UPS及EPS的應用技術與發展趨勢

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

關鍵詞：UPS；EPS（應急電源）；應用技術；發展趨勢

1 一體化機房供電系統的新理念

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生大面積停電，這次持續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生的嚴峻形勢。今年6月我國電力部門已宣布，今年將發生嚴重的“電荒”，決定對24個省市自治區采取拉閘限電的措施來保證基本的電力供應。我們應從北美發生大停電的教訓中得到警示，意識到自身電網存在的問題和隱患。

隨著中國信息化建設的成熟，信息系統已經涵蓋了各種系統，其中包括航空、氣象、金融、通訊以及交通等重點行業，這些系統無疑是國家的關鍵基礎設施，而電力系統則是維持這些基礎設施不間斷運行的必要保證。

顯然，用戶不可能左右整個電網的可靠性，但可以積極地做好自身小環境的電力保護，因此，用戶自我保護是當前解決企業電力問題的現實之舉，而UPS能夠有效地解決停電事故和電力質量不穩定的問題，在美國、日本以及西歐等國家UPS已得到廣泛應用。

現在用戶已經認識到UPS和備用發電機(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，而出現電力事故時，UPS的任務主要是承擔從電力中斷到柴油發電機起動的這段時間內的供電，保證電力供應不出現中斷，而此后的供電應當交給發電機。

雙路供電也是企業實現小環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備。

對企業小環境電源保護系統的配置，用戶應考慮關鍵設備的主次之分。首先應保護最重要的關鍵設備，然后是相對次要的負載。并根據設備的重要程度選擇適當的電力保護措施，避免不必要的投資，造成浪費。

1.2 不間斷供電系統

自從計算機問世以來，對其供電系統的研究就成為保證計算機系統正常運行的重要課題。計算機類(計算機及其它IT設備等)設備對供電系統的要求是比較苛刻的，它不僅要求供電系統提供高質量的電源，保證供電的連續性，還要求提供相應的環境物理條件和必要的系統安全保證措施，供電系統應有很高的“可維護性”和“可管理性”，以及能夠適應計算機和網絡系統不斷發展變化的“可擴展性”。

計算機和網絡系統的供電以市電為主。影響供電質量的客觀因素一方面是一個國家或一個地區的發電機總裝機容量和配電水平、供電網絡結構和配電設備以及維護管理自動化水平的落后，是供電質量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各種不同性質的負載，特別是一些大容量感性、容性、沖擊性、非線性的負載，對電網造成污染，使電網電壓的幅值變化、波形畸變、頻率漂移；另外，自然或人為的原因，如地震、雷擊、輸變電系統斷路或短路等，都會危害電力的正常供應，從而影響負載設備的正常運行。

當前，從全球經濟模式及商務運作形式一直到人們的日常生活方式都在發生著巨大的變化，其中最明顯的莫過于Internet(互聯網)和E－Business(電子商務)的迅猛發展，全球網絡、全球通訊、信息實時處理以及一年365天（8760h）的貿易，將逐漸變成日常生活中不可或缺的組成部分。在計算機網絡系統中，所有的硬件加在一起的費用也只是全部網絡費用的一小部分(約20％)，而大部分費用用在檢查錯誤，服務器的重新啟動，維護和更新以及數據重建等上面。從某種意義上講，保護用戶的數據比保護用戶的網絡設備更為重要。一個大型企業，深知自己成功與否取決于計算機，即使供電系統出現很短時間的故障，就可能出現如下的致命后果：有損形象；丟失合同；丟失客戶；中止客戶服務；產品積壓；丟失運行的數據。一個網站宕機，一個潛在的用戶在8s內離開，一個路由器宕機，局域網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絡連接。

供電系統除了要向負載提供高質量的電源外，保證供電的連續性已經成為重要的不可缺少的功能，不間斷供電系統(UPS)就是在這種形勢下應運而生的。UPS供電系統從產生到現在已有幾十年的發展歷程，在技術不斷發展和改進的過程中，其保護功能也在不斷地發生變化，特別是在網絡技術高速發展的今天，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據的保護要求放在了最重要的地位。

圖1 供電系統保護功能的變化

1.3 一體化網絡系統

隨著網絡應用的深入和用戶需求的個性化，對UPS的應用要求呈現高可靠性、可管理性以及經濟性并重的趨勢，集不間斷電源、機柜、電源管理、散熱、電力電纜和數據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。這種應用趨勢演變為廠商之間綜合實力的競爭，包含產品技術、方案提供以及現場服務等多方面的因素。

當前所說供電機房已不再是傳統意義的UPS設備，而是網絡關鍵物理基礎設施的體現，它是一套集成系統，UPS設備只能說成是該系統的核心部件。

由于UPS和EPS（應急電源）等電源保障系統是支持大型電腦、電子設備、電機設備系統的，這些系統要有集中測控的設備來監控整個過程的運行。10年前電源保障比較簡單，只是單機單元進行監視與維護。后來隨著系統愈來愈大，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的功率均分并機系統，兩臺UPS再并機，即用雙總線系統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控每一塊電池，對發電機組也需監控，對電機的起動電池也得監控。于是電源就成了一個與負載——電腦設備、電子設備、機電設備同等重要而復雜的系統。當然，技術上是可以解決的，但最終受限于成本和價格。于是電源網絡化與IT化結合起來，形成“電源、發電機、電池及被保護的電腦、電子、機電”網絡一體化的系統。也就是把UPS、EPS、電池、發電機，與被保護的電腦、電子、機電系統看作是一個整體。即“電源、電池、電機、電腦、電子、機電”的“六電一體化網絡系統”。

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”的建設絕不是一個把UPS、EPS、電池、電機與被保護的電腦、電子(如雷達、導航、通信)、機電設備(自動化系統)簡單地接在一個Ethernet（以太網）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、穩壓調整，以便向負載提供更為穩定的電壓，同時通過充電器把電能轉變為化學能儲存在蓄電池內，一旦電力中斷、電網電壓或電網頻率超出UPS的輸入范圍，可在極短的時間內(幾ms)開啟自身的儲備電源，向負載供電，此類UPS的特點是轉換效率高、易于維護且價格低廉，為絕大多數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，與用電設備同時運行，在供電狀態下的主要功能是穩壓和防止電壓波動和干擾，避免負載遭到長期低品質電力的侵害，一旦市電中斷，UPS中的逆變器會利用機內蓄電池所提供的電能來維持負載的正常運轉，供電轉換時間為零，真正實現了不間斷供電。該類UPS供電質量高，但價格昂貴。

在線互動式UPS以網絡使用為主，它結合了離線式效率高和在線式供電質量高的特點，與離線式UPS相比切換時間短。

一臺UPS應該包括傳統意義上的以下環節和功能：能在各種復雜的電網環境下運行；在運行中不會對市電產生附加的干擾；輸出電性能指標應該是全面的、高質量的，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備，有高度智能化的自檢功能，自動顯示、報警、狀態記憶功能，以及通訊功能；UPS不僅向由它直接供電的各種硬件設備提供全面的保護，在互聯網時代，還應該向他們所運行的軟件以及數據傳輸途徑提供安全可靠的保護，可配置相應的電源監控軟件，使其具有遠程管理能力，使用戶可執行UPS與網絡管理平臺之間的監控和數據通訊操作。

2.2 UPS與網絡和數據密切相關

隨著技術的發展，現在的UPS，特別是中大型UPS，不只是一臺停電后可以繼續向負載供電的整機產品，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。在網絡化時代，UPS已經成為一個高度智能化的設備，它對整個網絡中的硬件設備、運行程序和數據以及數據的傳輸途徑進行全面的保護，使之成為不間斷網絡。

它具有如下技術特性。

2.2.1 高可靠性

具有能在365天(每天24h)連續提供高質量輸出電壓的供電能力。這就意味著，在UPS供電系統的運行中既不允許出現任何瞬間供電中斷或停電事故，也不允許出現由市電經交流旁路直接向負載供電的局面。為此，要求UPS供電系統應滿足如下要求：

1）UPS單機本身的故障率低，目前大型UPS產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冗余并機系統來進一步提高UPS供電系統的可靠性〔“1＋1”型冗余并機系統的典型MTBF值可達（14～20)×105h〕；

3）在整套UPS供電系統中，不應存在單點瓶頸性故障隱患；

4）允許在UPS逆變器連續供電的條件下，執行不停電的維護和檢修操作；

5）萬一在用戶設備端出現短路故障時，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供電系統能使互聯網設備獲得100％的高可利用率(低誤碼率，低數據傳輸丟失率、高網絡接通率)，創造優良的運行環境。

大量的運行實踐表明，電源干擾問題是造成互聯網設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絡能否獲得100％的高可利用率的關鍵所在。應當說明的是，電源干擾不僅來源于普通的市電電網，還來源于設計不完善的UPS本身及用戶的互聯網設備本身。這是因為配置在IDC(互聯網數據中心)和MDC(多媒體數據中心)機房內的服務器、磁盤陣列機、交換機等均內置有開關電源。這種整流濾波型非線性負載會向UPS供電系統反射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量。實踐證明，過大或過多出現電源干擾，輕者會導致互聯網的傳輸速率下降、網絡服務器的數據丟失率增大、Modem的上網掉線率增大等隱形故障，從而導致互聯網設備被迫進入降額使用狀態，嚴重時還會導致網絡癱瘓。從這個角度來看，高速信息網絡技術的迅猛發展在給UPS產業帶來巨大商機的同時，也對UPS所能提供的供電質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、閃電及電網上的浪涌嚴重威脅UPS系統和計算機網絡的安全。如無相應的保護措施，將造成UPS系統及計算機網絡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標準。