劉潤琪，朱 全

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引言

大型指揮中心的關鍵裝備系統(tǒng)有音視頻顯示系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、中心計算機系統(tǒng)、指揮調度系統(tǒng)、通信網絡系統(tǒng)等。若直接采用市電系統(tǒng)、農電系統(tǒng)供電，易發(fā)生斷電、電壓波動及閃跳等現(xiàn)象。人為事故或自然災害(如施工、雷暴天氣等)也可能造成電源系統(tǒng)的故障，導致昂貴的關鍵裝備受損或燒毀，進而影響重要任務或關鍵行動中斷甚至失敗。因此，大型指揮中心供電系統(tǒng)的可靠性要求非常高。近年來，不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)作為一種不間斷的供電系統(tǒng)，可有效改善供電質量，避免主系統(tǒng)(如中心計算機系統(tǒng)、大屏顯示系統(tǒng)等)受到電網電壓波動和負載變化的影響。特別是在開啟設備多、用電量大、易導致供電異常或突然斷電的情況下，為確保主系統(tǒng)和重要設備的正常、連續(xù)工作，并及時保存數(shù)據以防止數(shù)據丟失，UPS供電系統(tǒng)發(fā)揮著至關重要的作用。

各類指揮中心因工作特點、實際運用等不同需求，在系統(tǒng)組成和設備布局上，對UPS供電系統(tǒng)種類和建設方式有不同的要求。但因大型UPS供電使用范圍不普及，部分技術人員并不了解正確的UPS供電系統(tǒng)建設和使用保養(yǎng)方法。有些建設單位對如何根據自身裝備特性及使用需求來設計選用合理的UPS供電系統(tǒng)方案也不清楚。在實際工作中，UPS供電系統(tǒng)設計不合理、選型不科學、使用不規(guī)范等情況大量存在。

目前，基于建筑場所UPS供電方案的研究主要集中在大型數(shù)據中心。文獻[1]提出了數(shù)據中心機房UPS供電方案的關鍵思路。文獻[2]考慮到UPS供電效率低的問題，提出了綠色數(shù)據中心UPS模塊化設計方法。而在諸多文獻中，針對大型指揮中心如何科學、合理地建設供電系統(tǒng)鮮有涉及。因此，本文從電源選型、供電方式和容量計算等方面，對大型指揮中心UPS供電方案設計方法進行探討，并對使用、維護保養(yǎng)要求提出建議，以期給相關人員提供有益參考。

1 UPS種類與供電方式

1.1 UPS種類

依據工作原理，UPS可分為在線式、后備式和在線互動式三類[3-4]。

①在線式UPS。交流市電經過該類UPS的整流器變?yōu)橹绷麟?，再利用逆變器轉變?yōu)榉€(wěn)定的交流電后輸出。在此期間，其逆變器一直處于工作狀態(tài)。市電斷電時的切換時間為零，適用于對電源要求嚴格的場合，如數(shù)據中心和指揮中心等。

②后備式UPS。有市電時，該類UPS處于充電狀態(tài)，而逆變器不工作；當市電斷電時，其逆變器切換到工作狀態(tài)，切換時間一般小于10 ms。因其價格相對便宜，適用于對供電質量要求不高的場合，如個人、家庭用戶等。

③在線互動式UPS。有市電且輸入電壓正常時，該類UPS處于充電狀態(tài)；當市電電壓超出正常范圍時，由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后輸出；當市電斷電時，其逆變器切換至工作狀態(tài)。該類UPS的最大優(yōu)點是可以連接計算機，實現(xiàn)遠程控制和智能監(jiān)測，但動態(tài)性能不好且有切換時間，不適用于市電不穩(wěn)定的環(huán)境。

1.2 UPS供電方式

大型指揮中心配置有大量設備，根據用途通常劃分為多個分系統(tǒng)。各分系統(tǒng)設備通常部署在不同區(qū)域內。因此，在設計UPS供電方案時，需要考慮究竟是建設一套較大功率UPS供電系統(tǒng)為指揮中心所有設備供電，還是建設多套小型UPS供電系統(tǒng)為各分系統(tǒng)分別單獨供電。

(1)UPS分散供電方式。

分散式供電是當前較為普遍的一種供電方式，根據各分系統(tǒng)的用途分別配備合適的UPS。為節(jié)約成本、增加可靠性，可對供電質量要求高的主系統(tǒng)配備在線式UPS，而其他非重要設備配備后備式UPS[5]。其優(yōu)點如下。①可靠性高。當一個系統(tǒng)設備發(fā)生UPS故障，不會干擾其他系統(tǒng)設備的正常工作，以免因各分系統(tǒng)電源故障而相互影響。②有效避免UPS故障導致所有系統(tǒng)同時癱瘓的可能性。③前期投資建設不用考慮擴容的問題，避免設備和資源浪費。④線路敷設方便。

其缺點是：各分系統(tǒng)都需單獨設置設備UPS機房，占用較多的建筑面積；各分系統(tǒng)單獨用電，未進行綜合考慮，導致電源效率不高、浪費嚴重；UPS維護工作量大，使維護管理成本大大提高。

(2)UPS集中供電方式。

大型數(shù)據中心常采用UPS集中供電，用一套較大功率的UPS為所有系統(tǒng)設備供電。該供電方式方便管理和維護。但如果各系統(tǒng)設備部署在不同區(qū)域、距離較遠，則會增加布線難度。其優(yōu)點如下。①不需要為每個系統(tǒng)單獨設置UPS機房，節(jié)約建筑面積。②采用大功率UPS集中供電，可提高電源使用效率。③只有一套UPS，更容易實現(xiàn)1+1并機冗余，從而增加供電的可靠性。而分散供電難以對各個分系統(tǒng)冗余供電。④減少了UPS設備的采購成本、可以提高維護人員的工作效率、減輕勞動強度。

其缺點是：如果UPS出現(xiàn)故障，會使整個供電系統(tǒng)癱瘓；一個系統(tǒng)設備故障，可能會對其他供電系統(tǒng)產生影響；整體布線難度將會大大增加，線纜成本投入也會大大增加。

2 設計UPS系統(tǒng)方案時需考慮的因素

2.1 選擇UPS類型和供電方式

UPS的電源類型如表1所示。由表1可知，在線式UPS適用于要求長時間不間斷供電的場所。因此，對大型指揮中心而言，選擇在線式UPS更佳[6]。

表1 UPS的電源類型

由1.2節(jié)可知，大功率電源集中式供電抗負載波動能力強、可靠性高、可獨立進行調度和運營管理，檢修維護工作相對集中、方便。而分散式供電雖然減少了像大型UPS系統(tǒng)一次性巨額投資和容量長期閑置，但供電可靠性相對不高、設備維護檢查工作量大，因而更適用于小型低端指揮中心。因此，供電方式建議采用集中供電。

UPS供電為集中方式時，首先應當根據需求計算UPS的電源容量，并考慮所選UPS產品的轉換效率。轉換效率越高，節(jié)省初期投資和長期耗能的費用越多。除此之外，還應考慮大功率UPS機房的環(huán)境條件、設備布局和整個樓層的稱重范圍等。

2.2 UPS功率容量的計算

選擇合適的UPS容量十分重要。若容量過小、負載過大，會縮短電源壽命甚至損壞；若容量過大而負載太小，則會導致運行效率低、資金浪費。UPS容量應按總功率(即視在功率)選擇。UPS外側標有輸出功率，通常用有功功率P(kW)或者用視在功率S(kVA)表示。則有：

P=Scosφ

(1)

式中：cosφ為功率因數(shù)，通常cosφ取值0.8。

①負載容量的確定。

記錄UPS供電范圍內所有設備的有功功率，計算實際負載總和，并折算成視在功率[7]：

(2)

式中：Pi為各設備有功功率；∑Pi為實際負載的總和。

②UPS容量的計算。

UPS容量由實際負載容量、UPS轉換效率和裕量系數(shù)決定：

(3)

轉換效率是在輸入額定電壓、輸出額定負載時，輸出的有功功率與輸入有功功率之比。電源自身也是一個耗能器，因此轉換效率越高，損耗越小，越省電。在選擇UPS 品牌型號時，應著重考慮轉換效率這一指標。當裕量系數(shù)具有足夠可靠性時，其取決于設備的啟動容量。若機房長期無人值班且沒有感性負載，通常取值1.5～2；市電斷電后希望設備關機時間充足，則取值1.05～1.5。

2.3 UPS電源安裝環(huán)境要求

①環(huán)境條件。

UPS所處環(huán)境應做到干凈、通風、干燥且溫度適宜。干凈的環(huán)境能有效避免有害灰塵飄進主機內部，以免引起電路短路或器件腐蝕。標準使用溫度為25 ℃，濕度為50%，環(huán)境溫度盡量不要超過15～30 ℃。環(huán)境溫度長期過低會降低電源容量，過高將縮短電池壽命。UPS機房應通風散熱良好，條件允許時可配備空調。

②安裝條件。

UPS主機兩側、背部應與其他物品、墻面留有至少300 mm空隙，有利于主機散熱；前方應留有至少600 mm，以便維護人員維修保養(yǎng)。當選擇大功率、長延時UPS外接電池，需將樓層稱重問題納入考慮。根據《電子計算機場地通用規(guī)范》(GB/T 2887—2000)規(guī)定，空調設備、供電設備用房的樓板荷重應根據設備重量而定，一般應大于或等于1 000 kg/m2或采取加固措施[8]。通常采用增加承重面積或者減少壓強的方法，例如在機柜下增加承重散力支架或增加電池柜數(shù)量。

3 UPS使用維護保養(yǎng)要求

3.1 使用過程維護方法

①按要求開關機。日常對UPS開關機必須嚴格按照規(guī)定、要求執(zhí)行。開機時，應先給UPS供電，然后挨個閉合負載開關。應按照負載電流由大到小的順序，禁止同時打開負載，以防止負載在通電瞬間產生沖擊電流損壞電源。關機順序可以看作是開機順序的逆過程。同樣按照此順序逐個斷開負載開關，然后再關閉UPS，最后切斷市電[9]。

②合理控制開關機頻率。UPS開關機不要過于頻繁，關機后需至少等待6 s才能重新開機。若設備長時間不使用，可將其關閉。給不允許斷電的主系統(tǒng)、重要設備供電的UPS可以長期處于開機狀態(tài)。而為分指揮所、辦公室等階段性工作場所供電的UPS，在不使用時最好將其關閉。否則，一旦長時間停電且無值班人員時，UPS即使不帶負載也將持續(xù)工作，自身也會將蓄電池的能量消耗殆盡，增加故障幾率[10]。

③嚴格控制負載類型和荷載范圍。UPS禁止連接感性負載，如電動機和空調等。這是因為感性負載的啟動電流一般會大于額定電流的3～6倍，導致UPS瞬時超載。額外增加大功率負載應在電源容量允許的條件下，禁止UPS長期處于滿載或超載的狀態(tài)，避免電源內部器件發(fā)熱嚴重導致燒損；負載過小不僅運行效率低，還會造成電池放電不充分。因此，需嚴格按照實際負荷情況來判斷UPS容量，保證UPS負載的合理性。通常，UPS負載滿足額定功率的30%～80%即可。負載過大或過小都會對UPS產生危害，縮短壽命。實踐證明，輸出負載控制在額定容量的60%左右為最佳。

3.2 日常保養(yǎng)維護方法

①定期進行充放電。為保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定、不人為縮短電源壽命，對指揮中心內UPS進行經常性的正確維護保養(yǎng)是十分必要的。根據不同指揮中心運行情況，通常每2～3個月就要進行一次維護保養(yǎng)工作，即測試電池兩端電壓是否超出臨界值、電池內阻是否大于80 mΩ。如是，應該及時對其均衡充電或替換[11]。

如果市電長期不停電，則需要維護人員定期進行一次斷電，讓UPS帶負載放電。在放出電池容量的30%～40%后，再接入市電正常工作，并記錄放電日期。電池定期放電可以激活其充放電能力，延長實際壽命。每次放電之后需利用內部充電回路進行浮充。充電時間不得少于10～12小時，否則會造成電池實際容量變小。

②定期進行除塵和檢修。正常情況下，應每年對UPS主機進行除塵和器件檢查，以防止因灰塵堆積或者散熱片松動造成溫度過高而影響電源壽命。如機房環(huán)境較差可縮短至每半年檢修一次。檢修前先斷電。檢修內容包括：風扇運轉是否正常；主機內部接線接頭、接插件是否接觸牢固；板間的排線連接是否異常；器件是否發(fā)生燒焦變色；電解電容是否有漏液、膨脹現(xiàn)象。

3.3 UPS常見故障分析診斷

UPS在工作期間難免會發(fā)生各種各樣的故障。為確保指揮中心內供電系統(tǒng)穩(wěn)定運行，維護人員應根據故障現(xiàn)象及時進行排查、處理?，F(xiàn)將工作中一些較為常見的故障現(xiàn)象、原因及維修方法總結如下[12-13]。

①UPS輸出電壓為零，且自身未提示故障。其故障原因多為輸出電纜接觸不良。解決方法為：檢查電纜線是否接觸不良，并及時更換不良連接的電纜線。

②UPS無法啟動。其故障原因多為開關鍵按鍵時間過短或者UPS的輸入斷路器跳閘。解決方法為：按UPS開關鍵至少保持2 s，若能正常開關則表明無故障問題；減少UPS的負載，檢查輸入空開上是否接有漏電保護器，確認有無漏電、保護器是否誤動作。

③過載燈亮、旁路燈沒亮。其故障原因多為UPS負載過載。解決方法為：根據實際使用情況斷開部分負載。

④故障燈亮、過載燈沒亮。其故障原因多為電池或充電器故障。解決方法為：及時與 UPS的售后部聯(lián)系，返廠維修或更換電池。

⑤UPS工作期間電池放電時間不夠。其故障原因多為近期停過電或電池的使用壽命將盡，電池電力不足。解決方法為：對電池正常充電，如果電池組已用滿3～5年，可考慮更換電池。

4 結論

UPS是大型指揮中心關鍵核心系統(tǒng)裝備供電安全、穩(wěn)定運行的有效、可靠保障。因此，設計UPS供系統(tǒng)建設方案時必須充分考慮裝備特點、布局和供電要求，選用合適的UPS類型和功率，根據實際情況設計合理的供電方式；同時，要加強對UPS操管人員的培訓，掌握科學的UPS使用、維護保養(yǎng)方法，從而正確使用和延長UPS服役壽命，使其在保障重要任務中發(fā)揮更佳的作用效果。