对提高UPS供电可靠性技术的思考1

UPS在各类企事业单位运用广泛。

对提高UPS供电可靠性技术的思考

唐从福 何涛 罗志勇

赤天化股份有限公司（贵州赤水 邮编564707）

摘要 UPS的使用已取得共识，就其重要性得以体现，但如何更进一步提高它的安全可靠性值得引起更进一步的思考，在文

中提出几套提高UPS可靠性的思路供大家同行选型时参考。

关键词 UPS 在线式 后备式 互动式 旁路主从备份 输出主从备份 冗余并联供电

UPS是我公司乃至于全国各重要部门供电必不设备的危害，保证信息网络时刻安全运行。 可少的设备之一。全国由于供电的紧张缺失，导致大面积的拉闸限电，严重限制了数字化建设的步伐和质量。例如，很多工厂由于限电无法全速运转，户外的无线通信业务由于停电无法正常运行，金融信息网络系统由于电网质量导致数据传输变慢、异常或部分停业，部门信息化建设工作由于停电不得不延期等等，这一切说明电力系统的供电质量和可靠性对于数字化建设起到至关重要的作用。

因此，系统工程师在做数字化系统设计时必须充分考虑电源系统的可靠性。目前比较可靠的方法就是采用高质量的不间断电源UPS。UPS在电网正常时能够给各类信息化设备提供高质量的交流电源，在电网异常时能够将后备电池组的直流能量转化为稳定的交流电源供给负载设备使用，并且在电网掉电过程中可以保证输出没有“间断”，确保信息设备的安全运行。

大量的现场运行数据和理论分析也表明，引进UPS电源除了可以解决上述的交流供电中断的影响外，还可以消除正常交流电网供电中的各种高频杂波、电压浪涌、陷落、瞬间断电等电力干扰对信息

我公司UPS承载着对合成、尿素DCS装置及现场部分重要仪表的供电重任，它的任何闪失，均会对生产造成极大的损失，其重要性不可替代。可见，为了保证数字化建设的顺利进行，采用高可靠的UPS供电方案是最为有效的、高可靠的电源解决方案。

本文将先介绍一下UPS的相关基本知识，然后就几种提高UPS供电可靠性的系统技术方案，谨供系统工程师做电源方案设计时参考。

一、不间断电源UPS的相关知识

1． UPS具有以下功能：

①电网电压正常时，除了输出纯净、稳定且连续不间断的交流电源外，还可以对电池进行充电，储存后备能量。

②在电网异常时(欠压、过压、掉电、干扰等)利用电池组的能量对用电设备提供不间断的交流输出，“不间断”一般指输出电压波形为零的时间不大于10ms。

因而，UPS可以保证计算机等信息设备即使是在恶劣的电网条件下也能安全正常运行。

图1、交流电网电压陷落

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图4、交流电网杂讯

2．UPS的分类及主要特点

从UPS技术特点来看，UPS的分类一般以输出逆变器工作方式来区分，通常可分为后备式、在线式两大类型。近年来也有将后备式电源中的一个特例独立出来，称之为在线互动式，但严格来说，仍然是后备式一类。

(1)在线式UPS：

A、输出电压稳定性好 3% B、波形失真度小 THD<3% C、零中断

D、输入、输出能量形式全隔离

图5、在线式UPS原理框图

(2)后备式UPS：

A、电网正常时的整机效率高>95% B、电网正常时无噪音 C、切换时间<10ms D、价格较低

市电输出

图6、后备式UPS原理框图

(3)互动式UPS：具备与后备式电源相同的特点，并且将充电器和逆变器有效合并成为一体双向逆变

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器，虽然减少了系统的成本，但增加了一定的控制难度。

市电

图7、在线互动式UPS原理框图

我公司UPS是图5的改进型（型号为爱克赛BPⅢ 80KVA UPS）。 原理框图如下：

输出

从1997年7月引进并使用此项技术，在其外部引入ATS电源切换以来，UPS外部可靠性大大提升，使用情况良好。但是否还有提升的空间呢？答案是肯定的，有（当出现逆变器故障时）。

二、提高UPS电源供电可靠性的参考解决方案

从上面的原理框图可以得知，UPS本身已经具备了双路的电源供电备份，具备较高的系统可靠性，可以满足一般信息设备对电源可靠性的要求。但是随着近年来信息数据几何倍数的快速增长和高度重要性，在某些特别重要的场合，单一的UPS供电已经无法满足客户对电源可靠性的要求了，必须有更好的电源供电方案来确保这些重要数据及网络的安全。

所以，本文针对在冗余并机技术上的应用进行分析与拓展。以下介绍三种在工程应用中可以十分有效提高可靠性的方案：串联备份供电方式、输出主从备份方式、冗余并联备份供电方式。上述三种供电方案的改进将以数量级的效果提高电源系统的可靠度，在工程应用中基本上可以达到真正意义上的零电源故障。因此，用户在进行高可靠供电系统设计时，可以根据负载的供电要求选择合适的高可靠供电方案，实现供电系统的安全与可靠。

1. 旁路主从备份供电方式：

如上图所示，对于在线式工作模式的两台UPS，备机(UPS2)的输出作为主机(UPS1)的旁路备份输入，这样当主机的主逆变器输出故障转到旁路时，负载仍然处于备机UPS双备份供电模式的可靠保护下。

2.输出主从备份方式：

如上图所示，以在线式UPS为例，两台UPS或逆变器的输出同时送到冗余转换器，经冗余转换器再给负载供电；正常时冗余转换器让主输入的电源(例如UPS1)对负载供电，当主输入电源故障时冗余转换器快速将负载转移到备份输入的电源上，完成负载的冗余供电；在主输入电源维修完成再输入到冗余转换器后，冗余转换器又将负载重新转移回到由主输入电源供电的模式。任何的转换过程都是不间断的，可以保证负载设备的稳定安全运行。

3. 冗余并联供电方式

如上图所示，两台UPS的输出同时送到并联配电柜上进行直接的并联，共同均分负载电流，不存

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在主从关系。当某台UPS出现故障时，该机将自动退出并联系统，负载电流100％由剩余的一台UPS供电，输出不间断；在故障机维修完成后，可以将

4. 三种提高可靠性方案的特点比较

修复的UPS单元在线并入，继续对负载进行冗余供电，完成并联系统的在线热维护。

综上所述，分析了各种提高UPS供电可靠性的

方案，目的在于掌握UPS的技术，更可靠地使用UPS电源，确保供电系统连续不间断地提供高质量的电源。从比较中可以不难看出，在提高UPS供电的可靠性上有多种的选择，工程技术人员可以根据自身实际

参考文献

1. 不中断供电杂志. 2. 爱可赛使用说明书.

作者： 唐从福 赤天化股份公司电气工程师，从事电气专业技术30年。

何 涛 赤天化股份公司电气工程师，电仪公司副经理。 罗志勇 赤天化股份公司员工，08年四川理工学院毕业。

情况进行选择。

不间断电源UPS是数字化建设的可靠电源解决方案，通过不同的UPS供电方案的设计可以将交流供电系统的可靠性提高到一个新的层次，满足数字化建设对交流电源质量的任何要求。

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EK900系列

EK900系列高频在线式

产品特点：

先进的工作模式

双变换在线式设计，使UPS的输出为频率跟踪、锁相稳压、滤除杂讯、不受电网波动干扰的纯净正弦波电源，使UPS对用户设备提供更为全面和完美的保护。 输出零切换时间，满足精密设备对电源的高标准要求。

采用输入功率因数校正（PFC）技术，使得输入功因高于0.95，提高了对电能的利用率，完全消除了UPS对市电电网的谐波污染，降低了UPS的运行成本。 整机系统可靠性高

采用微处理器控制／直接产生高频脉宽调制波（SPWM）对UPS逆变器进行控制，简化了UPS的控制电路，提高了UPS的稳定性。

数字化控制技术，保证UPS的一致性和可靠性。 环境适应性强

宽广的电压输入范围达140V~304V，避免频繁地切换电池，适应于电力环境恶劣的地区。带半载时，输入电压最低可至118V而无需转换电池。(1KVA-3KVA) 输入频率范围（50Hz±10％），保证接入各种燃油发电机均可稳定工作，满足用户对油机使用的要求。 电池优化性能高

智能电池管理功能（ABM）技术，延长电池的使用寿命，减少电池维护次数。

先进的恒流恒压自动转换充电技术，最大限度活化电池，节省充电时间，从而延长电池的使用寿命。 保护周全可靠

具有开机自诊断功能，及时发现UPS的隐患，避免产生任何的疏忽。

具有交流输入过、欠压保护，输出过载、短路保护，逆变器过热保护、电池欠压预警保护和电池过充电保护等多功能保护于一体，极大地保证了系统运行的稳定性和可靠性。

具有旁路功能，当UPS发生故障时，可无间断地转到旁路工作状态由市电继续向负载供电，并提供报警信息。

直流启动功能，可在无市电的状态下直接启动UPS，满足用户的应急需求。

风扇智能保护,UPS能根据负载容量大小自动调节风扇的转速以延长风扇的寿命；当风扇异常时，UPS能自动检测并报警显示. 网络管理人性化

LED显示面板向用户准确地提供UPS的工作环境和工作状况信息。并通过组合显示，可快速判断UPS的故障原因和故障部位，使UPS的维护更为快捷方便。

通过RS232接口配合UPS智能监控软件可与电脑进行通讯，UPS的各种参数一目了然地显示在通讯界面上。

选用SNMP适配器，UPS具有远程网络管理功能，提供即时的UPS资料和电源信息，通过各种网络操作系统进行通讯、管理。

EK900

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电 压

交 流 输 出

浮充电压 截止电压 充电恢复时 间 相数 电压 频率 最大输出电 流 功率因数 输出波形 线性负 总谐 载 波 非线性 失真 负载 动态负载电 压瞬变 瞬间恢复时 间

41.2 Vdc 31.52 Vdc

110 Vdc 84Vdc 84Vdc ≤10H

274Vdc 210Vdc 210Vdc

单相 L、N+G 220Vac±3% 50Hz±0.5%(电池模式) 5A 10A 13.5A 0.7 滞后 正弦波 ≤3% ≤5% ±10% 100ms(0-100%跃变) 27A 45A

系 统 指 标

>105%~ >105%→10s,>130%→3s, >150%→200ms 130%→10min, >150%→200ms 过载能力 转旁路 转旁路 切换时间 在线模式与电池模式为 0 ms,逆变与旁路<1 ms ≥0.85 满载效率 电脑通讯接 RS232、内置 SNMP 卡(选件) 口 运行温度 0~40℃ 相对湿度 0~95% 不结露 运行高度 <1500m 冷却方式 温控式风冷 ≤55dB 噪音(dB) 输出方式 国标或美标插座 接线端子台 尺寸 140×405×220 195×455×330 260×570×717 340×570×980 (W×D×H)mm 主机重量 11.5 22 23 37 75 (Kg)

UPS 电源——作用 UPS 是不间断电源(uninterruptible power system)的英文简称,是能够提供持续、稳定、 不间断的电源供应的重要外部设备。 UPS 按工作原理分成后备式、 在线式与在线互动式三大类。 UPS 顾名思义， 它就是一台这样的机器，它在电能停止供应的时候，能保持一段供电时间，使人们有时间存盘，再从容地关闭机 器。UPS 电源，分为在线式和后备式等几种，它在机器有电工作时，就将市电交流电逆变，并储存在自己的电源 中，一旦停止供电，它就能提供电源，使电脑维持一段时间的工作，保持时间可能是 10 分钟、半小时等。UPS 电源——简介 有的时候，正在写一段文章，或者编一个程序，或者在用画笔画一幅画，突然屏幕一下子变黑了——停电了。 唉，里面的东西都不见了，白干了半天。连存盘的

机会都没有。要是搞科研的科学家也遇到这种情况，损失就更 大了。能不能想个办法，使电脑继续工作，或者在市电停止的时候，机器能在短时间内保持一段时间的电，使用

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人们有机会把已经干完的工作存盘，以便下一次再接着工作呢？办法一，较为困难，要买一台发电机，这对于一 般用户来说，基本上是做不到的。第二种情况，则较为容易一些，那就是买一台 UPS。 UPS 是一种含有储能

装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。当市电正常时，UPS 将市电稳压或稳压、稳频后供 负载使用，同时向机内电池充电；当市电中断时(异常时),UPS 立即在 4-10 毫秒内或“零”中断时间内将蓄 电池的电源通过逆变转换的方式向负载继续供应电力，使负载维持正常的工作，以便保存资料并保护负载的软硬 件不受损坏。从原理上来说，UPS 是一种集数字和模拟电路,自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电 子设备； 从功能上来说，UPS 可以在市电出现异常时,有效地净化市电；还可以在市电突然中断时持续一定 从用途上来说，随着信息化社会的来临，UPS 广泛地应

时间给电脑等设备供电,使你能有充裕的时间应付；

用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。 UPS 电源——工作原理人们最常用的是后备式 UPS,如四通 HO 系列与 SD 系列。它具备了自动稳压、断电保护 等 UPS 最基础也最重要的功能。虽然一般有 10ms 左右的转换时间，逆变输出的交流电是方波而非正弦波，但 由于结构简单而具有价格便宜，可靠性高等优点，因此广泛应用于微机、外设、POS 机等领域。 在线式 UP S 结构较复杂，但性能完善，能解决所有电源问题。如四通 PS 系列，其显著特点是能够持续零中断地输出纯净 正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于需要较大的投资，通常应用在关键设备 与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。 另外四通、APC 等厂商还提供在线互动式 UPS,同后备式相比较， 在线互动式具有滤波功能，抗市电干扰能力很强，转换时间小于 4ms,逆变输出为模拟正弦波，所以能配备服务 器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区；尤其四通 MD 系列的 UPS,价格又远低于在线式，是 应该向用户大力推荐的一种更好的选择。 据 IDC 统计：全部电脑故障的 45%是由电源问题引起的。在中国， 大城市停电的次数平均为 0.5 次/月，中等城市为 2 次/月，小城市或村镇为 4 次/月，电网存在至少九种问题： 断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡

、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰；因此从改善电源质 量的角度来说给电脑配备一台 UPS 是十分必要的。另外，精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，以 服务器为核心的网络中心要配备 UPS 是不言而喻的， 即使是一台普通电脑， 其使用三个月以后的数据文件等软件 价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备 UPS 也是十分必须的。 UPS 电源——使用规程 UPS 按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。 般有 10ms 左右的转换时间 UPS 电源逆变输出的交流电是方波而非正弦波,但由于结构简单而具有价格便宜,可靠性高等优点,因此广泛应用 于微机、外设、POS 机等领域。在线式 UPS 结构较复杂,但性能完善，能解决所有电源问题。如四通 PS 系列， 其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于 需要较大的投资,通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中 另外四通、APC 等厂商还提供在线互动式 UPS,同后备式相比较，在线互动式具有滤波功能，抗市电干 扰能力很强，转换时间小于 4ms,逆变输出为模拟正弦波，所以能配备服务器、路由器等网络设备，或者用在电 力环境较恶劣的地区；尤其四通 MD 系列的 UPS,价格又远低于在线式，是应该向用户大力推荐的一种更好的 选择。 UPS 电源使用中的几点说明： UPS 电源的使用须有一套严格科学的作规程： (1)UPS 电源的场所摆放应避免阳光直射，并留有足够的通风空间，同时，禁止在 UPS 输出端口接带有感性 的负载。 (2)使用 UPS 电源时，应务必遵守厂家的产品说明书有关规定，保证所接的火线、零线、地线符合 要求，用户不得随意改变其相互的顺序。比如，美国 PULSE 牌 UPS 电源的交流输入接线与我国的交流电输入插 座的连接方式正好相反。还有例如 EAST 〈东方〉的三相 UPS 需要注意相序问题，否则会出现相序错误报警， 其他品牌也是如此。 3)严格按照正确的开机、关机顺序进行作，避免因负载突然加上或突然减载时，UPS 电 (4)禁止频繁地关闭和开启 UPS 电源，一般要求在关 源的电压输出波动大，而使 UPS 电源无法正常工作。

其中,我们最常用的是后

备式 UPS,如四通 HO 系列与 SD 系列。它具备了自动稳压、断电保护等 UPS 最基础也最重要的功能。虽然一

闭 UPS 电源后，至少等待 6 秒钟后才能开启 UPS 电源，否则，UPS 电源可能进入"启动失败"的状态，即 UPS

UPS在各类企事业单位运用广泛。

电源进入既无市电输出，又无逆变输出的状态。

(5)禁止超负载使用，厂家建议：UPS 电源的最大启动负载 (6)定期对 UPS

电源进行维

最好控制在 80%之内，如果超载使用，在逆变状态下，时常会击穿逆变三极管。实践证明：对于绝大多数 UPS 电源而言，将其负载控制在 30%~60%额定输出功率范围内是最佳工作方式。 护工作：清除机内的积尘，测量蓄电池组的电压，更换不合格的电池，检查风扇运转情况及检测调节 UPS 的系统 参数等。 UPS 电源的维护注意事项 发 igbt 造成设备故障。 1.维护时候，必须在关机的情况下进行，以免内部高压产生电离使带电粒子触 2.若具有维修旁路的 ups 电源可转至维修旁路后，维护但此时内部仍带电。 4.维护工具使用真空式吹风机即可，千万不能用湿布。

3.ups 电源维护前必须对其进行自放电，方可进行。

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