UPS及EPS的應(yīng)用技術(shù)與發(fā)展趨勢

摘要：就當(dāng)前一體化機(jī)房供電系統(tǒng)、UPS與EPS的應(yīng)用特點(diǎn)及發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：UPS；EPS（應(yīng)急電源）；應(yīng)用技術(shù)；發(fā)展趨勢

1 一體化機(jī)房供電系統(tǒng)的新理念

1.1 電力不足與電力災(zāi)難

2003年8月14日下午美國東北部、中西部和加拿大南部發(fā)生大面積停電，這次持續(xù)29個(gè)小時(shí)的大面積停電，不僅給5000萬美國人和加拿大人的生活帶來極大不便，而且造成300億美元以上的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。

我國也面臨著電力供不應(yīng)求的尖銳矛盾與事故頻頻發(fā)生的嚴(yán)峻形勢。今年6月我國電力部門已宣布，今年將發(fā)生嚴(yán)重的“電荒”，決定對24個(gè)省市自治區(qū)采取拉閘限電的措施來保證基本的電力供應(yīng)。我們應(yīng)從北美發(fā)生大停電的教訓(xùn)中得到警示，意識到自身電網(wǎng)存在的問題和隱患。

隨著中國信息化建設(shè)的成熟，信息系統(tǒng)已經(jīng)涵蓋了各種系統(tǒng)，其中包括航空、氣象、金融、通訊以及交通等重點(diǎn)行業(yè)，這些系統(tǒng)無疑是國家的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，而電力系統(tǒng)則是維持這些基礎(chǔ)設(shè)施不間斷運(yùn)行的必要保證。

顯然，用戶不可能左右整個(gè)電網(wǎng)的可靠性，但可以積極地做好自身小環(huán)境的電力保護(hù)，因此，用戶自我保護(hù)是當(dāng)前解決企業(yè)電力問題的現(xiàn)實(shí)之舉，而UPS能夠有效地解決停電事故和電力質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，在美國、日本以及西歐等國家UPS已得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)在用戶已經(jīng)認(rèn)識到UPS和備用發(fā)電機(jī)(油機(jī))的重要性。我國用戶多采用長延時(shí)UPS，而國外用戶多采用“UPS＋油機(jī)”的方式。事實(shí)上，UPS的電池與油機(jī)的初始成本相差不多，但油機(jī)后期維護(hù)成本更低一些，而UPS的電池則需要定期充放電，每隔幾年需要更換，并且供電維持時(shí)間很難超過8h，而出現(xiàn)電力事故時(shí)，UPS的任務(wù)主要是承擔(dān)從電力中斷到柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)的這段時(shí)間內(nèi)的供電，保證電力供應(yīng)不出現(xiàn)中斷，而此后的供電應(yīng)當(dāng)交給發(fā)電機(jī)。

雙路供電也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)小環(huán)境電力保護(hù)的一種有效方式，但雙路供電必須有來自不同配電站的電源供給。并且，機(jī)房的UPS還要有冗余的備份設(shè)備。

對企業(yè)小環(huán)境電源保護(hù)系統(tǒng)的配置，用戶應(yīng)考慮關(guān)鍵設(shè)備的主次之分。首先應(yīng)保護(hù)最重要的關(guān)鍵設(shè)備，然后是相對次要的負(fù)載。并根據(jù)設(shè)備的重要程度選擇適當(dāng)?shù)碾娏ΡＷo(hù)措施，避免不必要的投資，造成浪費(fèi)。

1.2 不間斷供電系統(tǒng)

自從計(jì)算機(jī)問世以來，對其供電系統(tǒng)的研究就成為保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要課題。計(jì)算機(jī)類(計(jì)算機(jī)及其它IT設(shè)備等)設(shè)備對供電系統(tǒng)的要求是比較苛刻的，它不僅要求供電系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源，保證供電的連續(xù)性，還要求提供相應(yīng)的環(huán)境物理?xiàng)l件和必要的系統(tǒng)安全保證措施，供電系統(tǒng)應(yīng)有很高的“可維護(hù)性”和“可管理性”，以及能夠適應(yīng)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷發(fā)展變化的“可擴(kuò)展性”。

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的供電以市電為主。影響供電質(zhì)量的客觀因素一方面是一個(gè)國家或一個(gè)地區(qū)的發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量和配電水平、供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配電設(shè)備以及維護(hù)管理自動(dòng)化水平的落后，是供電質(zhì)量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各種不同性質(zhì)的負(fù)載，特別是一些大容量感性、容性、沖擊性、非線性的負(fù)載，對電網(wǎng)造成污染，使電網(wǎng)電壓的幅值變化、波形畸變、頻率漂移；另外，自然或人為的原因，如地震、雷擊、輸變電系統(tǒng)斷路或短路等，都會(huì)危害電力的正常供應(yīng)，從而影響負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行。

當(dāng)前，從全球經(jīng)濟(jì)模式及商務(wù)運(yùn)作形式一直到人們的日常生活方式都在發(fā)生著巨大的變化，其中最明顯的莫過于Internet(互聯(lián)網(wǎng))和E－Business(電子商務(wù))的迅猛發(fā)展，全球網(wǎng)絡(luò)、全球通訊、信息實(shí)時(shí)處理以及一年365天（8760h）的貿(mào)易，將逐漸變成日常生活中不可或缺的組成部分。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，所有的硬件加在一起的費(fèi)用也只是全部網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用的一小部分(約20％)，而大部分費(fèi)用用在檢查錯(cuò)誤，服務(wù)器的重新啟動(dòng)，維護(hù)和更新以及數(shù)據(jù)重建等上面。從某種意義上講，保護(hù)用戶的數(shù)據(jù)比保護(hù)用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更為重要。一個(gè)大型企業(yè)，深知自己成功與否取決于計(jì)算機(jī)，即使供電系統(tǒng)出現(xiàn)很短時(shí)間的故障，就可能出現(xiàn)如下的致命后果：有損形象；丟失合同；丟失客戶；中止客戶服務(wù)；產(chǎn)品積壓；丟失運(yùn)行的數(shù)據(jù)。一個(gè)網(wǎng)站宕機(jī)，一個(gè)潛在的用戶在8s內(nèi)離開，一個(gè)路由器宕機(jī)，局域網(wǎng)上可能有幾百個(gè)用戶無法工作；一個(gè)光纖室宕機(jī)，可能有幾千個(gè)用戶斷開網(wǎng)絡(luò)連接。

供電系統(tǒng)除了要向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源外，保證供電的連續(xù)性已經(jīng)成為重要的不可缺少的功能，不間斷供電系統(tǒng)(UPS)就是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生的。UPS供電系統(tǒng)從產(chǎn)生到現(xiàn)在已有幾十年的發(fā)展歷程，在技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)的過程中，其保護(hù)功能也在不斷地發(fā)生變化，特別是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的今天，這種變化就更明顯，圖1顯示了這個(gè)變化過程。1993年以前著重追求對硬件的保護(hù)，1993年開始，更多的用戶把電源對數(shù)據(jù)的保護(hù)要求放在了最重要的地位。

圖1 供電系統(tǒng)保護(hù)功能的變化

1.3 一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的深入和用戶需求的個(gè)性化，對UPS的應(yīng)用要求呈現(xiàn)高可靠性、可管理性以及經(jīng)濟(jì)性并重的趨勢，集不間斷電源、機(jī)柜、電源管理、散熱、電力電纜和數(shù)據(jù)布線為一體的全套電源供應(yīng)與管理的“整體方案”可以大大便利用戶的選購、安裝、維護(hù)和擴(kuò)容，降低日常管理、維護(hù)的成本。這種應(yīng)用趨勢演變?yōu)閺S商之間綜合實(shí)力的競爭，包含產(chǎn)品技術(shù)、方案提供以及現(xiàn)場服務(wù)等多方面的因素。

當(dāng)前所說供電機(jī)房已不再是傳統(tǒng)意義的UPS設(shè)備，而是網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施的體現(xiàn)，它是一套集成系統(tǒng)，UPS設(shè)備只能說成是該系統(tǒng)的核心部件。

由于UPS和EPS（應(yīng)急電源）等電源保障系統(tǒng)是支持大型電腦、電子設(shè)備、電機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的，這些系統(tǒng)要有集中測控的設(shè)備來監(jiān)控整個(gè)過程的運(yùn)行。10年前電源保障比較簡單，只是單機(jī)單元進(jìn)行監(jiān)視與維護(hù)。后來隨著系統(tǒng)愈來愈大，所用的UPS容量也愈來愈大，并要求高可靠性。例如民航導(dǎo)航與空管站的UPS，要求有兩套來自不同電網(wǎng)的功率均分并機(jī)系統(tǒng)，兩臺UPS再并機(jī)，即用雙總線系統(tǒng)來保證高可靠性與高可用性。如一臺UPS出故障，可由并機(jī)的另一臺承擔(dān)。一路市電出問題，還有另一路市電來承擔(dān)。與此同時(shí)還要求能監(jiān)控每一塊電池，對發(fā)電機(jī)組也需監(jiān)控，對電機(jī)的起動(dòng)電池也得監(jiān)控。于是電源就成了一個(gè)與負(fù)載——電腦設(shè)備、電子設(shè)備、機(jī)電設(shè)備同等重要而復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)然，技術(shù)上是可以解決的，但最終受限于成本和價(jià)格。于是電源網(wǎng)絡(luò)化與IT化結(jié)合起來，形成“電源、發(fā)電機(jī)、電池及被保護(hù)的電腦、電子、機(jī)電”網(wǎng)絡(luò)一體化的系統(tǒng)。也就是把UPS、EPS、電池、發(fā)電機(jī)，與被保護(hù)的電腦、電子、機(jī)電系統(tǒng)看作是一個(gè)整體。即“電源、電池、電機(jī)、電腦、電子、機(jī)電”的“六電一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。

只顧眼前利益忽視安全要求是非常危險(xiǎn)的。近來報(bào)道的一些廠礦事故、城市火災(zāi)、坍塌事故等乃是這種意識的嚴(yán)重后果。對于“六電一體網(wǎng)”的建設(shè)絕不是一個(gè)把UPS、EPS、電池、電機(jī)與被保護(hù)的電腦、電子(如雷達(dá)、導(dǎo)航、通信)、機(jī)電設(shè)備(自動(dòng)化系統(tǒng))簡單地接在一個(gè)Ethernet（以太網(wǎng)）上就行了。還要保證物流、能流、人流與信息流能夠充分地流動(dòng)起來。

2 UPS與EPS的應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 常用型UPS的特點(diǎn)及功能

U PS按其設(shè)計(jì)原理與工作方式可分為離線式UPS、在線式UPS、在線互動(dòng)式UPS三種。

離線式UPS亦稱后備式UPS，以小功率（5kVA以下）為主，主要對市電進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓調(diào)整，以便向負(fù)載提供更為穩(wěn)定的電壓，同時(shí)通過充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池內(nèi)，一旦電力中斷、電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時(shí)間內(nèi)(幾ms)開啟自身的儲備電源，向負(fù)載供電，此類UPS的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高、易于維護(hù)且價(jià)格低廉，為絕大多數(shù)中小功率用戶電源保護(hù)的首選。

在線式UPS以中大功率(5kVA以上)為主，逆變器始終處于工作狀態(tài)，與用電設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，在供電狀態(tài)下的主要功能是穩(wěn)壓和防止電壓波動(dòng)和干擾，避免負(fù)載遭到長期低品質(zhì)電力的侵害，一旦市電中斷，UPS中的逆變器會(huì)利用機(jī)內(nèi)蓄電池所提供的電能來維持負(fù)載的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，供電轉(zhuǎn)換時(shí)間為零，真正實(shí)現(xiàn)了不間斷供電。該類UPS供電質(zhì)量高，但價(jià)格昂貴。

在線互動(dòng)式UPS以網(wǎng)絡(luò)使用為主，它結(jié)合了離線式效率高和在線式供電質(zhì)量高的特點(diǎn)，與離線式UPS相比切換時(shí)間短。

一臺UPS應(yīng)該包括傳統(tǒng)意義上的以下環(huán)節(jié)和功能：能在各種復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行；在運(yùn)行中不會(huì)對市電產(chǎn)生附加的干擾；輸出電性能指標(biāo)應(yīng)該是全面的、高質(zhì)量的，能滿足負(fù)載的各項(xiàng)要求；UPS本身應(yīng)具有很高的效率，有接近實(shí)際市電的輸出能力；是一臺智能化程度很高的設(shè)備，有高度智能化的自檢功能，自動(dòng)顯示、報(bào)警、狀態(tài)記憶功能，以及通訊功能；UPS不僅向由它直接供電的各種硬件設(shè)備提供全面的保護(hù)，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，還應(yīng)該向他們所運(yùn)行的軟件以及數(shù)據(jù)傳輸途徑提供安全可靠的保護(hù)，可配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件，使其具有遠(yuǎn)程管理能力，使用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)管理平臺之間的監(jiān)控和數(shù)據(jù)通訊操作。

2.2 UPS與網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)密切相關(guān)

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的UPS，特別是中大型UPS，不只是一臺停電后可以繼續(xù)向負(fù)載供電的整機(jī)產(chǎn)品，而且已成為一個(gè)小型的，或者說局部的高度可靠、性能齊全、高度智能化的供電中心。在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，UPS已經(jīng)成為一個(gè)高度智能化的設(shè)備，它對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備、運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面的保護(hù)，使之成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。

它具有如下技術(shù)特性。

2.2.1 高可靠性

具有能在365天(每天24h)連續(xù)提供高質(zhì)量輸出電壓的供電能力。這就意味著，在UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行中既不允許出現(xiàn)任何瞬間供電中斷或停電事故，也不允許出現(xiàn)由市電經(jīng)交流旁路直接向負(fù)載供電的局面。為此，要求UPS供電系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：

1）UPS單機(jī)本身的故障率低，目前大型UPS產(chǎn)品的平均無故障工作時(shí)間(MTBF)可達(dá)（2～4）×105h；

2）采用具有高度容錯(cuò)功能的“N＋1”型UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)一步提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性〔“1＋1”型冗余并機(jī)系統(tǒng)的典型MTBF值可達(dá)（14～20)×105h〕；

3）在整套UPS供電系統(tǒng)中，不應(yīng)存在單點(diǎn)瓶頸性故障隱患；

4）允許在UPS逆變器連續(xù)供電的條件下，執(zhí)行不停電的維護(hù)和檢修操作；

5）萬一在用戶設(shè)備端出現(xiàn)短路故障時(shí)，應(yīng)將故障的影響范圍縮小到盡可能小的范圍。

2.2.2 高抗干擾性

UPS供電系統(tǒng)能使互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲得100％的高可利用率(低誤碼率，低數(shù)據(jù)傳輸丟失率、高網(wǎng)絡(luò)接通率)，創(chuàng)造優(yōu)良的運(yùn)行環(huán)境。

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，電源干擾問題是造成互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可利用率下降的重要原因之一。能否盡可能地消除電源干擾是確保信息網(wǎng)絡(luò)能否獲得100％的高可利用率的關(guān)鍵所在。應(yīng)當(dāng)說明的是，電源干擾不僅來源于普通的市電電網(wǎng)，還來源于設(shè)計(jì)不完善的UPS本身及用戶的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身。這是因?yàn)榕渲迷贗DC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)和MDC(多媒體數(shù)據(jù)中心)機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器、磁盤陣列機(jī)、交換機(jī)等均內(nèi)置有開關(guān)電源。這種整流濾波型非線性負(fù)載會(huì)向UPS供電系統(tǒng)反射3～23次諧波干擾，其可能帶來的后果之一是降低語音通話質(zhì)量。實(shí)踐證明，過大或過多出現(xiàn)電源干擾，輕者會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率下降、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)丟失率增大、Modem的上網(wǎng)掉線率增大等隱形故障，從而導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被迫進(jìn)入降額使用狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。從這個(gè)角度來看，高速信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展在給UPS產(chǎn)業(yè)帶來巨大商機(jī)的同時(shí)，也對UPS所能提供的供電質(zhì)量提出更為嚴(yán)格的要求。

2.2.3 具有防雷擊及抗浪涌的功能

雷擊、閃電及電網(wǎng)上的浪涌嚴(yán)重威脅UPS系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全。如無相應(yīng)的保護(hù)措施，將造成UPS系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件的損壞。UPS應(yīng)具有這方面的保護(hù)電路，其指標(biāo)應(yīng)符合國家及國際安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。