UPS及EPS的應用技術(shù)與發(fā)展趨勢

摘要：就當前一體化機房供電系統(tǒng)、UPS與EPS的應用特點及發(fā)展趨勢進行了闡述。

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

1    一體化機房供電系統(tǒng)的新理念

1.1    電力不足與電力災難

    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個小時的大面積停電，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)濟損失。

    我國也面臨著電力供不應求的尖銳矛盾與事故頻頻發(fā)生的嚴峻形勢。今年6月我國電力部門已宣布，今年將發(fā)生嚴重的“電荒”，決定對24個省市自治區(qū)采取拉閘限電的措施來保證基本的電力供應。我們應從北美發(fā)生大停電的教訓中得到警示，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)施不間斷運行的必要保證。

    顯然，用戶不可能左右整個電網(wǎng)的可靠性，但可以積極地做好自身小環(huán)境的電力保護，因此，用戶自我保護是當前解決企業(yè)電力問題的現(xiàn)實之舉，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已得到廣泛應用。

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

    雙路供電也是企業(yè)實現(xiàn)小環(huán)境電力保護的一種有效方式，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)境電源保護系統(tǒng)的配置，用戶應考慮關(guān)鍵設(shè)備的主次之分。首先應保護最重要的關(guān)鍵設(shè)備，然后是相對次要的負載。并根據(jù)設(shè)備的重要程度選擇適當?shù)碾娏ΡＷo措施，避免不必要的投資，造成浪費。

1.2    不間斷供電系統(tǒng)

    自從計算機問世以來，對其供電系統(tǒng)的研究就成為保證計算機系統(tǒng)正常運行的重要課題。計算機類(計算機及其它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，還要求提供相應的環(huán)境物理條件和必要的系統(tǒng)安全保證措施，供電系統(tǒng)應有很高的“可維護性”和“可管理性”，以及能夠適應計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷發(fā)展變化的“可擴展性”。

    計算機和網(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國家或一個地區(qū)的發(fā)電機總裝機容量和配電水平、供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和配電設(shè)備以及維護管理自動化水平的落后，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)的負載，特別是一些大容量感性、容性、沖擊性、非線性的負載，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，都會危害電力的正常供應，從而影響負載設(shè)備的正常運行。

    當前，從全球經(jīng)濟模式及商務(wù)運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、信息實時處理以及一年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。在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，所有的硬件加在一起的費用也只是全部網(wǎng)絡(luò)費用的一小部分(約20％)，而大部分費用用在檢查錯誤，服務(wù)器的重新啟動，維護和更新以及數(shù)據(jù)重建等上面。從某種意義上講，保護用戶的數(shù)據(jù)比保護用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更為重要。一個大型企業(yè)，深知自己成功與否取決于計算機，即使供電系統(tǒng)出現(xiàn)很短時間的故障，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；丟失運行的數(shù)據(jù)。一個網(wǎng)站宕機，一個潛在的用戶在8s內(nèi)離開，一個路由器宕機，局域網(wǎng)上可能有幾百個用戶無法工作；一個光纖室宕機，可能有幾千個用戶斷開網(wǎng)絡(luò)連接。

    供電系統(tǒng)除了要向負載提供高質(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運而生的。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)展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發(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顯示了這個變化過程。1993年以前著重追求對硬件的保護，1993年開始，更多的用戶把電源對數(shù)據(jù)的保護要求放在了最重要的地位。

圖1    供電系統(tǒng)保護功能的變化

1.3    一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

    隨著網(wǎng)絡(luò)應用的深入和用戶需求的個性化，對UPS的應用要求呈現(xiàn)高可靠性、可管理性以及經(jīng)濟性并重的趨勢，集不間斷電源、機柜、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與管理的“整體方案”可以大大便利用戶的選購、安裝、維護和擴容，降低日常管理、維護的成本。這種應用趨勢演變?yōu)閺S商之間綜合實力的競爭，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。

    當前所說供電機房已不再是傳統(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)控整個過程的運行。10年前電源保障比較簡單，只是單機單元進行監(jiān)視與維護。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)的功率均分并機系統(tǒng)，兩臺UPS再并機，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，可由并機的另一臺承擔。一路市電出問題，還有另一路市電來承擔。與此同時還要求能監(jiān)控每一塊電池，對發(fā)電機組也需監(jiān)控，對電機的起動電池也得監(jiān)控。于是電源就成了一個與負載——電腦設(shè)備、電子設(shè)備、機電設(shè)備同等重要而復雜的系統(tǒng)。當然，技術(shù)上是可以解決的，但最終受限于成本和價格。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、電池及被保護的電腦、電子、機電”網(wǎng)絡(luò)一體化的系統(tǒng)。也就是把UPS、EPS、電池、發(fā)電機，與被保護的電腦、電子、機電系統(tǒng)看作是一個整體。即“電源、電池、電機、電腦、電子、機電”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的。近來報道的一些廠礦事故、城市火災、坍塌事故等乃是這種意識的嚴重后果。對于“六電一體網(wǎng)”的建設(shè)絕不是一個把UPS、EPS、電池、電機與被保護的電腦、電子(如雷達、導航、通信)、機電設(shè)備(自動化系統(tǒng))簡單地接在一個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起來。

2    UPS與EPS的應用特點

2.1    常用型UPS的特點及功能

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

    離線式UPS亦稱后備式UPS，以小功率（5kVA以下）為主，主要對市電進行濾波、穩(wěn)壓調(diào)整，以便向負載提供更為穩(wěn)定的電壓，同時通過充電器把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W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，可在極短的時間內(nèi)(幾ms)開啟自身的儲備電源，向負載供電，此類UPS的特點是轉(zhuǎn)換效率高、易于維護且價格低廉，為絕大多數(shù)中小功率用戶電源保護的首選。

    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)備同時運行，在供電狀態(tài)下的主要功能是穩(wěn)壓和防止電壓波動和干擾，避免負載遭到長期低品質(zhì)電力的侵害，一旦市電中斷，UPS中的逆變器會利用機內(nèi)蓄電池所提供的電能來維持負載的正常運轉(zhuǎn)，供電轉(zhuǎn)換時間為零，真正實現(xiàn)了不間斷供電。該類UPS供電質(zhì)量高，但價格昂貴。

    在線互動式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，與離線式UPS相比切換時間短。

    一臺UPS應該包括傳統(tǒng)意義上的以下環(huán)節(jié)和功能：能在各種復雜的電網(wǎng)環(huán)境下運行；在運行中不會對市電產(chǎn)生附加的干擾；輸出電性能指標應該是全面的、高質(zhì)量的，能滿足負載的各項要求；UPS本身應具有很高的效率，有接近實際市電的輸出能力；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，自動顯示、報警、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，在互聯(lián)網(wǎng)時代，還應該向他們所運行的軟件以及數(shù)據(jù)傳輸途徑提供安全可靠的保護，可配置相應的電源監(jiān)控軟件，使其具有遠程管理能力，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)向負載供電的整機產(chǎn)品，而且已成為一個小型的，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)化時代，UPS已經(jīng)成為一個高度智能化的設(shè)備，它對整個網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備、運行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進行全面的保護，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)交流旁路直接向負載供電的局面。為此，要求UPS供電系統(tǒng)應滿足如下要求：

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

    2）采用具有高度容錯功能的“N＋1”型UPS冗余并機系統(tǒng)來進一步提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性〔“1＋1”型冗余并機系統(tǒng)的典型MTBF值可達（14～20)×105h〕；

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

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

    5）萬一在用戶設(shè)備端出現(xiàn)短路故障時，應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)良的運行環(huán)境。

    大量的運行實踐表明，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。應當說明的是，電源干擾不僅來源于普通的市電電網(wǎng)，還來源于設(shè)計不完善的UPS本身及用戶的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身。這是因為配置在IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)和MDC(多媒體數(shù)據(jù)中心)機房內(nèi)的服務(wù)器、磁盤陣列機、交換機等均內(nèi)置有開關(guān)電源。這種整流濾波型非線性負載會向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。實踐證明，過大或過多出現(xiàn)電源干擾，輕者會導致互聯(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，從而導致互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備被迫進入降額使用狀態(tài)，嚴重時還會導致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。從這個角度來看，高速信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展在給UPS產(chǎn)業(yè)帶來巨大商機的同時，也對UPS所能提供的供電質(zhì)量提出更為嚴格的要求。

2.2.3    具有防雷擊及抗浪涌的功能

    雷擊、閃電及電網(wǎng)上的浪涌嚴重威脅UPS系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)的安全。如無相應的保護措施，將造成UPS系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件的損壞。UPS應具有這方面的保護電路，其指標應符合國家及國際安規(guī)標準。 [!--empirenews.page--]

2.2.4    過載能力強

    由于計算機等屬于整流濾波型負載，在啟動時往往有較大的瞬態(tài)沖擊電流，如果UPS的過載能力弱，有可能造成嚴重后果導致系統(tǒng)不能正常運行。

2.2.5    智能化監(jiān)控

    在UPS和計算機／網(wǎng)絡(luò)之間建立起雙向通信監(jiān)控管理功能。利用監(jiān)控軟件管理UPS的運行、操作。當市電中斷或UPS蓄電池電壓處于低限時，監(jiān)控軟件可將計算機中的數(shù)據(jù)自動安全存盤、系統(tǒng)安全關(guān)機，然后關(guān)閉UPS，避免因電力突然中斷而造成操作系統(tǒng)的損壞和數(shù)據(jù)資料的損失，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性保護。

2.3    EPS的興起及現(xiàn)狀

    EPS已被廣泛應用于建筑電氣領(lǐng)域和特殊應急供電場合。隨著社會發(fā)展，越是信息化、現(xiàn)代化，就越依賴于電力。突然的斷電必然會給人們正常的生活秩序和學習帶來影響，尤其是對于生產(chǎn)、生活中特別重要的負荷，一旦中斷供電，將會造成重大的經(jīng)濟損失。然而，電力故障具有突發(fā)性，不以人們的意志為轉(zhuǎn)移，即使電網(wǎng)設(shè)施再先進，意外的斷電也在所難免。目前，城市供電系統(tǒng)的安全對策一般是采用并網(wǎng)供電，為城市電力提供可靠的電源保護。但從企業(yè)及工業(yè)、民用建筑使用情況來看，僅僅靠公用電網(wǎng)還遠遠不夠，必須具備應急供電系統(tǒng)（EPS），其重要性是在事故發(fā)生的情況下確保提供所需的應急電力，以有效降低因為斷電而造成的損失，為人們生產(chǎn)和生活安全提供保障。因此，EPS也被稱為“城市生命線系統(tǒng)”的重要組成部分。

2.3.1    EPS的分類

    目前市場上的EPS品牌眾多，大家在設(shè)計上所采用的控制方式和控制手段不盡相同，但針對所帶負載的種類大致可以歸納為以下三種：一是主要用于應急照明和事故照明的單相EPS；二是用于應急照明、事故照明之外，還有應用于空調(diào)、電梯、卷簾門、排氣風機、水泵等電感性負載或兼而有之的混合供電的三相系列EPS；三是直接給電動機供電的變頻系列EPS。

2.3.2    EPS的設(shè)計要求

    EPS可以說是近兩年才迅猛發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，相比于發(fā)展成熟的UPS而言，有相同之處，也有不同之處。其相同點在于都具備在市電故障(中斷)情況下繼續(xù)向負載提供交流電源的功能，均采用了IGBT逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)。不同之處是UPS除了提供不間斷供電外，還兼?zhèn)涓纳剖须娖焚|(zhì)的功能，而EPS則主要解決市電故障時的應急供電問題；UPS主要是為IT行業(yè)設(shè)備提供用電保障，EPS則適用于各種行業(yè)；UPS供電模式要求切換時間很短(0～10ms)，EPS則相對較寬(0～4s)；UPS主要帶計算機類負載，而EPS所帶負載混雜；UPS對于運行環(huán)境要求較高，EPS則要求能適應各種環(huán)境；UPS以一般用戶監(jiān)控為主，EPS主要用于應急供電，要求與消防聯(lián)動；UPS以維護信息傳輸暢通為主要目的，EPS以防范重大災難事故為主要目的?？梢孕蜗蟮乇扔?，UPS以“救數(shù)據(jù)”為主，而EPS以“救人”為主。一般EPS功率較大，機內(nèi)的逆變器處于備用狀態(tài)，因而可以簡單地理解為：EPS就是大功率后備式UPS。

    鑒于EPS的主要設(shè)計思想是在市電突然中斷時提供安全可靠的應急電力供應，有效避免發(fā)生災害時的人身傷亡和財產(chǎn)損失為原則。因此，在設(shè)計EPS時應著重考慮其安全性、可靠性、適用性及合理性。主要有：

    1）斷電轉(zhuǎn)換時間一般在毫秒級(25ms)，以保證供電的及時性；

    2）負載適應能力強，包括電容性、電感性、混合型負載，而且過載能力和抗沖擊能力強；

    3）有多路輸出，防止輸出單一形成的故障；

    4）有消防聯(lián)動和遠程控制信號，可手動與自動相互轉(zhuǎn)換；

    5）環(huán)境適應能力強，適用于各種惡劣環(huán)境，有防止高低溫、濕熱、鹽霧、灰塵、震動及鼠咬等措施；

    6）使用壽命長，有電池快速充電能力和管理能力；

    7）節(jié)能，運行效率高，運行成本低；

    8）有無人值守、自動操作功能；

    9）報警功能齊全，能及時提供各種異常狀況的報警；

    10）有強啟動功能，避免電池環(huán)節(jié)保護后無法啟動；

    11）無煙霧、無噪音、無公害等；

    12）維護簡單，維護費用低。

2.3.3    EPS的設(shè)計原理

    1）應急照明和事故照明類照明型的EPS一般以單相為主，主要為應急照明場合（商場、娛樂場所、辦公場所、交易場所等）提供集中供電，如圖2所示。當輸入電源正常時，市電一路通過轉(zhuǎn)換裝置輸出給日常照明，另一路通過充電器給電池組充電，當控制器檢測到市電中斷或異常(偏低或偏高)時，向逆變器發(fā)出啟動信號，并控制互投轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)至逆變器輸出。當然，對于EPS的接法不同，還可以把EPS當作二路電源、三路電源使用。

圖2    照明EPS的供電系統(tǒng)

    2）應急照明及混合型負載類此類型EPS一般適用于負載性質(zhì)比較復雜的場合，譬如既有照明型負載，又有動力型負載，所以一般以三相居多，如圖3所示。適用場合為賓館、高層建筑、醫(yī)院、大型商場等。

圖3    混合負載型EPS供電系統(tǒng)

    3）電機專用的變頻起動類此種類型EPS主要為電機類負載而設(shè)計，避免因電機起動過程中的大電流沖擊而損壞設(shè)備。被廣泛應用于大功率電動機負載，比如電梯、消防水泵、大型風機等。與其他EPS的不同之處是此類EPS一般只有單路輸出，如圖4所示。當三相輸入市電正常時經(jīng)整流后給逆變器提供直流電，同時經(jīng)充電器對電池組充電；當三相輸入斷電或異常時，自動轉(zhuǎn)由電池組給變頻器提供直流電。當需要電機負載工作時，送給變頻器啟動信號(運行信號、遠程控制信號等)，變頻器會立即輸出。從0～50Hz變頻，供給電動機進行變頻起動，當其頻率到達50Hz后保持正常運行。

圖4    電機專用型EPS的供電系統(tǒng) [!--empirenews.page--]

2.3.4    EPS領(lǐng)域的現(xiàn)狀

    隨著科技的不斷發(fā)展，眾多的智能大廈拔地而起，人們在對其居住環(huán)境提出了更高要求的同時，也提出了電力保障和消防安全問題。但EPS的起步較發(fā)電機和UPS要晚，人們對其認識的程度還不夠，所以在眾多的應急供電場合，還是以發(fā)電機和UPS為主要應急供電方式來實現(xiàn)EPS的功能。就提供應急供電能力而言，這兩種方式已暴露出許多不足之處。

    1）用柴油發(fā)電機組作為應急電源是目前大部分工程所采用的，也是最常見的應急備用電源，由于柴油發(fā)電機的容量較大，可并機運行且連續(xù)供電時間長，所以已經(jīng)有較長的應用歷史。然而，無論發(fā)電機的起動速度有多快，從停電后使發(fā)電機接到起動信號開始，至發(fā)電機電壓、頻率等達到穩(wěn)定可以供電時為止，至少需要數(shù)十s至數(shù)min，這段時間，所有用電設(shè)備均停止工作，就可能造成少數(shù)設(shè)備的損壞或出現(xiàn)生命財產(chǎn)的安全問題。而EPS的啟動一般不會超過25ms，所以不會影響設(shè)備的正常工作。

    另一方面，柴油發(fā)電機應用在應急供電場合，有諸多不利之處，主要有：

    （1）在高層建筑中，柴油發(fā)電機組一般放在地下室，設(shè)計難度大，造價高，配備進風、冷卻、排煙、減震、消音等設(shè)施都需要充分考慮；

    （2）存在火災隱患。其油罐像一個極為危險的“炸彈”，萬一失火，后果不堪設(shè)想；

    （3）日常維護比較頻繁，工作量大；

    （4）柴油發(fā)電機噪音大，產(chǎn)生公害；

    （5）排煙中有大量的二氧化硫，污染嚴重，影響環(huán)保。

    以負載容量為200kW為例，將EPS與柴油發(fā)電機組的性價比作一個比較。選用EPS時，其額定功率與負載功率比為1：1即可，其總價約為60萬元左右。而選用柴油發(fā)電機時，其額定功率與負載功率比應為1.3～1.5：1，對200kW的負載，柴油發(fā)電機組需250kVA規(guī)格，該機組價格為40萬元左右，但是除機組本身價格之外，還需外加其他輔助裝置費用約16～29萬元，現(xiàn)以20萬元計算，即選用柴油發(fā)電機組總價為60萬元左右。所以，二者價格相差不多。從中也不難看出，如果EPS容量小于200kW時，其價格要小于柴油發(fā)電機組的綜合造價。目前消防應急供電場合的負載總?cè)萘恳话阍?00kW以下，從投資的長遠利益考慮，EPS較柴油發(fā)電機組經(jīng)濟得多。

    2）用UPS作為應急電源EPS從原理結(jié)構(gòu)上和UPS大同小異。在線式UPS不論市電是否正常，它都一直由逆變器供電，即按照“市電輸入→整流→逆變→輸出”的順序進行，只有在逆變器故障或過載時才改由旁路輸出，如圖5所示。而EPS，當市電正常時，市電通過開關(guān)S輸出給負載，同時充電器對電池充電。當控制系統(tǒng)檢測到市電停電時，逆變器工作，使開關(guān)S切換至逆變輸出狀態(tài)，向負載提供電能，如圖6所示。

圖5    UPS供電系統(tǒng)

圖6    EPS供電系統(tǒng)

    從以上供電系統(tǒng)圖可以看出，UPS是一種雙變換結(jié)構(gòu)的不間斷電源，主要為負載提供穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，不受市電電網(wǎng)的影響，而且其轉(zhuǎn)換時間一般在10ms以內(nèi)，所以，UPS被廣泛應用于計算機、程控交換機、醫(yī)療設(shè)備及精密電子儀器等不能中斷供電的場所。但正因為UPS不僅擔負著應急供電外，還擔負著改善電力品質(zhì)的任務(wù)，所以其逆變器要連續(xù)不斷地工作，使用壽命相對較短，一般為5～8年，尤其是電池的更換較為頻繁。另一方面，UPS的逆變器長期處于工作中，自身的損耗較大，而且對使用環(huán)境要求很高，只能放在計算機房或空調(diào)房間里。

    UPS專為IT行業(yè)的計算機類和通訊類負載而設(shè)計，其負載適應能力不及EPS，舉例說明，如果應急供電場合含有交流感應式電動機一類的感性負載，那么在UPS的設(shè)計選型和使用中就會出現(xiàn)很大問題。由于交流電動機的起動電流通常是其額定電流的5～7倍，而UPS的過載能力標準規(guī)定：過載125％時，A類為10min，B類為1min，C類為30s；過載150％時10s。如果想要UPS能承受電動機起動電流的沖擊能力，勢必要增大UPS的額定容量，這無疑將加大投資，還未必能徹底解決問題。因此，選用UPS作為應急電源，工作既不可靠，還得花費大量資金。

3    UPS/EPS的發(fā)展趨勢

3.1    UPS的控制技術(shù)

    中小型UPS的AC／DC和DC／AC變換大多數(shù)仍采用模擬控制電路，AC／DC變換器的控制芯片大多數(shù)已集成化，使用簡單，工作可靠。DC／AC變換器的控制有兩種基本方式，一種是單閉環(huán)控制，另一種是雙閉環(huán)控制。前者控制電路簡單，但難于實現(xiàn)輸出端短路自動恢復。后者控制有電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的給定，因此，限制電流給定幅值也就限制了逆變器的最大輸出電流。

    當前，數(shù)字控制已成為新型UPS控制技術(shù)發(fā)展的主流，數(shù)字控制器具有精度高，抗干擾能力強，易于實現(xiàn)對UPS的檢測、故障診斷和隔離，易于實現(xiàn)遙控遙測，實現(xiàn)多臺UPS的并聯(lián)和熱插拔，易于實現(xiàn)對蓄電池的監(jiān)控和管理。也就是說，計算機的介入使UPS具備了智能化，可以使其運行在最優(yōu)狀態(tài)。

3.1.1    DSP的應用

    采用數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)字PWM技術(shù)，是數(shù)字控制技術(shù)的核心，用于保證UPS輸出電壓的質(zhì)量，即保證輸出電壓、頻率和輸出電壓波形滿足技術(shù)指標的要求。數(shù)字控制的另一個重要功能是實現(xiàn)UPS的初始自檢和運行自檢，進行故障保護和故障隔離，這是模擬控制器無法勝任的。由于數(shù)字控制器的靈活性，使UPS控制器的硬件電路可以標準化，從而簡化了生產(chǎn)、使用和維修，也大大提高了工作可靠性。

3.1.2    控制電路的全微處理器化

    UPS電路是由以下幾部分組成的：主電路、驅(qū)動電路、監(jiān)控顯示及控制保護電路和通信界面電路。其中監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路，可以運用數(shù)字化設(shè)計技巧簡化其電路，并解決原類比電路需要調(diào)整、具有溫漂及參數(shù)調(diào)整不易的缺欠。采用的方法是：

    1）全微處理器化利用微處理器來執(zhí)行監(jiān)控、顯示及控制保護電路和通信界面電路的功能；

    2）半微處理器化利用類比電路處理快速反饋保護電路，而由處理器處理慢速反饋、報警、顯示及通信界面的功能。

3.2    蓄電池技術(shù)

    蓄電池是UPS的心臟，不管UPS電路多么先進，其性能最終取決于它的電池，一旦電池失效，再好的UPS也無法提供不間斷供電。

    目前，UPS一般都使用免維護密封鉛酸蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術(shù)，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有“免維護”、使用方便、不污染環(huán)境、體積小、重量輕的優(yōu)點。它使用高氫過電位的板柵材料，減少了電池在存放和充電過程中的氣體分解。正極表面的超細玻璃纖維膜，阻止了活性物質(zhì)脫落，提高了電池的壽命。安全閥的使用使蓄電池很少產(chǎn)生氣體，又可使已產(chǎn)生的氧氣被負極鉛所吸收，使蓄電池無水的損失，達到了密封免維護的目的。 [!--empirenews.page--]

    一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。目前國外使用一種ABM(Advanced Battery Management)三階段電池管理方案，即充電分成三個階段：第一階段是恒流均衡充電，將電池容量充到90％；第二階段是浮充充電，將電池容量充到100％，然后停止充電；第三階段是自然放電，在這個階段里，電池利用自身的漏電流放電，一直到規(guī)定的電壓下限，再重復上述的三個階段。這種方式改變了以前那種充滿電后，仍使電池處于一天24h的浮充狀態(tài)，因此延長了電池的壽命。

    金屬化鎳氫電池具有高能量密度的優(yōu)點，而且又無鎳鎘電池可能造成的鎘污染，將其應用于UPS可以收到小型輕量化的優(yōu)點。但其缺點是售價太高。美國Alupower公司研發(fā)的高功率鉛－空氣備用電源裝置(RPU)，運行≥50h，功率從600W到6000W，電壓有DC24V和48V兩種，其能量密度是鉛酸電池的十多倍，重量只有鉛酸電池的1／10，所占空間只有鉛酸電池的1／7，有望取代鉛酸蓄電池應用于UPS。

3.3    UPS的冗余技術(shù)和在線維護（熱插拔）

    開關(guān)整流器的并聯(lián)和熱插拔已成為通信電源的基本運行方式，這種運行方式即所謂N＋1冗余供電方式，用于取代主備方式，使電源的可靠性大幅度提高。主備方式的備份電源的容量和主電源相同，因此使電源成本提高，而且在轉(zhuǎn)換時還會造成電能中斷。N＋1冗余供電方式不僅降低了電源成本，并且還保證了供電不中斷。這種冗余供電方式的實質(zhì)是通過并聯(lián)平行操作的電源模塊提供分布式電源，所有的模塊并聯(lián)運行并平均負擔當前的負載，電源陣列比額定容量多配置一個功率模塊，當一個模塊出現(xiàn)故障時，特設(shè)的電路將故障模塊從負載上斷開，其它模塊將立即支持所有負載，使其連續(xù)不間斷地供電。替換模塊后UPS的控制電路和蓄電池均能在線運行。這種靈活的模塊化設(shè)計，用戶可以自行堆疊電池模塊，以增加UPS的輸出功率，延長供電時間，大大增強了電源的可靠性。

    UPS的并聯(lián)和熱插拔技術(shù)要比開關(guān)整流器的并聯(lián)復雜得多，這是因為交流電的變量比直流電多，有相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個變量，其任意一個與市電電源不一致，都不能使UPS投入電網(wǎng)。在投入電網(wǎng)后還必須不斷地檢測各臺UPS輸出的有功功率和無功功率，通過調(diào)節(jié)電壓和相位實現(xiàn)各UPS輸出有功功率和無功功率的平均分配。

    由此可見，UPS的并聯(lián)工作有3個方面。一是正常工作的UPS自動投入電網(wǎng)，二是并聯(lián)運行的UPS之間，有功功率和無功功率的均勻分配，三是UPS退出并聯(lián)，特別是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障UPS。這3個要求的實現(xiàn)，也就解決了UPS的熱插技術(shù)。

3.4    智能化UPS的管理系統(tǒng)

    所謂智能化UPS，是指將傳統(tǒng)UPS通過與計算機相連的硬件接口，結(jié)合特殊設(shè)計的軟件，以提供計算機及數(shù)據(jù)資料的雙重保護。當前UPS智能化技術(shù)有兩個方面：一是加強UPS新功能，與服務(wù)器上的軟件協(xié)同工作，使UPS除了完成最基本的不間斷供電功能外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上事件記錄、故障告警、參數(shù)自動測試分析和調(diào)節(jié)等；另一方面是加強UPS的節(jié)能功能。

    智能化的UPS，除了完成一般UPS所能完成的全部工作外，還應具備的功能是：

    1）對運行中的UPS進行監(jiān)測，隨時將采樣點的狀態(tài)信息送入計算機進行處理，一方面獲取UPS工作的有關(guān)參數(shù)，另一方面監(jiān)視電路各部的工作狀態(tài)，從中分析電路各部分工作是否正常；

    2）故障時，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進行故障診斷，指出故障部位，給出處理辦法；

    3）完成部分處理工作，除了實現(xiàn)對UPS工作的控制外，還能在發(fā)生故障時，根據(jù)需要采取必要的應急控制，此外通過對整流部分的控制，按照對不同蓄電池的不同要求，自動完成對蓄電池的分階段充電；

    4）自動顯示所檢測的參數(shù)，在異?；虬l(fā)生故障時，可以自動記錄有關(guān)異?；蚬收系男畔?；

    5）按照技術(shù)說明書給出的指標，自動定期地進行自檢，并形成自檢記錄文件；

    6）能夠用程序控制UPS的啟動或停機，實現(xiàn)無人值守的自動操作；

    7）具有交換信息功能，可以隨時向計算機輸入信息或從計算機獲取信息；

    8）通過通信接口與計算機互聯(lián)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理。

    推動UPS技術(shù)發(fā)展的主要動力在于全球計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展。為了使UPS能夠更好地適應網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，UPS正在向網(wǎng)絡(luò)化管理和控制方向發(fā)展。新型的網(wǎng)絡(luò)UPS采用一個集成的SNMP適配器，掉電期間，即使UPS不能通過網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，用戶也可以依靠UPS通過串行端口適時關(guān)閉服務(wù)器，適配器接到UPS通信端口上，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可維持局部停機控制。網(wǎng)絡(luò)管理人員通過網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)管平臺，將UPS作為一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來管理，實時處理電源故障及UPS狀態(tài)報警。SNMP適配器和管理軟件相配合可以同時向任何管理站發(fā)出電源故障及UPS狀態(tài)報警。在無人值守的情況下，當市電中斷時，軟件會發(fā)出告警信息，并開始倒計時，當?shù)褂嫊r計數(shù)到零時或電池耗盡前，軟件即關(guān)閉應用程序，并將現(xiàn)場資料存盤后關(guān)閉系統(tǒng)，向UPS發(fā)出關(guān)機命令，切斷UPS，當市電恢復后可自動啟動UPS。

    智能化的網(wǎng)絡(luò)UPS最基本功能是在長時間斷電的情況下，能安全、自動地關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性。此外，通過遠程控制裝置，用戶也可以在遠方通過電話遙控UPS，有些UPS還可將UPS狀態(tài)或報警信息通過電子郵件、傳真機或手機等通知外出網(wǎng)絡(luò)管理人員。

3.5    提高UPS的可用性

    從20世紀90年代中期開始，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)時代的到來，對UPS可用性的要求越來越高。所謂UPS的可用性，其物理概念是，在規(guī)定的使用期間內(nèi)，UPS的正常運行時間與整個時間的比例。根據(jù)這個定義要提高UPS的可用性有兩個辦法：一是提高UPS的平均無故障時間MTBF，二是降低UPS的平均修復時間MTTR。提高UPS本身MTBF的傳統(tǒng)做法是，提高功率開關(guān)器件的規(guī)格和檔次；改進控制技術(shù)，提高邏輯控制組件的規(guī)格和檔次；使用更先進的主電路結(jié)構(gòu)；提高智能管理和通信功能；嚴格生產(chǎn)工藝，加強質(zhì)量管理(ISO9000)等。但當MTBF提高到一定程度后其效果就不明顯了。用降低MTTR的辦法，效果是非常明顯的。降低UPS的MTTR的做法有如下幾種。

    1）一般的做法是加強對UPS，特別是其中的關(guān)鍵部件的維護；充足的備件并保證其完好性；加強對維護人員操作技能的培訓，特別是用戶在采購UPS時就要求廠家對售后服務(wù)(包括備件提供、反應時間和修復速度)條件做出嚴格承諾。

    2）UPS的模塊化＋冗余配置，把整個UPS按電路功能分成幾部分，并在結(jié)構(gòu)上設(shè)計成可以插拔的模塊，例如功率模塊(包括整流器和逆變器)、電池模塊、智能管理和通信功能模塊。

    3）UPS的冗余并機配置，在UPS中，可以把控制電路集中起來作為一個獨立的可插拔模塊，也可以把功率變換部分集中在一個結(jié)構(gòu)中，作為一個可以熱插拔的模塊。為了適應多臺UPS并聯(lián)供電，也可以把每臺UPS看作一個模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后熱插拔修復，或者使每臺UPS都具備直接并機的功能。

    4）用集成設(shè)計提高UPS的可用性，以適應由多種設(shè)備組成供電系統(tǒng)的需要。集成化UPS供電系統(tǒng)的基本思想和原則是，供電設(shè)備制造和供應的統(tǒng)一化和標準化；系統(tǒng)中供電設(shè)備和包括負載機架結(jié)構(gòu)的一體化和連接的規(guī)范化；系統(tǒng)中各供電設(shè)備和環(huán)節(jié)（包括負載機架中的PDU）電源狀態(tài)管理的集中化；系統(tǒng)中各供電設(shè)備和環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)的模塊化和連接的熱插拔功能。

    一個完整的供電系統(tǒng)的組成，除UPS設(shè)備外，還有輸入配電柜、ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)、變壓器、瞬態(tài)電壓浪涌抑制器、負載配電開關(guān)柜、柴油發(fā)電機、交流穩(wěn)壓器、電池系統(tǒng)、各種開關(guān)、斷路器、熔斷器、轉(zhuǎn)插板，上百乃至幾百個連接點和相應的傳輸線。對于一個復雜的供電系統(tǒng)如何提高其可用性呢?僅僅解決UPS設(shè)備的可靠性顯然是不夠的，根據(jù)系統(tǒng)實際運行的故障數(shù)據(jù)表明，直接由于UPS故障引起系統(tǒng)宕機的比例畢竟是較少的，由于系統(tǒng)中其他設(shè)備和環(huán)節(jié)以及人為事故造成的故障，或者由此引發(fā)的UPS故障占大多數(shù)。但是模塊化、冗余配置、熱插拔修復等設(shè)計原則還是適用的。當然，系統(tǒng)中各種設(shè)備和管理的標準化、統(tǒng)一化和集中化，減少單路徑故障點和大面積掉電的隱患，加快建設(shè)速度和安裝的規(guī)范化、對環(huán)境和負載變化的適應性和系統(tǒng)的可擴展性、降低維護管理的難度和減少人為事故的幾率等問題，也是要研究和解決的重點。

    圖7是集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖，虛線框內(nèi)是集成化所包含的內(nèi)容。

圖7    集成化UPS供電系統(tǒng)示意圖

    集成化UPS系統(tǒng)的特點如下：

    （1）由單機模塊化＋冗余的UPS系統(tǒng)組成雙總線系統(tǒng)，是可用性等級最高的UPS供電系統(tǒng)；

    （2）UPS供電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心一體化機架式結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)只有電網(wǎng)進線與外接線；

    （3）PDU作為基本組合的一個子系統(tǒng)，直接配置在標準的負載機架中；

    （4）該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本組合機柜上的服務(wù)器提供了整套基礎(chǔ)設(shè)施，這種基礎(chǔ)設(shè)施包括IT機柜中的冷卻設(shè)施、布線設(shè)施和配電設(shè)施；基礎(chǔ)組件包含在4個子系統(tǒng)中，即IT機柜、機架安裝PDU、環(huán)境監(jiān)控以及電源和數(shù)據(jù)電纜布線。

3.6    綠色化

    各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流，對市電電源是一種污染，隨著各種政策法規(guī)的出臺，對無污染的綠色UPS的呼聲越來越高。要求UPS做到使用戶負載既不受已污染的市電電源的影響，同時用戶負載產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流也不要污染市電。對于串并聯(lián)補償式UPS，它已經(jīng)具備了這種功能，對于傳統(tǒng)雙變換UPS，除在輸入端加裝高效輸入濾波器外，還應在輸入整流器部分采用數(shù)控有源功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)，這樣就可以提高輸入功率因數(shù)，減少對市電電源的污染。

3.7    EPS的發(fā)展趨勢

    由于EPS所帶負載類型的復雜性和環(huán)境的相對固定性，針對不同場合、不同負載，可對EPS功能做得更貼近現(xiàn)實應用。其中包括以下幾方面。

    1）結(jié)構(gòu)組成普通EPS為了更好地結(jié)合實際應用，往往采用“多合一”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但由于負載及環(huán)境的復雜性，也由此帶來設(shè)備標準化和設(shè)計院所、用戶選型的困難。解決的辦法是采用模塊化設(shè)計，將主機與輸入或輸出配電分離開來。主機模塊完成主要的能量轉(zhuǎn)換及通訊控制功能；配電模塊實現(xiàn)豐富的配電管理功能。主機模塊通過標準控制接口實現(xiàn)對配電模塊的管理，如雙電源自動切換功能，多回路輸出功能，消防聯(lián)動功能均應在配電模塊中實現(xiàn)。

    2）配電模塊應增加功能EPS用于緊急負載的供電，其負載往往為非單一的負載，而這些負載在緊急情況下的關(guān)鍵程度不盡相同，因此，對于EPS來說，某些配電管理功能至關(guān)重要。

    （1）順序啟動功能諸如，EPS的負載很大一部分是感性沖擊負載，具有較大的啟動電流，在選型時必須加大EPS容量，從而造成設(shè)備資源的浪費以及用戶成本的增加。實際上，由于EPS負載供電的可間斷性，EPS可增加一個8路或16路的可編程配電管理接口，通過對負載啟動的順序、時間進行控制，可在很大程度上解決啟動沖擊電流和加大選型容量的問題。

    （2）部分卸載功能由EPS負載性質(zhì)決定，當過載發(fā)生時，需要EPS盡可能繼續(xù)工作，而不能象UPS那樣進行保護性關(guān)機，因此，同樣可通過配電管理接口卸除次要負載。

    3）電池管理由于EPS的使用環(huán)境一般較UPS惡劣，為盡可能延長蓄電池的使用壽命，充電器應同時具備以下功能：

    （1）可設(shè)定充電限流；

    （2）可設(shè)定電池放電終止電壓；

    （3）具有自動浮充功能，充電機制應符合DIN41773標準；

    （4）具有浮充電壓溫度補償功能；

    （5）智能電池檢測功能；

    （6）深放電保護(可強制應急)。

    4）變頻起動功能目前變頻起動型EPS的設(shè)計，如圖8所示，主要著眼于解決較大電動機，如電梯、水泵、風機等負載的起動沖擊問題，但更為合理的設(shè)計，應該是在線式UPS與變頻器技術(shù)的完美結(jié)合。在線式UPS具有成熟的整流、電池管理技術(shù)；變頻器具有成熟的變頻控制技術(shù)，兩者的有機結(jié)合才是這一應用領(lǐng)域的最終發(fā)展方向。

圖8    變頻起動

4    鳴謝

    本文摘引近兩年《UPS應用》雜志曾發(fā)表過的文章，謹向原文作者表示感謝。