UPS供电系统可靠性的探讨

张光华

摘 要：探讨了UPS供电系统的可靠性，介绍了常见的UPS冗余供电模式，并结合具体实例，详细论述了双总线供电模式的应用，以期能为相关人员提供参考借鉴。

关键词：UPS；供电系统；供电模式；逆变器

中图分类号：TN86 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.078

所谓“UPS”，即不间断电源，是将蓄电池与主机连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。使用UPS供电系统对提高其供电可靠性，保证系统的安全运行至关重要。因此，我们需要采取有效的措施，解决UPS供电中存在的问题。基于此，就UPS供电系统的可靠性进行了探讨。

1 数据中心机房设备分类及用电特点

数据中心机房设备包括网络交换机、路由器、服务器、小型机、存储设备等。按电源类型，可分为单电源设备和冗余电源设备。单电源设备指只有一个电源模块，一旦供电出现问题或者电源本身出现问题，设备就会宕机；冗余电源设备有多个电源模块（一般为1+1冗余，称为“双电源设备”），多个电源模块平均承担系统负荷，一个电源模块出现问题停止供电时，剩余的电源模块便承担所有的电源负载，设备供电可靠性高。

2 常见的UPS冗余供电模式

2.1 串联单总线供电模式

两套UPS系统分别作为UPS主机和UPS备机。UPS备机的输出作为UPS主机的静态旁路电源，这就是主备冗余供电，也叫作双机串联冗余供电，如图1所示。系统正常运行时，由

主机供电，备机处于空载备用状态。主机故障时，负载切换到主机旁路，由备机承担负载供电。

图1 串联单总线供电模式

串联单总线供电这一模式可以在保留现有UPS的情况下，扩充改造无冗余的UPS系统，以获得一定程度的冗余。只要UPS主机具有独立的静态旁路输入口，就很容易实现UPS主、备机冗余供电。在这种UPS供电模式中，产品的选择很灵活，可以混用不同制造商或不同型号的产品，在系统负载不能超过单机容量的情况下，也可使用同性能而不同容量的UPS串联，非常方便，改造成本很低，容易实现；同时，这种供电模式中的热备份系统不需外加任何外部设备，故障点相对较少，现场安装调试和日常维护非常方便。

虽然这种模式结构和控制简单，但是由于在正常工作状态

下，所有的负载全部由主机供电，备机处于空载运行状态，长时间运行会导致主、备机的老化程度不一样。因此，当主机转换到旁路时，备机必须能够处理突然的负载变化。由于备机长期在零负载的状态下工作，所以，这种突然负载变化要求UPS单机必须具有优良的带阶跃性负载能力。此外，这种供电模式的另外一个缺点就是存在单点（主机静态旁路）故障隐患。

2.2 并联单总线供电模式

将2台或多台UPS设备的输出并联，即将UPS的逆变器并联运行，组成“N+1”冗余并联系统，如图2所示。正常运行状态下，2台（或多台）逆变器同时向负载均分供电，当其中一台故障时，该UPS从供电系统中脱离，负载由剩余逆变器按新的比例分配，不间断供电。

并联冗余模式有许多优点：①提高了容错性能。当UPS正常运行时，N+1台UPS平均承担负载供电，当某台UPS出现故障时，剩余N台UPS具有足够的带载能力分担原N+l台的供电负载。对于UPS系统而言，仍然为后端负载提供纯净、稳定的逆变电源。②并联冗余模式可以实现在线维护UPS，可以在UPS系统不间断供电的情况下，对并机系统中的单台UPS实施不带电维护操作。③大大提高了UPS系统的可靠性。

在UPS并联方式下，因为诸多原因，例如电网的频率扰动、负载扰动等，都会引起UPS状态的变化。由于各台UPS输出量参数难以保持完全一致，各UPS在向负载供电时，还会在UPS内部的逆变器间形成环流。当环流过大时，将直接危及逆变器安全，引发故障。此外，在并联冗余供电模式中，UPS逆变器输出端到负载之间仍然存在“单点瓶颈”故障隐患。

2.3 双总线供电模式

为了克服单总线供电模式会造成单点故障的缺点，可采用双总线供电，如图3所示。双总线供电模式最大的特点是同时提供两路互不影响的供电总线，为负载提供完全独立的电源。双总线供电模式的每一路可以是单台UPS，也可以是N台UPS（N≥2）。双电源负载可分别接两路电源。对于单电源负载，静态转换开关（Static Transfer Switch，简称“STS”）成为必选。STS为电源二选一自动切换设备，在正常工作状态下，当主电源处于正常的电压范围时，负载一直连接在主电源上；当主电源发生故障时，负载通过STS自动切换到备用电源。当主电源恢复正常后，负载又会自动切换到主电源。与传统的自动转换开关（Automatic Transfer Switch，简称“ATS”）不同，静态转换开关能快速转换负载（一般为1/4周期），保证精密的电子设备不间断工作。

双总线正常供电时，两路总线同时分别向负载供电，双电源负载的两个电源模块协同工作，同时供电，而单电源负载由STS供电。当一路总线故障时，双电源负载接在另一路总线的电源模块承担整个负载，而单电源负载则由STS自动判断后实现不间断供电。UPS双总线供电模式可以消除由于设备、器件、线缆等因素而存在的单节点故障隐患，但是由于需要双市电输入和双（多）套UPS系统并联部署，因此大大增加了电源建设成本和占地空间，适用于为重要的数据中心提供电源。

3 双总线供电模式的应用

双总线供电模式在某数据中心的供配电系统中得到了广泛应用。为了满足供电可靠性的要求，可结合几种供电模式，提高安全系数。在资金投入或者场地空间有限的情况下，可以选择双总线供电模式。例如，某省级电力公司数据中心机房扩容改造，机房面积增加300 m2，新增2台400 kVA UPS，电池后备时间2 h。由于UPS室空间有限，在保证UPS供电安全可靠的前提下，尽量精简设备，选择单机双总线交叉旁路模式——1台UPS的旁路电源取自另一台UPS的主路市电输入，如图4所示。UPS的旁路与主路电源来自不同市电，当一路市电或一台UPS出现问题时，始终保持负载有2路电源供应。这种供电模式灵活地调整了双总线供电模式的市电输入，在提高供电可靠性的同时，减少了设备投入和占地空间。

图4 双总线交叉旁路模式

4 结束语

综上所述，UPS供电系统凭借着自身具有的独特优点，在计算机业务终端、网络服务器、网络设备等众多领域有着广泛的应用。为了进一步促进UPS供电系统的发展，我们需要对其进行监控，及时解决存在的问题，从而提高UPS供电系统的可靠性。

参考文献

[1]周刚，王澜.石化供电系统中UPS可靠性分析及选用探讨[J].电气应用，2009（18）.

[2]黄绍毅.UPS供电系统可靠性的计算分析[J].石油化工自动化，2006（02）.

〔编辑：王霞〕