论文部分内容阅读
摘要：电力系统二次设备安全稳定运行首先要有可靠的电源保证，目前电力公司变电站、电力调度控制中心机房都配有相应的UPS设备，不同的二次设备UPS配置运行方式也不完全相同，结合电力公司常见的UPS配置方式做出科学的评述，为电力企业运行维护人员选配UPS提供很好的参考。
关键词：UPS；冗余；热备份
作者简介：翟程虎（1974-），男，江苏涟水人，江苏涟水县供电公司电力调度控制中心，助理工程师。（江苏涟水223400）
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）06-0148-02
在构成电力系统电源设计中，主要是双机热冗余和双机热备用两种方式。双机热冗余在正常工作时两台主机同时给负载提供电源，如图1所示；双机热备份正常工作时仅一台主机给负载供电，另外一台处于备用状态，如图2所示。它们都应在100%的时间内向负载提供100%的经逆变器转换后的高质量电源。
一、UPS并联冗余与串联热备方式的特点
电力企业二次设备在选购三相UPS时，要在并联冗余方式和串联热备方式中做一选择，就增加系统可靠性而言，双机并联冗余可以增加可靠度，当其中一台UPS出故障时，所有的负载可由另一台UPS承担。因此在应用时，负载的总容量最好不要超过其中一台UPS的额定容量，否则易发生过载现象。如以两台额定容量50kVA三相UPS并机为例，负载最多不要超过50kVA。因此设备投资利用率最高仅为50kVA/100kVA=50%。而不是50kVA+50kVA=100kVA，简单来说是“l+1=1”，而不是“1+1=2”。因而每台UPS最高的负载比率也仅有50%。
双机串联热备方式的应用同样可以达到增加系统可靠度的目的。其中主机UPS故障时，可由另一台串联的热备机承担所有负载、切换时间可以达到零秒级。同样，负载的总容量亦不超过其中一台的较小容量的额定容量，设备投资的利用率最高为50%。但是串联的主机平时承受100%的负载。一般而言承载100%的负载UPS会比承载50%的UPS效率高。因此，经长年累月工作于在线的模式下，所节省的电费也相当可观。总的来说，串联热备用方式的效率比并联冗余方式的效率高。
此外，就“并联冗余方式可增加输出容量”而言，虽是事实，但是为使双机并联的可靠度能够得到保证，负载一般不超过任一台的额定负载。此种应用与串联热备UPS的应用相同。
就操纵而言，一般双机串联热备方式UPS在安装完毕后操纵即与单机一样简便。但是在双机并联的应用中，因为双机并联需要考虑各UPS在电压、频率及相位三者完全一致前提下才可并联，因此操纵上必须留意上述事项。并且，双机并联还要增加UPS的配件，以保证每台UPS要同时锁相输出，因此在长时间的运行下，并联机的故障率将会比串联机高。有时因电压、频率、相位无法一致，操纵时仅能保持主机运行而从机封闭。
另外在保养维修时，双机串联热备机在主机维修时，可自动切换旁路由从机提供不间断电源，继承供给电力设备，较为便利。双机并联作维修时须先封闭其中一台UPS，而维修完重新并联运行时，须再次遵守其复杂的操纵程序开、关机，以确保稳定的向负载提高持续稳定的电源。
在双机并联冗余方式应用中，有时为使两机的电压、频率、相位保持一致，须额外加一个通讯单元（或称并联板），以便使两台并联UPS内部的微机处理（CPU）相互通讯。因此，此通讯单元或并联板由电缆线连至两台并联的UPS通信接口。额外增加了空间的连接的配置。而在双机串联热备方式中则没有上述的通讯单元或控制单元，可节省空间配置。
二、UPS并联冗余与串联热备方式的比较
1.目的相同
UPS并联冗余方式与串联热备用方式都是为了提高UPS系统的可靠性。
2.易实现性
UPS并联冗余方式要通过并机装置实现并联，即使有的机型无须外加并机装置，但在控制上要有UPS间同步等控制连接（通常采用有线或无线方式）。热备份方式不需外加任何外部设备，这样就大大减少了故障点，方便地实现现场安装调节以及日常维护。
3.灵活性
UPS并机冗余方式需由统一系列的UPS设备才能实现，而热备份方式只要主备机具备热备份功能可以实现不同机型、不同品牌、不同系列UPS设备之间的热备份使用，且可以灵活地实现主机和备机之间的互相转换。
4.隔离性
UPS并联冗余方式要将两台UPS设备的输出并联，即将两个UPS的逆变器并联使用，两机之间完全没有隔离，两台UPS的功率单元部门处于一种动态的平衡供电状态。UPS并联冗余方式因为两台UPS没有完全隔离，因此，要求两台UPS的输出电压、频率波形畸变、输出阻抗以及上述指标的动态特性必须完全一致，其中任何一项的不一致都会导致并联冗余方式不能正常工作，还会酿成严重后果。
热备份方式中的两台UPS是完全隔离，独立运行的，热备份系统之间的切换通过主备机内部的自身消息状态开关实现。热备份方式因为具备了良好的隔离性，两套UPS单独运行，因此不存在并机冗余方式的安全隐患。
5.可靠性
在UPS并联冗余方式下，因为诸多原因，如电网的频率扰动、负载的扰动等，都会引起UPS状态的变化。所有两台UPS的动态响应指标必须保持一致，否则 UPS为了自身的安全就会自动解开并联状态，改由其中一台单独供电。这种随机泛起问题一旦双机配合处理不到位，将会造成供电系统的间断，失去并联的意义。热备份方式因为两台UPS单独运行，时刻处于备用状态，在动态过程中即使主机故障，备机也可以及时投入使用，而不会造成停电事故。
6.负载分配
UPS并联冗余方式由两台UPS分担负载，当其中一台发生故障时，另一台由半载变为承担全载，负载的波动对机器的影响相对较小。热备份方式正常时由主机承担全部负载，当主机发生故障时，备用机由空载加至全载，负载的波动对UPS的影响相对较大。随着目前UPS技术的改进，可以使得UPS在引起负载突变时，其输出不乱度保持在2%以内，很好地解决了上述问题，但对于动态特性在100%以上的UPS，在做热备份系统使用时要充分考虑这一因素。
综上所述，双机并联冗余方式不宜做增容使用，否则其冗余功能将会丧失。只有当面临某单一大负载，而单台UPS容量不能满足要求时，可使用并联增容系统。双机串联热备方式会比双机并联冗余方式有较好的经济效益，而且具有相同的可靠度。总体来说，对于中央机房的UPS供电系统，采用多台UPS并联冗余方式较为适合，而且拆除一台UPS可不影响对负载供电；而对于分散式负载，多台UPS串联热备用方式最可靠。
三、UPS主机选型
UPS主机的可靠性是UPS供电系统的核心，在选择UPS主机时应留意以下事项：
（1）功率器件是UPS变换器的心脏，要选用优质的低温升功率器件制造的UPS，并使器件运行在最佳状态，以加强UPS机能和可靠性。
（2）需选择全数字化、集成化控制电路的UPS。在变换、控制、反馈、测量、显示、通讯等方面均采用数字化技术。目前的部分UPS只有DC→AC是数字化，而AC→DC还是在模拟状态下工作，因此这些UPS只能算作部分数字化；而先进UPS从AC→DC和DC→AC均为数字化，而且还采用双数字信号处理器（DSP）及大规模集成专用电路（ASIC）和直接数字控制（DDC）技术，才算真正迈上了全数字化的台阶。数字化程度代表了UPS高指标、高可靠、高不乱的特性。
（3）选择宽输入电压范围，大功率UPS能达到电网AC380V/+15%、AC380V/-30%电压变化范围。
（4）选择高输入功率因数的UPS，因高输入功率因数能减少无功损耗，节约电能，降低电网的谐波污染及空间辐射干扰。目前最新产品的输入功率因数达到0.999，可以显著减少输入端无功损耗，节约运行，同时没有电网污染及空间辐射，是真正的绿色环保电源。
（5）选用平均无故障时间（MTBF）长的UPS，MTB是F反映UPS长期运行的可靠性程度的一项重要指标，从UPS市场的统计资料可知，现在我国市场的UPS的MTBF一般都在10万小时以上，但不同品牌UPS的可靠性指标是有显著差别的。
四、负荷容量及方式选配
（1）一般UPS选择根据设备的负荷容量来选择，一般UPS的容量=负载容量/0.7。如：负载容量7000瓦，那UPS容量=7000/0.7=10000VA，所以选择容量为10kVA的UPS就满足要求。
（2）根据现场供电环境选择输入及输出的要求选择对应功能的UPS，如：现场电力环境为380V，负载设备为220V，就可以选择UPS为三进单出的设备。
（3）蓄电池组的配置。一般蓄电池组的配置根据负载停电后的需求持续供电时间而配置。
配置的公式：蓄电池容量=UPS容量/UPS直流电压*延长时间
如：某10kVA的机器，需要持续供电2小时，UPS直流输入电压为192V，则蓄电池容量=10000VA/192V*2H=104.2AH，所以配置一组100AH容量的蓄电池就可以延时2小时。
五、结语
本文系统论述电力系统二次设备常用不间断电源（UPS）两种工作方式各自的优缺点，对UPS的应用场合、产品的选配也做出具体的评述，为电力系统二次运行维护人员维护、选用UPS设备提供科学的理论依据。
参考文献：
[1]曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.
[2]王其英,刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用与维护[M].北京:人民邮电出版社,2005.
（责任编辑：刘丽娜）
关键词：UPS；冗余；热备份
作者简介：翟程虎（1974-），男，江苏涟水人，江苏涟水县供电公司电力调度控制中心，助理工程师。（江苏涟水223400）
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）06-0148-02
在构成电力系统电源设计中，主要是双机热冗余和双机热备用两种方式。双机热冗余在正常工作时两台主机同时给负载提供电源，如图1所示；双机热备份正常工作时仅一台主机给负载供电，另外一台处于备用状态，如图2所示。它们都应在100%的时间内向负载提供100%的经逆变器转换后的高质量电源。
一、UPS并联冗余与串联热备方式的特点
电力企业二次设备在选购三相UPS时，要在并联冗余方式和串联热备方式中做一选择，就增加系统可靠性而言，双机并联冗余可以增加可靠度，当其中一台UPS出故障时，所有的负载可由另一台UPS承担。因此在应用时，负载的总容量最好不要超过其中一台UPS的额定容量，否则易发生过载现象。如以两台额定容量50kVA三相UPS并机为例，负载最多不要超过50kVA。因此设备投资利用率最高仅为50kVA/100kVA=50%。而不是50kVA+50kVA=100kVA，简单来说是“l+1=1”，而不是“1+1=2”。因而每台UPS最高的负载比率也仅有50%。
双机串联热备方式的应用同样可以达到增加系统可靠度的目的。其中主机UPS故障时，可由另一台串联的热备机承担所有负载、切换时间可以达到零秒级。同样，负载的总容量亦不超过其中一台的较小容量的额定容量，设备投资的利用率最高为50%。但是串联的主机平时承受100%的负载。一般而言承载100%的负载UPS会比承载50%的UPS效率高。因此，经长年累月工作于在线的模式下，所节省的电费也相当可观。总的来说，串联热备用方式的效率比并联冗余方式的效率高。
此外，就“并联冗余方式可增加输出容量”而言，虽是事实，但是为使双机并联的可靠度能够得到保证，负载一般不超过任一台的额定负载。此种应用与串联热备UPS的应用相同。
就操纵而言，一般双机串联热备方式UPS在安装完毕后操纵即与单机一样简便。但是在双机并联的应用中，因为双机并联需要考虑各UPS在电压、频率及相位三者完全一致前提下才可并联，因此操纵上必须留意上述事项。并且，双机并联还要增加UPS的配件，以保证每台UPS要同时锁相输出，因此在长时间的运行下，并联机的故障率将会比串联机高。有时因电压、频率、相位无法一致，操纵时仅能保持主机运行而从机封闭。
另外在保养维修时，双机串联热备机在主机维修时，可自动切换旁路由从机提供不间断电源，继承供给电力设备，较为便利。双机并联作维修时须先封闭其中一台UPS，而维修完重新并联运行时，须再次遵守其复杂的操纵程序开、关机，以确保稳定的向负载提高持续稳定的电源。
在双机并联冗余方式应用中，有时为使两机的电压、频率、相位保持一致，须额外加一个通讯单元（或称并联板），以便使两台并联UPS内部的微机处理（CPU）相互通讯。因此，此通讯单元或并联板由电缆线连至两台并联的UPS通信接口。额外增加了空间的连接的配置。而在双机串联热备方式中则没有上述的通讯单元或控制单元，可节省空间配置。
二、UPS并联冗余与串联热备方式的比较
1.目的相同
UPS并联冗余方式与串联热备用方式都是为了提高UPS系统的可靠性。
2.易实现性
UPS并联冗余方式要通过并机装置实现并联，即使有的机型无须外加并机装置，但在控制上要有UPS间同步等控制连接（通常采用有线或无线方式）。热备份方式不需外加任何外部设备，这样就大大减少了故障点，方便地实现现场安装调节以及日常维护。
3.灵活性
UPS并机冗余方式需由统一系列的UPS设备才能实现，而热备份方式只要主备机具备热备份功能可以实现不同机型、不同品牌、不同系列UPS设备之间的热备份使用，且可以灵活地实现主机和备机之间的互相转换。
4.隔离性
UPS并联冗余方式要将两台UPS设备的输出并联，即将两个UPS的逆变器并联使用，两机之间完全没有隔离，两台UPS的功率单元部门处于一种动态的平衡供电状态。UPS并联冗余方式因为两台UPS没有完全隔离，因此，要求两台UPS的输出电压、频率波形畸变、输出阻抗以及上述指标的动态特性必须完全一致，其中任何一项的不一致都会导致并联冗余方式不能正常工作，还会酿成严重后果。
热备份方式中的两台UPS是完全隔离，独立运行的，热备份系统之间的切换通过主备机内部的自身消息状态开关实现。热备份方式因为具备了良好的隔离性，两套UPS单独运行，因此不存在并机冗余方式的安全隐患。
5.可靠性
在UPS并联冗余方式下，因为诸多原因，如电网的频率扰动、负载的扰动等，都会引起UPS状态的变化。所有两台UPS的动态响应指标必须保持一致，否则 UPS为了自身的安全就会自动解开并联状态，改由其中一台单独供电。这种随机泛起问题一旦双机配合处理不到位，将会造成供电系统的间断，失去并联的意义。热备份方式因为两台UPS单独运行，时刻处于备用状态，在动态过程中即使主机故障，备机也可以及时投入使用，而不会造成停电事故。
6.负载分配
UPS并联冗余方式由两台UPS分担负载，当其中一台发生故障时，另一台由半载变为承担全载，负载的波动对机器的影响相对较小。热备份方式正常时由主机承担全部负载，当主机发生故障时，备用机由空载加至全载，负载的波动对UPS的影响相对较大。随着目前UPS技术的改进，可以使得UPS在引起负载突变时，其输出不乱度保持在2%以内，很好地解决了上述问题，但对于动态特性在100%以上的UPS，在做热备份系统使用时要充分考虑这一因素。
综上所述，双机并联冗余方式不宜做增容使用，否则其冗余功能将会丧失。只有当面临某单一大负载，而单台UPS容量不能满足要求时，可使用并联增容系统。双机串联热备方式会比双机并联冗余方式有较好的经济效益，而且具有相同的可靠度。总体来说，对于中央机房的UPS供电系统，采用多台UPS并联冗余方式较为适合，而且拆除一台UPS可不影响对负载供电；而对于分散式负载，多台UPS串联热备用方式最可靠。
三、UPS主机选型
UPS主机的可靠性是UPS供电系统的核心，在选择UPS主机时应留意以下事项：
（1）功率器件是UPS变换器的心脏，要选用优质的低温升功率器件制造的UPS，并使器件运行在最佳状态，以加强UPS机能和可靠性。
（2）需选择全数字化、集成化控制电路的UPS。在变换、控制、反馈、测量、显示、通讯等方面均采用数字化技术。目前的部分UPS只有DC→AC是数字化，而AC→DC还是在模拟状态下工作，因此这些UPS只能算作部分数字化；而先进UPS从AC→DC和DC→AC均为数字化，而且还采用双数字信号处理器（DSP）及大规模集成专用电路（ASIC）和直接数字控制（DDC）技术，才算真正迈上了全数字化的台阶。数字化程度代表了UPS高指标、高可靠、高不乱的特性。
（3）选择宽输入电压范围，大功率UPS能达到电网AC380V/+15%、AC380V/-30%电压变化范围。
（4）选择高输入功率因数的UPS，因高输入功率因数能减少无功损耗，节约电能，降低电网的谐波污染及空间辐射干扰。目前最新产品的输入功率因数达到0.999，可以显著减少输入端无功损耗，节约运行，同时没有电网污染及空间辐射，是真正的绿色环保电源。
（5）选用平均无故障时间（MTBF）长的UPS，MTB是F反映UPS长期运行的可靠性程度的一项重要指标，从UPS市场的统计资料可知，现在我国市场的UPS的MTBF一般都在10万小时以上，但不同品牌UPS的可靠性指标是有显著差别的。
四、负荷容量及方式选配
（1）一般UPS选择根据设备的负荷容量来选择，一般UPS的容量=负载容量/0.7。如：负载容量7000瓦，那UPS容量=7000/0.7=10000VA，所以选择容量为10kVA的UPS就满足要求。
（2）根据现场供电环境选择输入及输出的要求选择对应功能的UPS，如：现场电力环境为380V，负载设备为220V，就可以选择UPS为三进单出的设备。
（3）蓄电池组的配置。一般蓄电池组的配置根据负载停电后的需求持续供电时间而配置。
配置的公式：蓄电池容量=UPS容量/UPS直流电压*延长时间
如：某10kVA的机器，需要持续供电2小时，UPS直流输入电压为192V，则蓄电池容量=10000VA/192V*2H=104.2AH，所以配置一组100AH容量的蓄电池就可以延时2小时。
五、结语
本文系统论述电力系统二次设备常用不间断电源（UPS）两种工作方式各自的优缺点，对UPS的应用场合、产品的选配也做出具体的评述，为电力系统二次运行维护人员维护、选用UPS设备提供科学的理论依据。
参考文献：
[1]曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2008.
[2]王其英,刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用与维护[M].北京:人民邮电出版社,2005.
（责任编辑：刘丽娜）