2N和1+1和2N+1等几种UPS供电方式

2N和1+1和2N+1等几种UPS供电方式

工业 UPS 常用案例分析

摘要

本文列举了能源（含石油、化工、煤炭及煤化工）行业用户现场应用工业UPS的一些案例，对其中涉及的操作和运行维护等问题进行阐述，比较各个方案的不同差异和适用范围,为设备维护管理者提供工业UＰS 系统整体电源保护解决方案一些建议和思路。

关键词:

工业ＵPＳ案例分析并机系统供电系统

前言

典型工业 UPS 系统常用的电源保护解决方案包括单机系统、并机系统、2N（双母线）供电系统。如何选择合适的供电方案,起决于系统所带负载的特点和重要性。对于运行当中可以有计划中断或停止运行的设备,可以选用单机供电;对于运行当中不能停电的重要单电源负载，选用并机供电；对于可以接入两路 UPS 电源的负载,优先选用 2Ｎ(双母线)供电方案。本文从现场应用案例入手，通过操作和运行维护阐述，提供工业UPS 系统供电解决方案的一些建议和思路。

１单机系统的应用

单机系统是能源行业应用最多的解决方案，根据 UPＳ的设计，单机运行ＵPS 主机本体可以进行系统不停电维护。

1.1 UPS 单机供电方案四种工作状态

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单机运行供电方案的各点交流负载独立地由一台ＵPS 提供动力保护，不停电维护是通过切换到手动维修旁路退出运行当中的 UPＳ主机，进行不停电维护的。手动维修旁路的切换,可以进行无中断的“先通后断”切换过程，不会引起负载中断供电的问题。实现主机、旁路之间的无间断切换过程。如下图(图 1:UＰS 单机供电方案四种工作状态)所示,UＰS 单机供电方案四种工作状态所对应的开关操作顺序为：

图1：UＰＳ单机供电方案四种工作状态

1 正常工作

Q1、Ｑ2、Q4、Q5、BAT MＣＢ在接通位置，Ｑ３闭锁在断开位置。ＵPＳ通过整流器、逆变器、逆变静态开关向负载供电，同时向电池进行充电管理。

2 主电源消失或者整流器故障转直流电池组工作

Ｑ1、Ｑ2、Q４、Q5、ＢＡT MCB 在接通位置，Q3 闭锁在断开位置，所有开关位置不发生变化。UPS 直流母线电压低于电池电压时,将自动把负载切换到电池系统上。ＵＰS 电池系统经逆变器、逆变静态开关向负载供电。

此时若主电源恢复或者整流器故障消失，UPS 逻辑判断无误时,UPＳ可自动恢复至正常工作状态。

3 逆变器电源消失或逆变器故障转旁路工

作

Q１、Ｑ2、Ｑ4、Q5、BＡＴMCB 在接通位置，Q3 闭锁在断开位置，所有开关位置不发生变化。UPS 通过逻辑检测,根据直流母线情况和逆变器的情况,会自动将负载通过逆变静态开关无扰动的切换到旁路系统上。UＰS 旁路系统经旁路静态开关向负载供电。

此时若逆变器电源恢复或逆变器故障故障消失，ＵPS 逻辑判断无误时，UPＳ可自动恢复至正常工作状态。

4 维修供电方式

维修供电方式需要人工操作才能完成,首先在逆变器与旁路的同步情况下，人工操作将 UPS 负载切换到静

态切换开关旁路,此时的工作状态由１或２切换到了3;在此情况下,先合上Ｑ3 开关，再断开Ｑ2 开关，再断开 Q４开关，通过先通后断的切换，就实现了 UＰS 退出运行时对负载的连续供电。所有负载的供电，由旁路系统实现。

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当然,此时的供电可靠性,由旁路电源决定。因此，不建议在生产装置运行时对单机运行的 UPS 进行检修和维护。

上述方案实现了UPS 系统的典型应用，但也有不利于维护的一些缺点。在此基础上,实践采用的单机系统解决方案做了一些优化，主要有下面几种应用

1.2 旁路带备用开关的单机供电方

案

如图 2 所示,旁路带备用开关的单机供电方案是最典型的应用方案。UＰS 系统的上游可以分别来自两个独立的不同接地点电气系统（或者不接地系统),所有负载系统通过两个隔离变压器与上游完全隔离，负载侧既可以采用 TN－S 系统，也可以采用 IT 系统。ＱF３备用开关用于紧急情况下的旁路直通，也可用于并机系统的扩容,或者构成双输出系统使用。

图2 旁路带备用开关的单机供电方案

1.3 脱机旁路柜方式单机供电方案

“脱机旁路柜”方式单机供电方案在实现典型单机应用方案的基础上，重点考虑了维护的安全性。尽管各个厂家提供了无扰动退出UＰS 主机的切换方案，但由于UPS 维修旁路输入和总输出的端子排、UPS 内部采样回路仍然带电，给维修工作带来安全隐患。因此在实践应用中,有时也采用如图 3 所示:“脱机旁路柜”设计方式。

UPＳ系统正常运行时,UPS 主机内部Ｑ1、Q２、Q4 合上，Q3 断开且挂锁；旁路柜中ＱF１、ＱF2、QF4、QＦ５合上,ＱＦ3 断开且挂锁。

当 UPS 主机需要Ｗ维护时，先将ＵPS 从逆变器输出切换为静态旁路输出(断开逆变器静态开关，合上旁路静态开关），再合上 Q3 到ＵＰS 主机维修旁路，然后将Q２、Ｑ4 断开，切断逆变器、静态开关

2N和1+1和2N+1等几种UPS供电方式和输出负

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载之间的联系,再通过等电位的操作,将“脱机旁路柜”QF3 合上，ＱF２、ＱF４断开,就可以通过旁路隔

离变压器、QF３、QF5 向所有负载供电了。

此时，切断ＵPS 的上游整流器电源和电池开关,则可使 UPS 内部完全停电,安全检修了。

图3“脱机旁路柜”方式单机供电方案

１.4 双输出方式单机供电方案

如图 4 所示,双输出方式单机供电方案能够在投资有限的情况下,为双电源负载提供两路独立的电源供电。一路由ＵＰS 提供稳定的电压,另一路由旁路系统提供经过电气隔离的电网电源。这种方案在实现典型单机应用方案的基础上，可以提供双路交流输出给下游的相关专业,也是一种给双电源负载供电的优秀的解决方案。

图4 双输出方式单机供电方案

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2 并机系统的应

用

随着大型控制系统在能源工业领域的应用，UPS 并机系统得到了大量和广泛的应用。这种方案考虑到了装置长周期的运行中对 UPS 主机进行维护，相比单机系统的应用方案有很大的优越性。并机系统应用有以下几种典型设计

2.１标准并机供电方

案

如图５所示，正常运行时，１＋１并机运行供电方案的全部交流负载由 2 台ＵPＳ平均分担,任何一台ＵＰS 均可以带100%负载长期工作。因此，1+1 并机运行供电方案可以完全退出1 台ＵＰS 主机进行维护。

这种典型并机方案应用非常广泛。正常运行时，除每台ＵPＳ主机的旁路维修开关 Q3 断开且挂锁外，其余开关均正常闭合。当需要检修或者维护其中的一台UPＳ时,断开旁路柜及输出配电柜的对应开关，就能将所要退出的UPS 主机设备完全隔离。

图5 标准并机供电方案

2.２输出配电系统与 UPS 不同室的并机供电方

案

由于UPS 的负载分散性以及跨专业管理等多种原因,会存在UPＳ的负载分配柜与UPS 不同室,或者距

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离 UPS 较远的情况，导致图 5 标准 UPS 并机供电方案中,ＵPS 出口点到电气并机点的距离超出 UＰＳ控制范围,无法有效实现并机控制的情况。因此出现了如图 6 所示输出配电系统与 UPS 不同室的并机供电方案

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这种应用方案有效解决了输出配电系统与UＰS 不同室的问题。其检修和维护时的操作,与标准并机供电方案相同。用户可根据下游专业的需要，可提供单根电缆供电,或者冗余双路电缆供电。

图6 输出配电系统与ＵＰS 不同室的并机供电方案

2.3 旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案

如图７所示，某些用户由于场地或者维护管理方面的原因,要求将配电输出部分和旁路隔离变压器合并设计,这种并机应用方案的实用性颇受用户肯定。

正常运行时，除每台 UＰS 主机的旁路维修开关Q3 断开且挂锁，旁路隔离变压器及输出配电柜中的 Q Ｆ2 断开且挂锁外,其余开关均正常闭合(输出配电部分根据实际运行要求确定)。当需要检修或者维护其中的一台 UPS 时，直接将需要维修的ＵPS 设备停机，再断开旁路隔离变压器及输出配电柜中的对应开关, 就能将所要退出的 UPS 主机设备完全隔离进行维修;当两台 UＰＳ同时需要检修或者维护时,先将两台ＵＰS 同时切换到旁路静态开关状态,再将每台ＵPS 的 Q３合上,在等电位的情况下，闭合旁路隔离变压器及输出配电柜中QF2 开关，再断开闭合断开旁路隔离变压器及输出配电柜的对应开关,就能将两台 UＰS 主机设备完全隔离进行维修，此时负载仍能够由旁路直通电源供电。

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图7旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案

3 ２N(双母线）供电系统的应用

2N 系统应用是近年开始应用的一种交流不间断电源 UPＳ解决方案,结合负载为如图8 所示双电源的特点， UPＳ系统为负载提供完全独立的两路 UPS 电源。此种供电解决方案，解决了UPS 输出端与最终负载端之间发生“单点瓶颈”故障隐患。

图８典型双电源负载

2Ｎ系统应用方案典型设计有以下几种

3．1 一台UPS 单机与一路市电构成双路供电方案

如图９所示,某些用户由于场地或者费用预算方面的原因,采用 1 台ＵＰS 单机与 1 路市电构成双路供电方案。这种并机应用方案成本最低,相比普通单机来说是一个比较大的进步。

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正常情况下，UＰＳ输出和另１路市电输出为双电源负载提供两路电源，UPS 为单电源负载提供不间断电源；

当 UPS 输出母线故障或需要维护操作时,对于图８所示双电源负载，在UＰS 切换到旁路后，仍有ＵP Ｓ旁路和另１路市电输出母线供电，避免了单机 UPS 输出母线为单点故障的隐患的问题，(此时系统的安全性起决于ＵPS 旁路及另 1 路市电的可靠性）;对于单电源负载,在ＵPＳ切换到旁路后，可暂时由 UＰS 旁路输出为负载继续供电，直至 UPS 输出正常。

图9一台ＵＰＳ单机与一路市电构成双路供电方案

3．2 两台独立UPS 双路输出构成双路供电

方案

如图10 所示,两台UPS 双路输出构成双路供电方案,是目前最典型的２Ｎ应用方案，其每套UＰS 单机系统都是一套完整的单机运行方式，带来的维护、管理也是独立的。

正常情况下,两台ＵPS 独立输出为双电源负载提供两路电源;即使有 1 台UＰＳ处于旁路检修状态下，依然能保证 1 路UPS 输出和另 1 路UPS 旁路输出为双电源负载提供两路电源；当其中一台UPS 输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含ＵPS 旁路),对于图 8 所示双电源负载，继续由另一台UPS 输出母线供电,避免了单机 UPS 输出母线为单点故障隐患的问题；对于单电源负载,在 UＰS 切换到旁路后,可通过人工切换下游开关至另 1 台 UPＳ输出母线为负载继续供电，直至退出运行的 UPS 恢复正常;或者在每个单电源负载群前端高速静态切换开关 STＳ，由静态开关STS 进行电源自动切换，保证电电源负载的双路供电保护。

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图10两台独立UＰS 双路输出构成双路供电方案

３.3 两台ＵPS 共用旁路双路输出供电方案

如图 11 所示，两台 UPＳ共用旁路双路输出供电方案也有非常广泛的应用，两套 UPS 单机系统同时跟踪一个旁路电源，其输出母线能够基本保持同频率、相位状态。

正常情况下，两台 UＰＳ独立输出为双电源负载提供两路电源，两台 UPS 通过输出母线 1 和输出母线２各自承担双电源负载，单点源负载由经过 AＴS 选择后的输出母线３供电;当系统中 1 台 UＰS 处于旁路检修状态下,依然能保证 1 路 UPS 输出和另 1 路UPS 旁路输出为双电源负载提供两路电源，此时输出母线 3 前面的 AＴS 自动开关并不切换；当其中一台 UPS 输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含ＵＰS 旁路),对于图 8 所示双电源负载,继续由另一台UＰS 输出母线供电,避免了单机ＵPS 输出母线为单点故障隐患的问题；对于单电源负载,若需退出运行的 UＰＳ(含UＰＳ旁路）是母线 3 的主供电源,则自动切换开关 AＴS 会自动将母线 3 切换到另一侧母线上,负载由另 1 台UPS 输出母线为负载继续供电，直至退出运行的ＵPS 恢复正常(否则自动切换开关 ATＳ不做切换，系统保持原状态运行）。

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图11两台UPS 共用旁路双路输出供电方案

4 应用案例分析

出于各种不同的设计思路，实际使用当中会有各种不同方案。以下通过实际运行的几个案例分析，给各位设备使用者提供一种管理设备的思路。

4.1 两台ＵPＳ共用旁路双路输出，输出配电带联络开关供电案例

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基于 UＰS 本身的控制逻辑,如图 12 所示的下面这个方案,可以既可以采用并机供电方案，也可以采用 2N

输出供电方案。实际运行当中，必须选择其中的一种确认为正常运行模式固定下来，同时在紧急情况下按照一定的操作顺序切换对应的开关,才能进行系统转换,发挥这个系统的设计优势。

图12 两台UP Ｓ共用旁路双路输出，输出配电带联络开关供电方案

这个系统中的 QF３开关非常关键，如图 13 所示的状态说明如下：

4.１.1 并机运行模式

如图 13 所示,当 QF3 开关闭合时,这个系统就是一套标准的并机系统。为了保证整个系统的安全与稳定, 在整个运行过程中，ＱF3 开关禁止断开;当有一台 UPS 需要维修并退出运行时,整个负载系统仍由另一台ＵPS 供电，系统不需要做任何变化。

这种并机运行模式下，如果系统需要做双输出分段运行时，必须将ＵPS 并机系统切换到旁路状态，且每台UＰS 都退出并机控制逻辑(设为单机)，才允许断开QF3 开关,此时每台UPS 才允许恢复到逆变状态, 系统转换为双输出分段运行，同时ＱF3 开关禁止合闸。

当需要恢复到并机状态时，先将两台 UPS 切换到旁路状态，整个负载系统都由旁路供电，此时才允许闭合QF３开关；当两台UＰＳ都恢复到并机控制逻辑时,才能将负载由旁路状态,恢复到 UＰＳ逆变器供电状态, 此时QＦ3 开关禁止断开。

4．1.2 双输出分段运行模式

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如图１3 所示，当QF3 开关断开运行时,这个系统就是一套标准的双输出系统。为了保证整个系统的安全与稳定，在整个运行过程中，QF3 开关禁止合闸;当有一台 UPＳ需要切换到旁路进行维修时，整个系统不需要做任何变化，负载系统由一路市电和另一台ＵＰＳ供电为负载供电。

当有一台 UPＳ需要维修并退出运行时(含旁路),整个负载系统需要切换到另一台 UPＳ供电，系统需要将两台 UPＳ都切换到旁路状态,在等电位的情况下合上ＱF3 开关，才允许将工作ＵPS 恢复到逆变状态，待维修UPS 退出运行,此时 QＦ3 开关禁止断开。

当需要恢复到双输出分段运行模式时,先将所有负载切换到旁路状态，在等电位的情况下恢复所维修ＵPS 的旁路系统，然后断开QF３开关,两台UＰS 分别恢复到逆变状态,系统转换为双输出分段运行,此时ＱF3 开关禁止合闸。

图13 关键的QF３开关

４．２ＵPS 输出独立TN－S 接地系统案例

基于工业环境 UPＳ的输入电源来自于不同的上游系统,UPS 负载侧与电源侧的接地系统独立，UPＳ系统的隔离变压器接地点选择成为了另一个需要关注的问题。如图１４所示的下面这个ＵＰＳ方案的接地案例，可以提供一个很好的注释。

通过ＵＰS 的输出和旁路隔离变压器，UPS 输出侧可以构成独立的TN-S 接地系统。根据 TＮ-S 的说明，需要输出侧的变压器中,有一个变压器且只有一个变压器要作为接地变压器工作。以下是最常用的并机系统, 考虑到系统的对称性和 UPＳ维护退出运行的原因，一般将接地点选择在旁路隔离变压器上。对于单机系统, 一般也选择旁路隔离变压器作为接地变压器。

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对于 TN-S 接地系统而言，如果接地点断开,将是一种危险的状态，此时若发生单点接地故障，将会导致正常不带电的部位带有危险的电压，甚至可能产生危险的高电压导致设备损坏。

图14 ＵPS 输

出独立ＴＮ-S 接地系统

4.3 ＵPS 输出独立 IT 不接地系统案例

ＩT 系统是指系统不接地或经电阻接地的运行方式，由于 IT 系统允许单相接地故障时继续运行，因此受到很多用户的认可。如图1５所示的下面这个 UＰS 方案的不接地系统案例

通过 UPS 的输出和旁路隔离变压器,UＰS 输出侧可以构成独立的 IT 不接地系统。当系统发生单相接地的情况下，旁路隔离变压器内安装的“交流接地报警”装置将发出报警信号，需要通过人工来处理接地故障；此时由于相间电压的绝对值不变，设备仍能正常工作,而不受故障相接地故障的影响。需要注意的是,如果未装设绝缘监视装置,ＩT 系统在单相接地的情况下没有任何处理措施，将存在巨大的危险。一是三相系统的非故障相的对地电压等于线电压而造成单相长期过电压,二是故障相的存在可能导致系统发展为两点接地对系统安全造成威胁。

从实践运行来看，对于UPS 系统输出选择IT 不接地系统，必须装设绝缘监视装置。除非确有必要,不建议三相输出系统采用IT 不接地系统；对于单相输出系统而言,ＵPS 额定功率的选择,以不同功能场所的IT 系统的负荷大小为原则，并尽量缩短隔离变压器与系统负载之间的距离，IT 系统负载供电线路的敷设应尽量避免使用金属穿线管，以降低 IT 系统的固有容性泄漏电流。

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图１5 UＰS输出ＩT 不接地系统

4．４一路采用ＴN-S 输出,另一路采用ＩT 不接地输出的双路供电案例

对于图 8 所示的双电源负载结构如,某些关键设备采用了双路供电要求,而且其中一路采用 IＴ不接地系统(采用交流隔离器的方式)，图 16 所示。

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图16 某设备双路供电要求示意图

针对此种技术要求，UＰS 输出系统宜采用一路采用 TＮ－S 输出,另一路采用 IT 不接地输出的双路供电最为合适。如图 17 所示,这种供电方式是符合图16 所示的这种负载要求的最佳方案。

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图17 一路采用ＴＮ－S 输出，另一路采用IT 不接地输出的双路供电系统

5 结束语

工业环境用ＵＰＳ最大的特点是满足不同客户的用电环境及负载的情况下，提供定制化的交流不间断电源ＵPS 解决方案。即没有适用于所有场所的唯一方案,也没有不涉及负载和电网情况的解决方案。所有UＰＳ供电方案的设计和选择,核心是满足ＵPS 负载的要求和 UPＳ设备的管理维护。

本文从工业环境用典型工业环境使用 UPS 方案的实际案例入手,比较各个方案的不同差异和适用范围，为广大工业 UPS 用户提供工业ＵPS 系统整体电源保护解决方案的建议。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zm6q.html