网络旗帜下的UPS

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众所周知，市电电网中充斥着各种危险如供电中断、电压浪涌、电压陷落、波形畸变、频率漂移、持续过压、持续低压、瞬间过电压和噪声干扰等等，这些将造成计算机网络设备轻则工作出错、通信失败，重则设备损坏、数据丢失、系统崩溃。最初的“停电宝”像随身保镖一般出现在几乎所有PC身旁的时代早以过去，电源保护已经从设备保护、数据保护演进到了投资保护。在“设备保护”阶段，人们更多的是去了解被保护产品的电源环境。到了“数据保护”时代，人们注重UPS同被保护产品之间的相互交流，希望能对整个系统的电源进行管理。当我们向网络迁移、进军“投资保护”时代后，用户将从软件控制、硬件品质、可维护性等多方面综合评定UPS，设备的全面功能、出色品质更被关注。如果向Internet供电的UPS的可靠性为99%时，就会造成Internet每年停机87.6小时; 可靠性为99.9%时，每年停机8.76小时; 即使可靠性高达99.999%，它也可能造成Internet每年停机5.26分钟，而在诸如证券、电信等行业，这短短的几分钟也将造成巨大的损失甚至灾难。事实上，进入网络时代，UPS已经从单机对PC进行保护的角色转变成为完整、可靠的电源解决方案。在介绍电源解决方案的最新技术之前，我们先回顾一些最基本的概念。
一、UPS的工作方式、容量和输入/输出方式
按照工作方式的不同，UPS分为后备式、在线互动式及在线式3大类。后备式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电(参见图1)。其特点是: 结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波。


在线互动式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电(参见图2)。其特点是: 有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点，但同样存在切换时间。


在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高(参见图3)。目前，功率大于3kVA的UPS几乎都是在线式UPS。


按照输出容量大小，UPS分为小容量3kVA以下，中小容量3kVA～10kVA和中大容量10kVA以上。按输入/输出方式，UPS可分为3类: 单相输入/单相输出、三相输入/单相输出、三相输入/三相输出。单相电是指由一根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统; 三相电是由三根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统，其中2根火线之间的电压(即线电压)为380V，而火线与零线之间的电压(即相电压)为220V。对于用户来说，三相供电其市电配电和负载配电容易，每一相都承当一部分负载电流，因而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出或三相输入/三相输出的供电方式。
二、UPS主要性能指标
1. 输入电压范围: 即保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器(负载)电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长。
2. 输入频率范围: 即UPS能自动跟踪市电、保持同步的频率范围。当切换旁路时，UPS能自动跟踪市电、保持同步可避免因输入输出相位差开甚至反相，引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现大的环流电源而损害UPS。
3. 输入功率因数: 指UPS输入端的功率因数。输入功率因数越高，UPS所吸收的无功功率越小，因而对市电电网的干扰就越小。
4. 过载能力: 越大，表示逆变器能力越好。
5. 切换时间: 由于计算机开关电源，在10ms的间隔时间能保证计算机的输出，因此一般要求UPS切换时间小于10ms，对于在线UPS其切换时间为0。
6. 输出电压稳定度: 指UPS输出电压的稳定程度。输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。大部分UPS的电压稳定度大于5%。
7. 输出电压失真度: 即UPS输出波形中所含的谐波分量所占的比率。常见的波形失真有: 削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。
8. 负载峰值因数: 指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。
9. 三相不平衡能力: 对于三进三出的UPS来说，若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平衡。具有100%负载不平衡能力的UPS，表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。
10. 整 机 效 率: ①效率低会造成UPS本身功耗大、易老化。②效率低还会造成电池供电时间变短。
此外，还有以下一些功能用户也可根据需要适当关注。
11. 电池管理水平: 由于电池在UPS整机成本所占比重较大，特别长延时UPS中更占1/3以上，而且电池故障在UPS故障率中也占70%以上。所以电池管理水平的高低直接关系到UPS的使用。
12. 监控软件: 软件性能指标主要分保护、监测和管理(控制)3个层次。
13. 冷启动功能: 在无市电或不接市电的情况下，直接用电池组所提供的直流电压启动UPS。
14. 旁路功能: 指UPS超载或逆变器发生故障时，通过控制开关转换至市电供电，也就是旁路供电。
15. 接发电机功能: 发电机的输出波形一般失真度较高，且频率波动范围很大。因此，UPS必须具有良好的跟踪发电机频率的性能，保持与发电机同步工作，并且保持质量较高的输出波形和稳定的输出电压。
三、 目前主要技术和发展方向
在前不久《微电脑世界》举办的“电源不间断——网络时代的UPS”研讨会上，我们邀请了用户、厂商和集成商代表就用户需求、主流技术和厂商的解决方案等进行了探讨。从用户角度，他们希望了解UPS容量的计算、“整体机房”解决方案，并对UPS的小型化、易于管理、可靠性以及厂商对用户的服务等方面提出了要求。下面我们介绍能够解决这些需求的主要技术和目前的方案应用现状。
1. 如何计算UPS的容量
(1)对UPS输出功率的几种误解
①认为UPS的输出功率只有有功功率才有用，而无功功率是没有用的，因此才得出功率因数越高越好的结论;
②认为如计算机之类的负载机器只从UPS中吸取有功功率，而不吸收无功功率，因此选择UPS时就专门选功率因数大的，比如0.9以上的，甚至指责功率因数是0.7左右的UPS不符合要求。
以上两点实际上是一个意思，都是认为无功功率没用; 一般用户有这种看法尚情有可原，毕竟用户不是专门搞电源的。但对于UPS经销商甚至厂家若有此看法就不应该了。比如有的厂家在宣传文章中写道，由于他们UPS的功率因数是0.8，就比功率因数为0.7的UPS多输出10%的有功功率。这里面就有两个模糊概念: 其一，也是认为无功功率没用，其二，把功率因数当成了功率百分数，不清楚有功功率、无功功率和视在功率是直角三角形的关系。
(2)这种误解造成的损失
某铁路总公司培训中心电脑教室有总容量为7.4kVA的电脑负载，而想当然地选了一台功率因数为0.8的7.5kVA UPS，由于计算机类负载的功率因数为0.65左右，二者不能达到匹配，结果机器运行后，UPS由于频频过载跳闸而无法正常上课。
现在就该例做一个典型计算:
① 功率因数为0.8的7.5kVA UPS的输出
有功功率为 P=7.5kVA×0.8=6kW，
无功功率为 Q=7.5kVA×(1- 0.82)1/2= 4.5kvar;
②功率因数为0.65, 功率为7.4kVA的计算机负载需
有功功率 P=7.4kVA×0.65=4.81kW，
无功功率 Q=7.4kVA×(1- 0.652)1/2= 5.6kvar;
③单功率因数的UPS对无功功率的补偿是惟一的，即必须完全匹配，所以功率因数为0.8的7.5kVA UPS所输出的4.5kvar不能补偿功率因数为0.65的计算机负载的无功功率; 由于无功功率的不足必须要逆变器来补充，从而造成过载转旁路。当用户通过如下的计算，把功率因数为0.8的7.5kVA UPS换成10 kVA就一切正常了。
即4.5kvar : 7.5kVA=5.6kvar : X＝＞X=9.33kVA
所以，在选择UPS容量时一定要清楚负载的功率因数，比如计算机类负载的功率因数为0.6×0.7，平均值为0.65。如果负载的标称功率是用W标注的，就应除以0.65而变成VA; 如果UPS的负载功率因数为0.7的单值，如0.8、0.9等，就要算出它们的无功功率，然后再按上面的方法选。如果UPS的负载功率因数为0.6～1的范围值，就可以用负载的VA值直接选，而不需做任何计算。
2. 冗余技术的比较
为了提高供电的可靠性，早期只好采用热备份串连连接的方式，这种方式的特点是应用灵活，不需外加设备环节，即使不同厂家、不同型号的UPS，只要有静态旁路就可以做这种连接，而且具有冗余的功能; 不足之处是不能增容、一台机器过载转到另一台时也同样过载、很少有两台以上的连接。并联冗余方案的推出很好地解决了增容和冗余的问题，直到现在仍然是一种最佳方案。它不但可以准确地实现负载均分，而且有着成倍的过载能力。但随着应用范围的扩大，也表现出一些不足，比如在IDC机房中，负载机柜呈长排摆放而且很长，为了供电的可靠，UPS采用了冗余并联结构方式，由于系统的特点所限，电源只能放在机柜排的一端，如图4(a)所示，其供电电缆沿箭头方向。随着机柜内设备的增加，UPS的容量也要随着作相应地增加，由于开始的规划一般不很周密，尤其是对电源。因此，UPS的增容只好在电源一端接着并联，造成了地板承重的不均衡。如果开始将UPS摆放在负载机柜排的两端，一方面平衡了地板的承重，另一方面，也比较美观，但可惜的是一般UPS的并联线都没有这么长，即使有，连接起来也很不方便。为了使两端的UPS仍具有冗余的功能，只好用互为备份的切换方法，这就是双总线冗余结构; 另一方面，由于UPS的并联台数有限，目前的水平最多是9台，在容量大且要求冗余的场合，也不得不采用此方案。比如有5个容量在3500kVA以上的IDC机房，要求UPS全容量冗余备份，而中标厂家的UPS最大单机容量只有480kVA，8台并联后的容量是3840kVA，无法实现16台并联，也只有用双总线冗余方案。


由上面可以看出，双总线冗余方案是从串联热备份冗余连接发展而来的一种冗余方案。图5示出了3种冗余方案原理图，由图中可以看出:


(1)串联热备份连接和双总线冗余连接的中间都有一个同步切换开关，不同的是串联热备份连接的切换是单向的，即不能互为备份; 而双总线冗余连接的切换是双向的，可以互为备份，这是它的发展;
(2)由图中看出，双总线冗余连接并未脱出串联热备份的范畴，所以一个机器过载，即使切换过去也仍然过载，即机器虽然增加了1(N = 1)倍，但过载能力并无丝毫的增加;
(3)由于二者的中间都有一个同步切换开关而形成“瓶颈”，所以系统可靠性是一样的;
(4) 双总线冗余连接系统的增容必须是双倍的，比如UPS1增加1台20kVA的并联单机，UPS2也必须增加1台20kVA的并联单机，使用户的投资成倍增加，加重了用户的负担;
(5)很明显，并联冗余连接方案由于中间没有形成“瓶颈”的切换开关，不论是从直观上还是理论计算上都得出其可靠性比前二者高出一个甚至几个数量级的结论，过载能力成倍增加，而且增容不必是双倍的。
由上面的简单比较可以看出，双总线冗余连接的性能确实比串联热备份连接好多了，但无论如何仍不能与并联冗余媲美，只是在某些场合是不得已而为之，或者从其他角度上看这样用更舒服一些。也是说在一定的条件下采用这种方案不失为好的思想，若为了推销这种方案而不选择场合，就不一定能发挥出它的优点，甚至起到相反的效果。
这里顺便介绍一下UPS阵列技术(又称为矩阵式技术)。阵列技术主要借鉴了服务器和存储设备的阵列做法。当一个网络系统中所有的UPS组成一个阵列时，该阵列中的所有电源模块就会同时负担系统负荷，其地位完全平等，当某个模块出现问题而停止供电时，其他模块便会自动分摊多出来的电源负载，这是在系统负荷小于系统最大负荷的情况下。当系统接近满负荷工作状态时，任一模块停止工作都将影响外部计算机系统的正常工作，此时冗余设计便会发挥作用。当某个主智能控制模块失效时，系统会立即将失效模块的任务转移到冗余模块上，而且这一过程不必切断电源，完全由系统自动在后台完成，用户丝毫不会察觉到系统电源出了问题。冗余模块在功能上不如主智能模块完备，但可承担主智能模块的大部分事务，只要系统管理员及时更换或修复出现问题的主智能模块，系统就又可以正常工作了。目前支持阵列技术的主要有APC推出的Smart 、Matrix 、Symmetra系列UPS以及瑞士的Imel、美国的PW9170+公司推出的产品等等。
3. 关于整体机房
“整体机房”是近年才由APC公司提出来的一个新概念。已往的机房正是因为缺少“整体”的概念才导致了很多的事故。比如已往的机房多是原来的办公室、厂房、教室、住宅、租用的写字楼等改建而成，对于供电配电、机器摆放、地板承重、通风空调、电缆路径、现场监控、防火灭火、灰尘等级和人员管理等等，由于原来条件的限制而得不到合理的统一考虑与安排，在一定程度上影响了系统的可靠性与可用性。
随着IT事业的发展，大型机房如IDC之类的数据中心已经涌现，而且对系统运行的可靠性要求很高，如果仍用以前那种拼凑的方法来建设机房系统，就很难满足这种高标准的要求。整体机房就是从整体出发、统一考虑，从基础建设开始，对交流市电送电、UPS和发电机的冗余配置、配电柜的结构与摆放、数据机柜的形式和摆放、地板承重、通风空调、电源电缆路径、信号电缆走向、现场监控、防火灭火、灰尘控制、灯光照明、安全保卫等等都纳入统一的可靠性指标中，合理地将可靠性指标分配到每一个环节，并主动地采取有效措施来保证这个可靠性，比如对UPS可作这样的设置: 根据实际情况算出该机的平均无故障时间(MTBF)，除了正常的预警措施外，当机器运行时间达到该值(MTBF)时，UPS就开始发出告警信号，对机器提前进行全面维护等。
所以，对于一些要求很高的机房，在条件允许的前提下尽量作“整体机房”标准的考虑是保证整个系统可靠运行的最好方法。对那些受原来条件限制而无法最大限度地发挥整体机房效能的地方，在现行条件下作整体机房部署的考虑也是大有益处的。
有一个企业的200kVA UPS冗余并联供电的机房，对各部分的设备均由各有关部门专人管理，自己配置自己的设备，缺乏协调、各行其是。UPS到位后机房才吊顶，由于无统一的计划管理，吊顶时的灰尘从上出风口灌入机内，等开机时UPS出风口如火山爆发，在场的人员抱头鼠窜！等机器全部到位后，就来一个大联调，联通后就万事大吉，设计人员各回单位。虽有严格的机房出入制度，运行中机房内人员避免不了出出进进，灰尘无法控制，温度、湿度无专人管理等等，导致机器故障不断。当然这只是一个最不好的例子。如果早期有一个“整体”的考虑就不会如此狼狈。
4. 电池管理技术
作为UPS电源的心脏，电池的损坏或寿命的缩短直接意味着UPS设备的损坏或崩溃。所以，保证电池不被损坏或延长电池的使用寿命也就成了现代UPS系统的一个重要任务。为此，不少UPS产品设有智能化电池管理功能，具体包括: 电池放电终止保护电压自动调节功能，由于UPS标准机与长延时机的电池放电倍率有所不同，两者放电终止电压保护点的设置也应区别对待，否则将严重缩短价格上占有相当比重的蓄电池寿命，某些UPS在采用32位DSP芯片后，率先将大功率UPS的电池管理技术应用到小功率产品中，在DSP中存储了数十条电池放电曲线，通过对电池放电电流的检测可自动判断电池的放电倍率，进而自动调节电池放电终止电压，达到延长蓄电池使用寿命的目的; 均浮充自动转换功能，该功能可根据对电池充电电流的检测及电池容量情况的判断自动进行均浮充转换，大大节省了充电时间，活化了电池，从而起到了延长电池使用寿命的作用; 自动温度补偿功能，由于电池充电速度和充电饱和容量与环境温度密切相关，而普通蓄电池又都普遍存在记忆效应，所以支持自动温度补偿功能的UPS可根据环境温度的变化自动调节浮充电压，从而最大限度地保证电池的有效容量，延长了电池的使用寿命; 自动均流可并联充电器，对于UPS需要长延时的使用方案，某些品牌专门设计了可并联的自动均流的充电器，并采用了成熟的通信电源并联技术，其均流不平衡度可以小于3%，能够满足用户对电池尽快恢复能量储备的需求。

斜晖

挺好的，收了！