成套供電系統(tǒng)概述

計算機機房的供配電系統(tǒng)是一個綜合性供配電系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中不僅要解決計算機設備的用電問題，還要解決其他設備的用電問題。系統(tǒng)方框圖如圖1。

圖1 ?UPS成套供電系統(tǒng)示意圖

大型機房動力供電系統(tǒng)一般有兩路市電輸入，其中市電1與后備電源(發(fā)電機組)經過ATS轉換系統(tǒng)轉換為一路電源輸出，送至低壓配電系統(tǒng)的自動切換裝置，從另一個變電站輸出的市電2直接送至輸該自動切換裝置。對兩路電源的自動切換裝置的輸出進行電源分配就是低壓配電系統(tǒng)，向各種交流380V或220V的負載供電，同時設置并聯(lián)型抗瞬態(tài)浪涌抑制器，對特殊負載可以通過串聯(lián)型抗瞬態(tài)浪涌抑制器進行保護；機房輸入配電是低壓配電系統(tǒng)的二級配電系統(tǒng)，除了對機房內的空調、照明、維修、風機等系統(tǒng)用電外，最重要的是給UPS電源系統(tǒng)提供交流輸入電源；最基本的UPS電源系統(tǒng)包括UPS電源主機和蓄電池組，由此進行并聯(lián)或串聯(lián)組合組成各種功能強大、可靠性極高、較為復雜的UPS電源系統(tǒng)，另外有部分UPS系統(tǒng)還配置外部維修旁路柜來方便維護工作；每一組UPS電源系統(tǒng)都會配置相應的輸出配電系統(tǒng)，將優(yōu)質的UPS 電源向各種計算機負載及外設、監(jiān)控、保安、緊急照明、智能網、服務器等系統(tǒng)供電，機房設備較多、數據中心較大時都可以使用二級輸出配電，在負荷較集中的局部或各個機房內設置輸出分電屏；還有一些特別重要的負載對供電系統(tǒng)的可靠性要求極高，可以用兩組UPS 電源系統(tǒng)分別輸出至盡量靠近設備點的靜態(tài)轉換開關，組成更為可靠的雙母線供電系統(tǒng)向負載供電。

2 UPS?供電系統(tǒng)及其外圍設備

UPS 成套供電系統(tǒng)由UPS 電源系統(tǒng)及其輔助設備和配套設備組成，本文分別進行介紹。UPS 成套供電系統(tǒng)主要包括電網和油機輸入系統(tǒng)、低壓配電和電源切換系統(tǒng)、機房輸入配電系統(tǒng)、UPS 電源系統(tǒng)、UPS 輸出總配電系統(tǒng)、UPS 輸出終端配電系統(tǒng)等幾大部分，圖2 為UPS 成套供電系統(tǒng)原理框圖。

圖2? UPS成套供電系統(tǒng)原理框圖

2.1 UPS 電源系統(tǒng)的輔助設備

獨立的大功率 UPS 電源機柜只有輔以適當的設備后，才能充分發(fā)揮其作用，為很多重要負荷提供可靠的電源。

2.1.1 輸入配電柜

計算機機房用電是從低壓配電系統(tǒng)饋電，進入輸入配電柜后進行配電，再提供給機房內的空調、新風機、排風機、UPS 電源負荷、照明、維修系統(tǒng)等。

輸入該配電柜的電源有多種方式，一般情況下為低壓配電系統(tǒng)饋出的一路電源輸入。當UPS 的主路和旁路輸入電源設置為同一路電源時，配電柜的輸入電源可以設計為兩路電源輸入，且這兩路輸入電源之間應當有切換裝置(手動切換或自動切換)連接和避免電源間短路的措施。這兩路電源可以是市電或油機電源。

輸入配電柜應當具有測量、指示、報警等功能，便于使用和維護；如果低壓配電系統(tǒng)饋電給計算機機房距離較遠時，配電柜的輸入端應當設置并聯(lián)型抗瞬態(tài)浪涌抑制器以保護設備和人身的安全。自動化管理程度較高的機房，還會要求輸入開關和饋電給重要負荷的開關的狀態(tài)、測量的電壓電流等信息進行監(jiān)控管理和遠程通信管理。

圖3 為輸入配電柜的原理和平面布局的一個典型的例子。

圖3 ?輸入配電柜的原理和平面布局圖

2.1.2 輸出配電柜

大功率 UPS 電源輸出容量大，負荷種類和數量多，需要將輸出開關Q5 輸出的電源進行再次分配，其主要負荷有計算機主機、外設、終端、監(jiān)控系統(tǒng)、事故照明、保安系統(tǒng)等。

2.1.2.1 輸出總配電屏

一般情況下，特大容量的單機 UPS 或多臺并機系統(tǒng)的輸出容量都較大，且系統(tǒng)的負載容量和種類也較多。此時可以設立UPS 電源輸出總配電柜，每臺UPS電源輸出到總配電柜中各自獨立的開關，再從總配電柜的輸出饋電開關通過分配電屏向負載供電。

該配電柜應當具有測量、指示、報警等功能，便于使用和維護。自動化管理程度較高的機房，還會要求對各輸入開關和饋電給重要負荷的開關的狀態(tài)、測量的電壓電流等信息進行監(jiān)控管理和遠程通信管理。

2.1.2.2 輸出分配電屏

分配電柜放置在負荷較集中的位置，其電源從總配電屏提供，再配電給附近的容量較小、數量較多的負載。負載種類一般有設備間插座、終端間插座、網絡配線間插座、網絡實驗室插座、辦公室插座、UPS 室插座、語音室用電、配線間用電、事故照明用電等。饋電開關容量一般為6A~32A，極數有1~4 極。

該配電柜一般不具有測量、指示、報警等功能。

圖4 為輸出配電柜的原理和平面布局的一個典型的例子。

圖4 ?輸出配電柜的原理和平面布局圖

2.1.3 旁路隔離變壓器

負載設備對零線與地線之間的電壓有特殊要求時，可以選擇適當的旁路隔離變壓器，形成旁路電源與負載之間的電流隔離。在電源系統(tǒng)中選擇適當的接地方式，可以實現(xiàn)零線與地線之間的電壓<1V，滿足部分服務器、微波設備等特殊負載的接地要求。

選擇旁路隔離變壓器的容量有兩種方式。一種是依據負荷容量選擇，該種方式選擇的變壓器容量較小、經濟一些，但沒有擴容的余量；另一種是依據UPS電源系統(tǒng)額定輸出容量選擇，變壓器容量較大、價格較高，但系統(tǒng)擴容方便。

2.1.4 維修旁路柜

大功率 UPS 電源多臺并聯(lián)輸出的電流匯接設備主要有自動維修旁路柜和手動維護旁路等裝置。多臺大功率UPS電源在旁路柜并聯(lián)匯接后通過開關輸出給負載。當大功率UPS電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，通過維修旁路向負載供電，實現(xiàn)不停電維護。

正常情況下，并機系統(tǒng)的多臺UPS從輸入配電柜中各自對應的饋電開關取電，輸出至輸出配電柜中各自的輸入斷路器，將優(yōu)質的UPS電源并聯(lián)后再饋電給負荷。當主路電源、整流充電器、逆變器或蓄電池組等出現(xiàn)異常，引起逆變器停機，導致UPS系統(tǒng)不能給負載供電，或者系統(tǒng)需要進行測試和大修時，可以通過系統(tǒng)維修旁路柜的手動維修開關向負載饋電，對系統(tǒng)進行不停電維護。

維修旁路柜的輸入電源可以從輸入配電柜取電，也可以由不同的市電提供，其輸出直接并聯(lián)到輸出配電柜的UPS電源并聯(lián)母線上。使用中應當引起注意的是：該柜中的維修旁路開關在系統(tǒng)正常運行時不能閉合。

該柜應當具有測量、指示、報警等功能，便于使用和維護。自動化管理程度較高的機房，還會要求對維修開關的狀態(tài)、測量的電壓電流等信息進行監(jiān)控和遠程通信管理。

2.1.5 蓄電池組

2.1.5.1 蓄電池組容量

依據額定負荷容量計算出放電電流值，根據該電流值及用戶需求后備時間的不同選擇合適的電池容量。電池的規(guī)格種類較多，我司推薦使用蓄電池組為30節(jié)12V 單體電池串聯(lián)，單體容量可以選擇為38Ah、65Ah和100Ah。蓄電池容量在100～300Ah時，建議選用多組相同品牌相同容量的蓄電池組并聯(lián)；蓄電池容量超過300Ah時，選用2V單體電池組成。

表 1 中蓄電池組容量數據為額定輸出滿載配置時的要求，實際運行中可以依據負載率和后備時間的要求在70%~100%容量范圍內選配蓄電池組。

表 1 UPS 單機系統(tǒng)蓄電池容量選擇和配置(Ah，25℃)

2.1.5.2電池柜

如某廠商UL33系列UPS電源系統(tǒng)配套的電池柜有UF-B0100-30和UF-B0065-30 兩種，結構參數如表 2 所示。電池柜裝滿蓄電池后較重，因此應合理選擇支撐架和地板承重能力。

表2 電池柜結構參數

2.2 UPS 電源系統(tǒng)的配套設備

2.2.1 輸入電源系統(tǒng)

UPS 電源系統(tǒng)的輸入交流電源一般有兩路市電和一路油機電源。主供電的市電與油機電源通過具有零線先合后斷功能的自動切換開關ATS轉換為一路電源輸出至低壓配電系統(tǒng)；另一路市電依據負載等級情況可以在低壓配電系統(tǒng)的切換裝置前輸入作為全部負載的熱備份電源，也可以在機房輸入配電柜處經過自動切換輸入，作為輸入計算機機房負載的熱備份電源，甚至作為UPS系統(tǒng)的旁路電源直接輸入到旁路電源輸入配電柜。較為典型的電源輸入系統(tǒng)切換方式原理圖間圖5。

圖5 電源輸入切換原理圖

2.2.2 低壓配電系統(tǒng)

經過自動切換開關 ATS 轉換輸出的一路電源與另一路市電都將同時送入低壓配電系統(tǒng)的自動切換單元，將兩路市電轉換為一路輸出至饋電母線上，另一路處于熱備份狀態(tài)。對兩路電源的自動切換裝置的輸出進行電源分配就是低壓配電系統(tǒng)，向各種交流380V或220V的負載供電，同時設置并聯(lián)型抗瞬態(tài)浪涌抑制器，對特殊負載可以通過串聯(lián)型抗瞬態(tài)浪涌抑制器進行保護；低壓配電系統(tǒng)將母線電源在總配電柜中分配給配電開關，向空調、水泵、照明、非主要負載等負荷較集中、容量較大的用電單元饋電；同時供給下一級配電柜，向計算機機房等專用的、特殊的用電設備進行再饋電。圖6 所示為較為常用的兩路市電的自動切換原理及其指示檢測單元原理圖。

圖6 兩路電源自動切換及其檢測原理圖

2.2.3 動力環(huán)境監(jiān)控

計算機房監(jiān)控系統(tǒng)包括通信局(站)的全部通信電源設備和生產專用空調設備、機房環(huán)境設備等。

2.2.3.1 動力設備監(jiān)控

系統(tǒng)可管理交直流供電系統(tǒng)以及變換設備如高壓配電設備、電壓配電設備、自備發(fā)電機組、UPS、整流設備、蓄電池組、逆變器、避雷器等。監(jiān)控系統(tǒng)的電流、電壓、頻率、功率等參數及運行狀態(tài)、故障報警、控制相關設備的啟停。

各種設備可能需要監(jiān)控的信號如下：

高壓配電設備：

【進線柜】

遙測：三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率；

遙信：開關狀態(tài)、過流、速斷、接地、失壓、跳閘報警；

【出線柜】

遙信：開關狀態(tài)、過流[速斷][接地][失壓]跳閘報警、變壓器過溫[瓦斯]報警；

【變壓器】

遙測：溫度

【母聯(lián)柜】

遙信：開關狀態(tài)、過流[速斷]跳閘報警

【直流操作電源柜】

遙測：電壓

遙信：故障報警

低壓配電設備：

【進線柜】

遙測：三相電壓、三相電流、頻率、功率因數；

遙信：開關狀態(tài)、缺相[速斷][接地][失壓]跳閘報警；

遙控：開關分合閘

【主要配電柜】

遙信：開關狀態(tài)、自動轉換開關(AST)工作狀態(tài)；

遙控：開關分合閘、自動轉換開關(AST)的轉換；

【出線柜】

遙測：輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流；

遙信：故障報警；

【電容器柜】

遙信：補償電容器工作狀態(tài)(接入或斷開)；

柴油發(fā)電機組：

遙測：三相電壓、三相電流、輸出功率、輸出頻率、水溫、油壓、啟動電池電壓；

遙信：工作狀態(tài)(運行/停機)、工作方式(自動/手動)、自動轉換開關(AST)狀態(tài)、過壓(欠壓)(過載)(油溫低)(水溫高)(轉速高)(啟動失敗)(啟動電池電壓低)(油位低)報警；

遙控：開/關機、緊急停機、AST 轉換；

整流配電設備：

【交流屏】

遙測：輸入電壓、輸入電流；

遙信：主要開關的開關狀態(tài)、故障報警；

【整流器】

遙測：各整流器(模塊)工作狀態(tài)、浮充/均充狀態(tài)，各整流器故障、監(jiān)控模塊故障告警；

【直流屏】

遙測：直流輸出電壓、直流輸出電流；

遙信：直流輸出過壓(欠壓)報警、熔絲斷報警；

【蓄電池】

遙測：每只蓄電池電壓、蓄電池組充放電電流、標示電池溫度；

不間斷電源：

遙測：交流輸入電壓、直流輸入電壓，標示蓄電池放電電壓低、輸入故障、整流器故障、逆變器故障、旁路故障等報警；

逆變器：

遙測：直流輸入電壓、直流輸入電流、交流輸出電壓、交流輸出電流、輸出頻

率；

遙信：故障報警；

直流-直流變換器：

遙測：輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流；

遙信：故障報警

太陽能供電系統(tǒng)：

遙測：輸出電壓、輸出電流、蓄電池充放電電流；

遙信：太陽能方陣工作狀態(tài)(投入或撤除)、輸出過壓/欠壓報警、控制器報警

避雷系統(tǒng)設備；

遙信：避雷系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)、故障報警；

空調設備：

系統(tǒng)可檢測中央空調、專用空調及分體空調等設備的運行狀態(tài)、故障報警，控制相關設備自動切換，保持機房正常的溫、濕度。

分散空調系統(tǒng)：

遙測：主機工作電流、回風溫度、回風濕度；

遙信：開/關機狀態(tài)、高/低溫、高/低濕、過濾器堵塞、電壓電壓高/低報警；

遙控：開/關機、溫度/濕度設定；

集中空調設備：

【冷凍系統(tǒng)】

遙測：冷凍水進/出水溫度、冷卻水進/出水溫度，冷凍機工作電壓、冷凍水泵工作電流、冷卻水泵工作電流；

【空調系統(tǒng)】

遙測：回風溫度、回風濕度、新風溫度、送風溫度、送風濕度；

遙信：風機工作狀態(tài)和故障報警、過濾器阻塞報警；

遙控：開/關風機；

【配電柜】

遙測：輸入電壓、輸入電流；

遙信：輸入電壓過高/過低報警；

環(huán)境設備：

系統(tǒng)可監(jiān)測環(huán)境溫濕度、水浸、消防、門禁、CCTV等系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障報警，控制相關設備的啟停，保障機房正常的運行環(huán)境。

【環(huán)境溫濕度】

遙測：機房內環(huán)境溫度、濕度

【水浸系統(tǒng)】

遙測：水浸發(fā)生的具體位置

遙信：報警信號

遙控：控制開關設備的啟停

【消防系統(tǒng)】

遙信：煙感、溫感、火災報警；

遙控：開/關通風設備、啟停其他相關設備；

【保安系統(tǒng)】

遙信：門禁系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)和 CCTV 系統(tǒng)的報警信號；

遙控：控制相關設備的啟停

監(jiān)控系統(tǒng)：

以上各種設備的信息均可以通過動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) PSMS 進行集中監(jiān)控，方便用戶的維護、使用合管理。

2.3 成套系統(tǒng)的設計

大功率 UPS不只是獨立的設備，用戶需要完備的系統(tǒng)解決方案。成套系統(tǒng)設計時不但要正確選擇 UPS電源主機系統(tǒng)，還要選擇各種配套設備。

低壓配電系統(tǒng)依據負載容量不同，設計方案有較大的差別，總輸出容量從幾百安培至幾千安培，這里不作介紹。

UPS 單機系統(tǒng)外部配電包括輸入配電和輸出配電兩部分。輸入配電柜斷路器容量(對主路及旁路輸入均適用)、輸出配電柜總斷路器容量見表3。

UPS并機系統(tǒng)外部配電也包括輸入配電和輸出配電兩部分。每臺UPS的蓄電池組應為獨立的電池組，不得使用共用電池組。建議在輸出配電柜上為每臺UPS的輸出配置一個開關，以便在維護時斷開UPS輸出。輸出配電柜總輸入開關容量需要依據冗余或備份的方式和期望輸出的最大容量靈活選擇，表5中推薦了并機系統(tǒng)外部總輸出配電開關容量。

表5 并機系統(tǒng)外部輸出配電參數

2.4 接地方式

UPS 系統(tǒng)主路輸入無中線，旁路和輸出有中線且在UPS內部有電氣連接。防雷地PE 和機柜保護地在機柜內已經連接，用戶可以依據不同的接地要求取舍該連接電纜，一般情況下分開連接的方式對人身安全更好、二者合一則對設備保護更優(yōu)。在計算機機房電源輸入端設置有C級防雷時應當選擇機柜安全保護地與防雷地合二為一的連接方式。

依據《建筑防雷設計規(guī)范》的規(guī)定，計算機機房接地方式有TN、TT、IT 三種型式，其中TN 方式又分為TN-C、TN-S、TN-C-S等三種型式。IT方式一般不用于UPS 的接地。各種接地系統(tǒng)的特點如下：

TN-C系統(tǒng)的特點：在全電源系統(tǒng)內N 線和PE線是合為一根線；

TN-S系統(tǒng)的特點：在全電源系統(tǒng)內N 線和PE線是分開的；

TN-C-S系統(tǒng)的特點：在全電源系統(tǒng)內，僅在前一部分N 線和PE 線合為一根線；

TT 系統(tǒng)的特點：在全電源系統(tǒng)內，各裝置外露導電部分有其單獨的直接接地極，與電源接地無關。

IT 系統(tǒng)的特點：在全電源系統(tǒng)內，電源與地隔離或一點經阻抗與地連接；各裝

置外露導電部分有其單獨的直接接地極。

2.4.1 TN-C 接地方式

圖7示出了UPS電源在TN-C系統(tǒng)中的接地方法。只要在UPS機柜處將中線與保護地線和PE 線短接在一起，然后用規(guī)定的接地電纜連接至綜合接地網，就實現(xiàn)了TN-C 的接地連接。此種方式適合于UPS旁路輸入電源通過隔離變壓器輸入且要求零地電壓小于1V 時。

圖 7? TN-C 接地方式

2.4.2? TN-S接地方式

圖 8示出了UPS系統(tǒng)在TN-S系統(tǒng)中的接地方法。在UPS 機柜處不能將中線與保護地線和PE線短接在一起，用規(guī)定的接地電纜將短接的保護地線和PE線連接至綜合接地網，即可以實現(xiàn) TN-C 的接地連接。

圖8 TN-S 接地方式

2.4.3 TN-C-S 接地方式

圖 9 示出了UPS 系統(tǒng)在TN-C-S 系統(tǒng)中的接地方法。如果將UPS電源的主路輸入和旁路輸入看成兩臺獨立的設備，則TN-C 的連接方式就是一種TN-C-S 的方式。當然也可以在并機系統(tǒng)中將各臺UPS 電源采用TN-C 和TN-S 的不同接法而實現(xiàn)TN-C-S的接地連接，其中UPS1 為TN-C 的連接方式，UPS2 的Bypass 電源為TN-S的連接方式。

圖9 TN-C-S 接地方式

2.4.4 TT 接地方式

圖 10 示出UPS 在TT 系統(tǒng)中的接地方法。每臺UPS電源的接地端子均接至與電源端或機房綜合接地網分隔的接地系統(tǒng)，就形成了重復接地系統(tǒng)，實現(xiàn)TT 接地方式。