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UPS电源的可靠性

从单个UPS的设计来说，可以把整个产品按照模块进行划分，下面图中是一个典型的UPS系统结构图

从图中可以看到，UPS各个模块之间的依赖关系比较复杂，但是还是可以分出串并联的关系如下

辅助电源与所有其他模块都是串联的，因此辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的较高可用性等级；

控制模块与除辅助电源之外的其他模块也都是串联的，因此控制模块的可用性也会直接影响到系统总体可用性设计；

对于负载端来说，能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块，而这两个模块是并联的；

PFC/整流模块与电池升压模块是并联的，之后再与逆变模块串联；

从能源提供者来讲，这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源，而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储，实际上也无法实现正常的UPS功能，因此市电-充电模块-电池也是串联的。这样可以画出整个UPS系统的可用性串并联路径图

从这一路径关系里可以看到，总共存在3条并联的路径，而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样，辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的，因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有较多的模块数量，也是可用性较低的一条路径。

要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点，如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案：一种是改进设计，提升MTBF;一种是对辅助电源也适用并联冗余设计，提升可用性；再一种是对UPS的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源，相当于把原来完全串联的路径改成并联。在UPS设计中可以混合使用这几种方式，由于上面三条可用性通路是并联的，而旁路通路本身是可用性较高的一条，因此较为推荐的设计就是**提升旁路的可用性，对旁路单独使用一套辅助电源供电，并且这套电源的尽量采用简单的设计，以拥有高的MTBF。

控制模块同样也是影响到所有路径的关键点，也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法，也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块，并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样，旁路上的控制模块也要尽量简单，以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测UPS主控制模块的状态，如果发现主控制模块，则自动切换到旁路方式。此外，对于主控制模块来说也可以通过冗余的方式来提升可用性，比如采用双MCU结构，当一个MCU检测到另外一个MCU发生故障时可以接管另一个MCU的功能，或者采取紧急措施如转旁路来保证负载不断电。

对于UPS来说，电池是保证UPS能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键，但是串联环节较多，也恰恰是可用性较为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要**过0.15CC,这就意味着电池在UPS满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满，从这个意义上讲其可用性一般都在20%以下。但是由于电池并不是连续工作的，只要在电池放完前市电恢复，在重新充电的过程中也没有再发生断电，那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看，电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是很高的。

再重新来审视电池回路的可靠性，在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回，导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作，因此如果能够及时对充电器的状态进行监控，在发现充电器异常时及时报警，就能够避免充电器故障带来的问题，从而提升整个UPS的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题，但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换，也能够有效提升UPS的可用性。

UPS系统的可靠性

使用UPS电源系统时，不仅要定期对各主要元件进行检查，还要对UPS电池组的各个电池单元端电压与内阻进行检测。若发现其电池组的某个电池单元的端电压差值>0.4 V或者内阻>0.08Ω的时候，就应该断开工作异常的电池单元与电池组的连接导线，使用外置的独立充电器对工作异常的电池单元进行单独充电，将其充电电压（对12V蓄电池而言）保持在13.5~13.8 V之间，充电时间控制在10~12h.需要注意的是，UPS电源在使用过程中，电池组内的各个电池单元的充电会不一致，可能产生电池单元端电压以及电池内阻的不平衡。这些是无法依靠UPS电源系统内部充电回路对其充电而得到消除和校正的，若不及时对不平衡电池单元进行脱机均衡充电的话，可能导致上述问题更加严重。

为了解决这一瓶颈，可以在UPS系统中加入一个特性和电池互补的备用电源：在市电断电时的不需要很快反应，但是在长时间停电条件下能够持续提供电力，燃油发电机组就是较为合适的一个选择。因此在UPS系统配置上可以加入一个自动切换装置，在市电停电后切换到发电机组。这样一来能够较大的提升长时间断电条件下UPS系统的可用性。如此则UPS系统的可用性路径就成为

虽然在可用性路径里面多串联了一个市电与发电机切换用的ATS，增加了单调路径发生故障的概率，但是相对长时间断电带来的可用性问题来说还是值得的。

在UPS应用的另外一个分支是目前正在兴起的直流UPS系统。直流系统的思路是出于提高效率的目的，减少电源系统中间的转换环节，电力分配部分由原来的交流转换成直流。一个理想的直流UPS系统服务器应用从市电到12V终端的应用结构见下图。

可以看出，理想的直流UPS系统由于把交流系统中UPS的逆变环节与服务器电源中的PFC环节使用一个隔离型DC/DC环节来取代，从而可以改善效率。不过在直流UPS系统里面由于电池电压的变动范围是比较大的，为了取得更优化的效率曲线，在后级的服务器电源中也有可能使用两级结构。也就是通过一个简单的转换，减小服务器电源隔离DC/DC转换级的输入范围，以得到更好的节能效果。此时的结构见下图

在这种直流UPS体系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一个市电到电池回路，这个回路也兼有充电器的作用。因此从单个UPS的可用靠性角度考虑，直流UPS可靠性链路只有两条，其中一条是两级变换加上辅助电源与控制板，另外一条是电池，见下图所示

与交流UPS相比，直流UPS供电少了交流UPS的旁路回路，少了一个提升可用性的回路。但是电池是直接给负载供电的，可用性要**交流UPS。因此在可用性的方面直流供电系统有得有失。但是另一个方面直流系统比交流UPS更*进行并联，从而可以利用增加并联台数的方式增加可用性。

配电系统的可用性

对于一般的UPS系统应用来说，存在两种常见的配置方式，一种是双机热备份，见下图所示

这种配置方式下两台UPS是完全并联工作的。基于前面可用性的原理，*二种配置方式比**种会有更高的可用性。

这里就反映了可用性与可靠性的一个明显不同。对于两台并联冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出现故障的概率也会增高，因此从统计意义上来讲整个系统的MTBF会下降。但是由于其中一台出现故障之后仍然有一台在工作，只要出故障的UPS能够很快修复，负载就仍然处在有效的保护之中，可用性是提升的。从负载的角度衡量，评估系统的可用性比可靠性更加有意义。

在可用性的定义中，电源系统恢复的时间越短，则可用性也会越好。因此把电源系统设计为模块化易更换的结构，可以大大减小维护时间，从而使得可用性显着改善。

对于机房应用的场合，双总线的概念应用十分广泛。对于关键的服务器负载，一般都提供两组电源输入。相应的，在配电部分就也可以对应采用两组独立的电源总线。结合UPS本身就支持双总线输入，实际上可以构造出很多种组合形式。对不同方式进行比较后，比较推荐的一种典型的结构见下图所示

这里把两组独立市电都供给两套UPS系统，然后每一套UPS系统作为一条总线来使用，可以充分发挥市电双总线，UPS内部双总线以及负载双总线高可用性的优势。

免维护铅酸蓄电池的使用与维护

近年来,随着电力系统两网改造的深入,使用开关电源技术制造的高频开关电源和免维护铅酸蓄电池有了较广泛的应用。但由于运行经验不足,对直流电源尤其是蓄电池的维护不到位,使得直流电源的可靠性得不到有效保证。

1 存在问题

2001年8月,系统某110kV变电所发生火灾,高压室严重烧毁。事后调查发现,当交流失压后,二次系统失去电源,保护装置无法动作,后经检查直流电源系统,发现有8只蓄电池的端电压几乎为零,这8只蓄电池内阻很大,直流无法输出,使事故扩大。

直流电源装置中的关键设备是蓄电池组,事故暴露出运行人员在直流电源,尤其是蓄电池维护方面知识的欠缺,错误地认为免维护蓄电池就不必维护,因而没有定期对蓄电池进行均衡充电,使电池一直工作在浮充状态,单体电池的电压和容量出现的不平衡现象没有得到及时处理,致使电池损坏,直流装置如同虚设。

2 免维护蓄电池的含义

阀控式铅酸蓄电池的主要优点是在充电时正极板上产生的氧气,通过再化合反应在负极板上还原成水,使用时在规定浮充寿命期内不必加水维护,所以又称为免维护铅酸蓄电池。可见,免维护只是与普通蓄电池相比,运行中免去了添加纯水或蒸馏水,调整电解液液面的项目,并非免去一切维护工作。

3 使用与维护

开关电源运行正常与否,蓄电池使用年限长短,主要取决于以下几个因素。

3.1 直流系统监视范围

在运行中,值班员应主要监视蓄电池组的端电压值,浮充电流值,每只蓄电池的电压值、蓄电池组及直流母线的对地电阻和绝缘状态。

3.2 蓄电池的充放电

蓄电池一般应在5℃~35℃范围内进行充电,低于5℃或**35℃都会降低寿命,充电的设定电压应在*范围内,如**出*范围将造成蓄电池损坏、容量降低、寿命缩短。

(1)初充电:蓄电池在安装或大修后的**次充电,称为初充电。初充电是否良好,将严重影响蓄电池的寿命。这个过程一般由生产厂家在出厂前完成。(2)浮充充电:为了确保直流电源不间断,延长蓄电池的使用寿命,通常都采用充电电源与蓄电池组并联的浮充供电方式。

(3)均衡充电:在正常运行状态下的电池组,通常不需要均衡充电。但如果发现电池组中单体电池之间电压不均衡时,则应对电池组进行均衡充电。

(4)补充充电:电池在存放、运输、安装过程中,会因自放电而失去部分容量。因此,在安装后投入使用前,应根据电池的开路电压判断电池的剩余容量,然后采用不同的方法对蓄电池进行补充充电。对备用搁置的蓄电池,每3个月应进行一次补充充电。

3.3 使用与维护

(1)蓄电池每年应以实际负荷做一次放电放电应保持电流稳定,放出额定容量的30%左右(以0.1C放电3小时),放电每小时应测一次单体电池及电池组电压、放电电流、温度等,放电后应进行均衡充电然后转浮充进行。

(2)每月应测一次电池单体电压及终端电压,检查外观有无异常变形和发热,并保持完整运行记录。

(3)每年应检查一次连接导线是否牢固,是否有腐蚀、松动应拧紧至规定扭距,腐蚀应及时更换;

(4)不要单独增加或减少电池组中几个单体电池的负荷,这将造成单体电池容量的不平衡和充电的不均一性,降低电池的使用寿命。

3.4 常见故障及处理

(1)蓄电池壳体异常。造成原因有:充电电流过大,单只电池充电电压**过了2.4V,内部有短路或局部放电、温升**标、阀控失灵。处理方法:减小充电电流,降低充电电压,检查安全阀体是否堵死。

(2)运行中浮充电压正常,但一放电,电压很快就下降到终止电压值原因是蓄电池内部失水干涸、电解物质变质。此时应通知厂家更换电池。