摘要：隨著通信事業(yè)的迅速發(fā)展,，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和 IT 業(yè)務(wù)也呈現(xiàn)越來(lái)越快的發(fā)展趨勢(shì),。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用刀片式服務(wù)器后，集成度高,，目前數(shù)據(jù)機(jī)房已成為運(yùn)營(yíng)商單位功耗最高的機(jī)房,，數(shù)據(jù)設(shè)備的供電也成為運(yùn)營(yíng)商最關(guān)注的問(wèn)題,，如何更好地為數(shù)據(jù)設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)而可靠的供電保障,，是目前急需探討的問(wèn)題,。本文就不間斷電源（UPS）的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了一些分析，經(jīng)過(guò)比較并得出了結(jié)論,。
1,、 現(xiàn)有 UPS 設(shè)計(jì)方案
數(shù)據(jù)設(shè)備初建時(shí)，以使用交流電源為主,，所以大多配置UPS 設(shè)備為其供電。
在配置UPS 設(shè)備時(shí),，由于要考慮用電設(shè)備擴(kuò)容的需要,，加之早期UPS 設(shè)備無(wú)法擴(kuò)容，只能按數(shù)據(jù)設(shè)備遠(yuǎn)期負(fù)荷考慮配置,。這樣就造成初期建設(shè)投資偏高,，系統(tǒng)建成投產(chǎn)后，設(shè)備利用率又偏低,。
下面以某樞紐樓BOSS 系統(tǒng)為例,，2006 年，該樞紐樓新建BOSS 系統(tǒng),，設(shè)備負(fù)荷情況詳見(jiàn)下表1,、表2.
表1 本期新增設(shè)備負(fù)荷情況
表2 遠(yuǎn)期設(shè)備負(fù)荷情況
根據(jù)以上設(shè)備負(fù)荷情況，還有UPS 廠商提供的UPS 輸出功率因數(shù)為0.8（功率因數(shù)為有功功率與視在功率之比,，以COSΦ 表示,。在交流電路里,，電壓乘電流是視在功率，而能起到做功的一部分功率即有功功率則小于視在功率）,。同時(shí)考慮負(fù)載的功率因數(shù)（按0.8 考慮）,，當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)與UPS 的輸出功率因數(shù)不一致時(shí)，應(yīng)注意保證UPS 的容量能提供給負(fù)載足夠的有用功率和無(wú)用功率,，并以此為原則計(jì)算UPS 的容量,。
根據(jù)計(jì)算，需配置250kVA UPS,當(dāng)時(shí)考慮支撐系統(tǒng)的重要性,，采用了雙母線配置方式,，即配置了2 套250 kVA UPS 設(shè)備，每套按1+1 并機(jī)系統(tǒng)考慮,。由于UPS 設(shè)備本身諧波分量難以控制到要求的數(shù)值,，必須配置濾波設(shè)備來(lái)降低諧波分量。UPS 設(shè)備配置及供電系統(tǒng)見(jiàn)下表3 及圖1,。
表3 設(shè)備配置表
圖1 傳統(tǒng)UPS（1+1）雙母線系統(tǒng)圖
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2,、 模塊化 UPS 設(shè)計(jì)方案
由于傳統(tǒng)UPS 設(shè)計(jì)的局限性及設(shè)備本身的一些問(wèn)題，如今一種機(jī)架式的模塊化UPS 正在悄悄地引起一種革命性的變革,，它的引入必將引起不間斷電源新的革命,。模塊化UPS 目前比較有代表性的結(jié)構(gòu)有兩類：一類是功率模塊化UPS,另一類是完全模塊化UPS.功率模塊化UPS 由機(jī)架加功率模塊構(gòu)成，功率模塊中包括傳統(tǒng)UPS 的整流,、濾波,、充電、逆變器等部分,，但靜態(tài)旁通與系統(tǒng)的部分監(jiān)控和顯示共用一個(gè)機(jī)架,，各模塊獨(dú)立控制并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)架上的顯示控制模塊僅作為用戶開(kāi)關(guān)UPS 主機(jī)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控平臺(tái),。完全模塊化UPS 由機(jī)架加單體模塊構(gòu)成,，每個(gè)單體模塊內(nèi)部都裝有整個(gè)UPS 電源與控制電路，包括整流器,、逆變器,、靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)及附屬的控制電路、CPU 主控板,，每個(gè)UPS 模塊均有獨(dú)立的管理顯示屏,。
我們同樣以前面的案例為依據(jù)，假設(shè)采用完全模塊化UPS 設(shè)備,，配置方案如下：
根據(jù)近期的負(fù)荷,，結(jié)合遠(yuǎn)期發(fā)展需求，UPS 系統(tǒng)同樣按雙母線配置方式考慮，可配置2 套UPS 設(shè)備,，每架只需配置2 個(gè)UPS 模塊（每塊50kVA）即可滿足本期需求,，采用1+1 冗余方式配置，主用1 個(gè)模塊,，冗余1 個(gè)模塊,，若其中的一個(gè)模塊發(fā)生故障，它將自動(dòng)脫離系統(tǒng),，由其它模塊繼續(xù)給負(fù)載供電,，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行；2 套模塊化UPS 系統(tǒng)采用雙母線供電工作方式,，主設(shè)備交流配電屏分別從2 套UPS 輸出屏各引接1 路,，當(dāng)1 套UPS 故障時(shí)，由另1 套UPS 承擔(dān)全部負(fù)載供電,，保證設(shè)備安全運(yùn)行,。
采用模塊化UPS 設(shè)備后，無(wú)需配置濾波設(shè)備就可滿足諧波含量≤5%的要求,，UPS 設(shè)備配置及供電系統(tǒng)見(jiàn)下表4 及圖2.
表4 設(shè)備配置表
圖2 模塊化UPS（1+1 模塊冗余）雙母線系統(tǒng)圖
3,、兩種 UPS 設(shè)備的比較
對(duì)以上兩種設(shè)計(jì)方案所配置的UPS 設(shè)備，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行比較,。
?。?） 設(shè)備安裝及機(jī)房占地面積。
其一,，模塊化UPS 采用先進(jìn)高頻技術(shù),，提高了功率密度，縮小了UPS 模塊的體積,，其模塊本身就是一臺(tái)UPS,UPS 模塊安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架中,，相對(duì)于傳統(tǒng)UPS節(jié)省了占地面積與空間，便于安裝與維護(hù),。
其二,，模塊化UPS 采用先進(jìn)的整流技術(shù)具有強(qiáng)抗干擾能力及較低的諧波失真度，一般正弦波輸入電流的總諧波失真度（THD）<5%,因而可以不必像傳統(tǒng)UPS配置濾波設(shè)備,，減少了機(jī)柜數(shù)量。
我們同樣以前面的案例為依據(jù),，采用傳統(tǒng)UPS 設(shè)備占地面積約為13 平方米,。
采用模塊化UPS 占地面積約為5 平方米。
?。?）建設(shè)投資,。
在供電系統(tǒng)建設(shè)初期，傳統(tǒng)UPS 設(shè)備無(wú)法擴(kuò)容,，只能按照設(shè)備遠(yuǎn)期負(fù)荷需求考慮,，面對(duì)層出不窮新技術(shù),、新設(shè)備的應(yīng)用，設(shè)備用電需求難以準(zhǔn)確估計(jì),，使得UPS 設(shè)備容量產(chǎn)生過(guò)高的估計(jì),，造成采購(gòu)成本過(guò)高。而模塊化UPS 通過(guò)可擴(kuò)充的模塊結(jié)構(gòu)有效解決了這一問(wèn)題,，其模塊化結(jié)構(gòu)能夠很方便地安裝和擴(kuò)容,，它可以幫助用戶在未來(lái)發(fā)展不明確的情況下分階段進(jìn)行建設(shè)和投資。即滿足了后期業(yè)務(wù)的發(fā)展需求,，又降低了用戶的初期建設(shè)成本,。
我們同樣以前面的案例為依據(jù)，裝機(jī)容量按年增長(zhǎng)20%考慮,，投資比較如下表,。
表5 投資比較表
以上投資不包括電池配置的考慮，若考慮電池配置,，模塊化UPS 的優(yōu)勢(shì)將更加明顯,。
（3）并聯(lián)冗余與可靠性,。
在機(jī)架式模塊化UPS 中,，功率模塊部分是并聯(lián)冗余的，即功率部分是由許多模塊并聯(lián)在一起并均分負(fù)載,，它們不分主從,，互不依賴，并且均分負(fù)載,。即使有一個(gè)功率模塊發(fā)生故障退出,，也不影響整個(gè)系統(tǒng)工作。采用傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng),，為保證安全需采用"1+1"或"N+1"的關(guān)聯(lián)冗余方式,，這不僅增加了采購(gòu)、安裝及維護(hù)成本,，而且一般情況下只能容錯(cuò)一次,。而機(jī)架式模塊化UPS 系統(tǒng)，用戶只需購(gòu)買相應(yīng)的功率模塊,，即可實(shí)現(xiàn)"N+X"的故障冗余,，容錯(cuò)率大大提高。
傳統(tǒng)UPS 供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后,，由于系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,，難以準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)，并且受限于維修人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)、備件儲(chǔ)備等客觀原因,，造成故障排除時(shí)間過(guò)長(zhǎng),。而且UPS 維修時(shí)均采取轉(zhuǎn)旁路的方式，在這種情況下負(fù)載完全不受UPS 保護(hù),，此時(shí)如果發(fā)生電源中斷,、過(guò)載等故障，將會(huì)造成嚴(yán)重的問(wèn)題,。而機(jī)架式模塊化UPS 可以有效解決這些問(wèn)題,，因?yàn)槠渌械哪K都是熱插撥，熱插撥技術(shù)可以允許單體功率模塊在不需停電的前提下任意進(jìn)入或退出UPS 系統(tǒng),，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)需專業(yè)技術(shù)人員到場(chǎng),，無(wú)需專門(mén)的儀器即可進(jìn)行系統(tǒng)在線維修。
?。?）節(jié)能與環(huán)保,。
綠色環(huán)保已經(jīng)成為社會(huì)各行業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的必要趨勢(shì)。隨著各種政策的出臺(tái),，要求無(wú)污染的綠色電源設(shè)備已成為必然發(fā)展趨勢(shì),，以前各種用電設(shè)備及電源裝置產(chǎn)生的諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng)，模塊化UPS 采用電子式調(diào)整技術(shù)使輸入諧波失真低于5%,整流器使用IGBT 技術(shù),，可將輸入功率因數(shù)提高到0.99 接近于1,從而大大降低對(duì)電網(wǎng)的污染程度,。
節(jié)能減排在當(dāng)今已成為基本國(guó)策，節(jié)約能源已成為企業(yè)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的需要,。
節(jié)電也是節(jié)能的一種體現(xiàn),，模塊化UPS 相比傳統(tǒng)UPS 設(shè)備在節(jié)電方面顯得更為突出。
我們可通過(guò)年節(jié)電費(fèi)用做一比較,，下面我們根據(jù)設(shè)計(jì)滿載情況來(lái)比較,，同樣以上面的案例為依據(jù)，傳統(tǒng)UPS 和模塊化UPS 的輸出功率都為250kVA 即200kW,傳統(tǒng)UPS 的輸入功率因數(shù)為0.9,效率為80%.模塊化UPS 的輸入功率因數(shù)為0.99,效率為95%.通過(guò)計(jì)算,，可得出UPS 的輸入功率（輸出功率/效率）,。傳統(tǒng)UPS 輸入功率=200/80%=250 kW,模塊化UPS 輸入功率=200/95%=210 kW.這樣就可計(jì)算出UPS 的熱損耗（輸入功率-輸出功率）：傳統(tǒng)UPS 熱損耗=250-200=50 kW,模塊化UPS 熱損耗=210-200=10 kW.
假設(shè)每度電按0.8 元計(jì)算，模塊化UPS 相對(duì)傳統(tǒng)UPS 每年可節(jié)電：
40*8760*0.8=28 萬(wàn)元,。
以上是按滿載情況比較得出每年節(jié)電28 萬(wàn)元,，如果以初建時(shí)負(fù)載率特別低的實(shí)際情況比較，節(jié)電效果將會(huì)更加明顯,。
4,、結(jié)論
模塊化UPS 相對(duì)于傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)而言，具有高可用性,、高適應(yīng)性、高可管理性的特點(diǎn)，在便于設(shè)備安裝,、節(jié)省占地空間,、減少初期建設(shè)投資、方便維修,、節(jié)能減排等各個(gè)方面都有明顯的優(yōu)勢(shì),。因此，模塊化UPS 設(shè)備將成為新一代的UPS,將會(huì)被越來(lái)越多的企業(yè)用戶所選擇,。