作补偿。

1)关于冲击电流：

　　能承受峰值电流的UPS计算容量=有效负荷容量 X冲击电流（最大值）/UPS额定电流，其值一般为有效容量的5~10倍。

　　负载投入电源，产生相当大冲击电流，特别是计算机及外围设备。在UPS供电时，为降低UPS容量，运行时负载依次投入或选择UPS市电运行；当电流回复到额定电流值以下，不停电转换到整流器，逆变器供电。

2)关于峰值电流：

能承受峰值电流的UPS

容量=有效负荷容量 X峰值电流（最大值）/UPS额定电流

峰值容量一般为有效容量2倍

峰值系数为2．5以上的UPS，峰值电流承受能力为250％PA上，一般不超出UPS额定容量．可以直接采用，不需补偿。

3)关于过载：

　　UPS过载能力一般在有效负荷的1．1倍以上，负荷过载超过1．1倍应对UPS进行保护。

4)负荷突变：

　　多数UPS负荷突变0"100％范围内，输出电压波动可以控制在_10％l~A内。所以对有效负荷容量可以不作补偿。

5)发电机-UPS配合：

　　在某些场所中UPS在市电停电后转换至自备发电机供电。在自备发电机供电时，应能提供UPS启动时大冲击电流，而不会影响发电机运行。

a、选择整流设备较低启动电流UPS。例如12脉冲整流器，则自备发电机容量应该是整流器的2倍。

b、选择几组UPS并联，分组延时启动。可以利用具有斜坡启动功能组合在一起，避免所有UPS同时启动产生冲击电流过大。

c、选择有整流器充电器输人功率可控制的UPS，使整流器充电器输入部分功率，不足功率由电池提供。

d、选择有限制充电电流功能的UPS。使发电机启动运行时，限制充电，设置充电电流值为0安培。即在发电机运行时可以停止充电，从而减少UPS从发电机吸收功率。

UPS在工程中应用实例：

图1正常由市电供电，在市电故障时自动转换到电池供电。用于输入输出频率不同，不含旁路电源。

图2正常由整流器和逆变器模块供电。如果主电源故障，负载则不间断地转换到由电池供电，仅在逆变器故障或电池放电终了，负载将转换到旁路供电。

图3：正常旁路电源在允许范围内，则采用电源供电，以提高效率。如果旁路电源超出范围，系统自动的转换到整流器和逆变器模块供电，如果上述两个电源都超出范围，则转换到电池供电。

图4：每台UPS容量相同且平均分担相等负载，负载功率小于或等于单台UPS的额定功率。如果一台UPS故障，另一台能继续供电给全部负荷，冗余并联UPS增加整个UPS系统供电可靠性。

图5：并联UPS系统由相同的单机和公共外部手动维修旁路。这种并联连接是为了增加UPS总容量同时提供冗余配置。比如3台相同容量UPS并联，如果1台故障，可由另外两台UPS向全部负载供电。可有1／3冗余度。

图6热备份冗余UPS

图6：由一台UPS作为另一台UPS的备份，如果主用UPS故障，静态开关将负载转到备用UPS上，提供电源高可靠性。