方案總述
電力操作電源是為電力系統中控制和保護設備提供獨立電源的設備。同時，一些重要的動力負荷電源，如保證發電機組，大型廠用電設備起停的潤滑油泵電源系統，氫密封油電系統電源，主要的熱工動力電源，以及UPS不間斷電源和事故照明電源系統等，由于安全性和可靠性要求極高，需要采用與控制電源系統同等可靠的直流電源系統供電。因此，電力系統直流操作電源對于可靠性的要求極高。無論是大型樞紐變電站，中小型變電站站，還是核電站，水、火力發電廠等，均要求直流供電系統的高可靠性。通過對電源系統的的合理設計，各分立部件的可靠性保證及協同工作，以及冗余配置方案，可以滿足電力系統對于直流操作電源系統的高可靠性要求。
解決方案
電廠是一個自動化程度很高的特殊生產企業，自動化的生產設備依賴于供電系統的安全、穩定運行。在現代化的發電廠中，大容量機組發電機的DCS控制系統，包括各種熱工自動裝置，如自動調節用組裝儀表、汽輪機電液數字調節裝置、鍋爐聯鎖及安全監察系統FSSS、汽機監視儀表（TSI）、協調控制系統（CCS）等，都需要有一個可靠的電源，該電源要求無論在機組本身廠用電中斷還是電網故障時，都不應中斷供電，這就要求大容量機組中不但有可以使機組安全停機的事故保安電源，而且要求有一個為控制、監視裝置及事故后狀態參數記錄裝置提供高供電品質且不間斷供電的交流不停電電源。
1、DCS系統電源保護方案：
市面上電力專用電源采用冗余供電系統，針對電力系統應用負載及環境，運用先進技術制造的工業級交流保護電源，能夠充分滿足電力DCS系統等負載對供電可靠性的要求。
方案的優點：
1） 為電力行業量身定制的專業型UPS，適應電力行業內部的惡劣電網環境，既滿足了電力行業的負載需求，又可以讓用戶不必再為負載的三相不平衡而煩惱。
2） 1+1冗余并聯的工作方式，讓本來已經很可靠的供電系統再增加一把安全鎖，滿足電力行業用戶對UPS高可靠性指標的極限需要。
3） 充分利用電力行業的220V/110V大容量電池組，可最大限度的延長UPS的后備時間，并節省電池組的安裝空間和前期投資。
4） 選配旁路隔離變壓器，實現輸入與輸出的完全隔離，并可保證輸出的零地電壓<1V。
5） 豐富的干接點監控信號，可納入電廠自身的DCS監控系統；出現問題，及時上報，便于值班人員對UPS的實時監控
大型數據中心的基礎設施系統主要分電源、環境控制和機房監控管理系統。由于大型數據中心承載企業、集團、機構的核心業務，重要性高，不允許業務中斷。因而大型數據中心一般根據TIA942標準的Tier4標準建設，可靠性要求99.99999%以上，以保證異常故障和正常維護情況下，數據中心正常工作，核心業務不受影響。
1、電源系統，通常選用多路市電源互為備份，并且機房設有專用柴油發電機系統作為備用電源系統，市電電源間、市電電源和柴油發電機間通過ATS（自動切換開關）進行切換，為數據中心內UPS（不間斷供電電源）、機房空調、照明等設備供電。由于大型數據中心業務重要性，通常采用雙母線的供電方案供電，滿足大型數據中心服務器等IT設備高可靠性用電要求。雙母線供電系統，有兩套獨立UPS供電系統（包含UPS配電系統），在任一套供電母線（供電系統）需要維護或故障等無法正常供電的情況下，另一套供電母線仍能承擔所有負載，保證機房業務供電，確保數據中心業務不受影響。在UPS輸出到服務器等IT設備輸入間，選用SPM（服務器電源管理器）進行電源分配和供電管理，實現對每臺機柜用電監控管理，提高供電系統的可靠性和易管理性。對于雙路電源的服務器等IT設備，直接從雙母線供電系統的兩套母線引人電源，即可保證其用電高可靠性。對于單路電源的服務器等IT設備，通常選用STS（靜態切換開關）為其選擇切換一套供電母線供電。在供電母線無法正常供電時，STS將自動快速切換到另一套供電正常的母線供電，確保服務器等IT設備的可靠用電。
2、環境控制系統，通常選用機房精密空調對數據中心的環境調節，確保服務器等IT設備的運行環境。對于發熱量大的服務器等IT設備，通常選用高通孔率（一般大于70%）網孔門的機柜，提高機柜進出風量；將機柜面對面、背對背布置，在機房內形成冷熱隔離的風道，提高制冷效率；空調采用下送風方式，確保機房送風均勻，提高制冷效率。
在某些功率密度特別高場合（發熱量超過5kw/機柜），往往容易產生局部熱點，形成故障隱患。為消除局部熱點，需要采用相應的高熱密度解決方案，如開放式方案即為在局部熱點發生處加裝制冷終端XD，加強局部制冷能力，以消除局部熱點；封閉式方案即為高功率密度設備放置在封閉機柜內，通過機柜內制冷循環，高效率制冷散熱。
3、機房監控管理系統，大型數據中心需要對電源、空調等設備運行狀態進行管理，同時還需要對機房內環境，如溫濕度、漏水、煙感等參量進行監控，確保數據中心工作在一個正常的范圍之內。并對數據中心設備運行參數和環境量實時監控和管理，同時遠程監控和管理，實現機房無人值守。
ups電源
基本組成及作用
一般UPS電源，主要由充電器(CHARGER)、逆變器(INVERTER)、靜態開關(SYATICSWITCH)、蓄電池(BATTERY)4大部分和控制部分組成。
UPS電源各部分功能簡述如下：
1.充電器的作用
從主電源吸收能量，經過橋式可控硅整流電路、阻容濾波電路，產生直流電，并將直流電提供給蓄電池和逆變器。
2.逆變器的主要作用
將充電器或蓄電池送來的直流電轉變成交流電輸出。有的也稱逆變器為DC/AC變流器，它是UPS電源的核心部件，逆變器性能的好壞，對UPS電源輸出波形、效率、可靠性、瞬態響應、噪聲、體積、重量等方面有著決定性的影響。一臺UPS電源性能好壞，主要是由逆變器的性能來決定的。
3.靜態開關的主要作用
靜態開關主要作用是保證UPS電源系統不間斷供電。當UPS電源正常供電時，逆變器輸出交流電作為計算機設備的主要電源(或者由市電經穩壓器后直接供計算機用電)。在下列情況出現時:
①當計算機設備起動或發生浪涌超負載;
②當逆變器發生故障。
通過電壓檢測信號，靜態開關迅速將負載由逆變器供電轉移到市電供電。一旦恢復正常，經檢測市電與逆變器電壓同步、同頻時，又轉為逆變器供電。靜態開關，就是完成轉換并保證轉換可靠、不間斷供電的關鍵設備。
4.蓄電池的主要作用
蓄電池是儲存電能的裝置。在正常供電時，直流電源對蓄電池進行充電。它將電能轉換成化學能貯存起來。當市電中斷時，UPS電源將依靠儲存在蓄電池中的能量輸出直流電，維持逆變器的正常工作。即將化學能轉換成電能，供逆變器使用。
5.控制部分的主要作用控制部分在UPS電源中起著十分重要的作用。通過合理的控制，使UPS電源按設計要求給計算機提供穩定可靠的電能
監控系統
總控站（后臺）
由監控站、工程維護站、系統接口等構成，運用管理分析軟件處理接收的數據并通過Web發布。工程維護人員登錄服務器可查看全廠所有在線設備的運行狀態以及完善的歷史、實時數據分析統計。
設備控制站
根據現場設備需要，可選擇監控功能儀或設備運行狀態信息采集儀（EII）。EII通過RS-232/485端口與電能表、電池采集模塊、直流屏、UPS等智能設備通信，將監測數據轉換為符合通信協議的數據包，接入局域網，傳送至主控室服務器。獨立完整的ES包括以下部分：
系統主機：由下行串口通道、數據處理器、顯示器、上行串口通道組成。下行串口通道通過RS-485總線訪問電池電壓采集模塊，采集數據，管理電壓采集模塊，數據處理器完成數據解壓、數據計算、存儲管理，將處理后的數據一部分送往顯示器，另一部分由上行串口通道發送至協議處理器，或傳給上一層管理系統。
數據采集組：可根據用戶需要確定采集數據要求及配置相應采集儀器，一般由電池電壓采集模塊、電流、溫度、功率等組成，模塊間隔離良好、絕緣性強，可靠性、安全性高。數據采集可分組，每個模塊可對一定數量電池進行電壓采集，可配備電流、溫度傳感器，模塊間與系統主機一般采用RS-485連接。
協議處理器：具有協議處理程序的接口板，處理各種通信協議�？蓪崿F：①將主機發送的電池電壓、電流、溫度等信息按約定協議編碼、打包、發送至遠程服務器;②將遠程服務器發出的遙控、遙調指令經過解碼發給主機，實時控制。
放電模塊：可快速測出電池直流內阻，瞬間測試電池性能，大功率放電模塊可提供瞬間大電流沖擊負荷。
遠程服務器：實現局域網內計算機數據通信，通過局域崗遠程訪問現場的蓄電池監測系統，接收、分析數據，通過Web服務器發布數據。
通信網絡
聯網現場設備各分站（采集監控站），采用光纖作為數據通信主干線，組成全廠UPS和直流電源在線監控的局域網。
技術應用
一、概述
隨著經濟的飛速發展以及基層央行對網絡建設認識的不斷加深，中心機房建設和改造，近幾年如火如荼。但隨之而來的就是日益龐大的電費開銷，中心機房在建設中的投資，其中電氣、電源、制冷等系統設施占了一半以上的投資比例，高額的電能消耗使得整個數據中心運行成本居高不中心機房面臨“建得起卻用不起”的尷尬境地。
降低中心機房的運營成本和節能降耗成了基層央行有關部門關注的問題，節約能源可以從以下幾方面入手。首先是機房環境的節能，包括制冷環境、供電環境;其次是從IT硬件設備節能，減少IT設備的能耗;最后是IT設備內部各集成電路的節能，比如CPU的節能等。UPS處于交流供電環節的最重要一環，機房幾乎所有的IT設備由UPS供電，提高運行時的能效勢在必行。UPS的節能必須從方案、電池、配電等方面全方位進行。
二、按需擴容的柔性規劃
一般地市級中心機房的建設都不是一步到位，會考慮今后未來5到10年的需求，但是UPS一般都是一步到位，一次就安裝了2套大功率的UPS并機，結果初期負載只有規劃容量的10%～20%，沒等承載所規劃的負載就進入了設備淘汰期。這不僅造成投資的浪費，而且也無法使UPS運行在較高的效率點，造成電能的浪費。如何避免這種情況的發生，從UPS供電系統角度考慮，應該包括以下幾個方面。
供電方案設計
(一)供電方案設計
目 前UPS供電方案主要有分散供電、集中供電2種。分散供電的特點是一臺UPS為一臺或多臺負載設備供電。分散供電的好處是分散風險，不會因為一臺UPS供電異常而造成大面積停電;缺點是UPS分散布置，不便管理，而且布線不易規劃。另一種是采用集中供電方案，由一套大功率的UPS供電系統直接對機房的所有負載供電。集中供電的好處是便于規劃、管理方便、維護方便;缺點是如果UPS系統異常，容易引起大面積停電事故，此缺點可以通過采用各種并聯構架來避免。因此，以上兩種方案各有優缺點，目 前的中心機房一般都采用集中供電方案，也集中了供電的風險。當機房UPS裝機總容量超過一定限度時，建議將機房按幾期規劃分成幾個區域進行供電。
(二)UPS在線并機擴容功能
機房UPS容量的規劃，可以根據不同時期的負載容量要求采用逐步擴容的方案，使投資方案更經濟，同時也能使UPS工作于較佳的效率點。目 前中、大功率段的UPS均已經具備冗余并機功能，不僅提高了系統的可靠性，同時也為機房擴容提供了條件。只要規劃時在UPS前后配電箱預留足量的空氣開關，并在機房規劃相應空間，即可實現UPS并機擴容功能。關鍵是并機的過程處理，多種品牌UPS并機時需要對UPS的設置進行修正，此時要求UPS必須在維修旁路狀態工作，UPS由市電直接帶載，如果此時市電波動較大甚至停電，將造成系統的大面積癱瘓。所以并機擴容必須具備在線并機功能，即UPS并機擴容時，只需將新增UPS軟件修改至與原UPS系統一致后，在不關閉原有UPS系統的情況下直接將新增UPS并入原有系統即可，擴容前后，UPS均工作于在線模式下，避免切換至旁路供電的高風險操作。
采用模塊化
(三)采用模塊化UPS實現逐步擴容
目 前，模塊化UPS已經開始在國內應用，模塊化UPS特點主要包括：可擴容、平均故障修復時間(MTTR)短、可經濟實現“N+X”冗余并機。以臺達C系~IJUPS為例，每個模塊為20kVA，整個系統最大可擴容至160kVA，可以根據機房的實際容量需求，逐步擴容，只要在機房初期規劃好配電容量即可。同時，實現“N+X”冗余比較劃算，以60kVA的容量要實現“N+I”冗余為例，傳統方案必須擴容一臺60kVAUPS，而采用模塊化UPS，則只需擴容一個20kVA的模塊即可，節省大筆資金的投入。
三、提高UPS自身能效，優化負載效率曲線
目 前UPS均為在線式雙變換構架，在其工作時整流器、逆變器均存在功率損耗。以一個容量為60kVA的UPS為例，每度電按1.2元計算，UPS效率每提高1%，一年節省的電費為5045.76元�？梢娞岣遀PS的工作效率，可以為數據中心節省一大筆電費，也是降低整個機房能耗的最直接方法。因此采購UPS應盡量采購效率更高的UPS。
當然UPS效率高不僅僅是滿載時效率高，同時也必須具備一個較高的效率曲線，特別是在“1+1”并機系統時，根據系統規劃，每臺UPS容量不得大于50%，如果此次效率僅為90%以下，就算滿載效率達到95%以上，也是沒有意義的，所以要求UPS必須采取措施優化效率曲線，使UPS效率在較低負載時也能達到較高的效率。
除了提高UPS自身的效率之外，UPS的一些功能也可加以利用。比如像ECO經濟運行模式，其原理是在較好的市電環境下，激活此功能，使UPS由靜態旁路直接供電，此時逆變器處于待機狀態，正常工作但不輸出能量，_旦市電異常，UPS立即切換到逆變器供電狀態，切換時間一般在1毫秒以內，由于逆變器處于待機狀態，所以自身損耗很小，此時UPS的整機效率可以達~1J97%以上，比正常模式減少3%以上的損耗。
使用ECO模式必須具備2個條件：一是靜態旁路必須采用兩組高可靠晶閘管，不得采用接觸器加晶閘管的組合，因為接觸器吸合時接觸點會打火，一般工作數百次之后就不能正常工作，而晶閘管則不存在此問題，同時可以縮短切換時間。二是建議在較好的電力環境下使用，比如一級供電單位等。
四、降低輸入電流諧波，提高功率因數
諧波產生的根本原因是由于電力線路呈現一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構成的無源網絡。由于非線性負載產生的非正弦電流，造成電路中電流和電壓畸變，稱為諧波。諧波的危害包括：引起電氣組件附加損耗和發熱(如電容、變壓器、電機等);電氣組件溫度升高，效率低，加速絕緣老化，降低使用壽命;干擾設備正常工作;無功功率增加，電力設備有功容量降低(如變壓器、電纜、配電設備);供電效率低;出現諧振，特別是柴油發電機發電時更嚴重;空開跳閘、熔絲熔斷、設備無故損壞。UPS對電網而言是一個非線性負載，在工作時會產生大量的諧波。以配置6脈沖整流器的UPS為例，其輸入功率因數一般為0.75左右，諧波大于30%。
降低諧波方法
(一)12脈沖整流器
其原理是在原有6脈沖整流器基礎上，在輸入側增加一個移相變壓器和6脈沖整流器。采用該技術方案后，可以將諧波降低至10%左右。優點是較為簡單，諧波改善明顯;缺點是對功率因數改善有限，價格略高。
(二)無源濾波器
依據LC濾波電路原理，對UPS產生的諧波進行濾除，并對功率因數進行補償。優點是技術簡單，成本較低;缺點是只能補償將點階次的諧波，同時受負載阻抗影響較大，無法適用于全功率段。
(三)有源濾波器
原理是利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。優點是可以補償多個階次的諧波，且不受負載阻抗大小的影響;缺點是購置成本較高。
(四)高頻IGBT整流及PFC功率因數校正電路設計
整流器原理是采用高頻率PWM控制IGBT導通，對輸入電壓波形進行分割，使輸入的電流波形盡量接近正弦波，并對輸入電壓和電流相位差進行補償。優點是體積輕，價格便宜，效果好;缺點是技術結構復雜，不易維護，受功率器件影響，目 前容量大小受到限制。
以上幾種技術，性能及投資對比，可以根據實際需求選擇合適的方案。
五、電池管理及配電管理技術
UPS都配備了電池，用戶在電池組上的投資往往占整個UPS供電系統投資的很大比例，甚至超過UPS本身的投資，而電池的使用年限明顯低于UPS主機。由于電池主要材料是重金屬鉛、硫酸和不易分解的塑料，都會對環境造成嚴重的污染。因此減少電池使用數量，延長電池循環使用壽命，不僅節省直接和間接的電池投資，而且還減少整個機房設備對環境的污染。所以UPS可以通過以下幾個技術實現電池的節能。
(一)并機共用電池組功能
共用電池組原理是通過特殊的整流器隔離故障，使并機系統中的2臺或多臺UPS的整流同步，母線均流，使系統中的各臺UPS母線直接并聯，然后將滿足系統后備時間要求的電池并聯后接人并聯母線系統中，實現電池的共享，減少電池投資。以“1+1”為例，傳統的UPS方案，系統后備—小時，考慮其中一臺UPS故障時，UPS2的電池不能為UPS1使用，所以UPS1和UPS2必須各配置一套-4,時的電池組，才能保障系統在斷電后還能備用一小時。采用共用電池組方案后，因為UPS1故障后，系統中的電池仍能為UPS2提供能量，所以整個系統僅需配置一套一小時電池即可。這不僅節省了電池直接投資，同時也節約機房在空間、承重及空調等方面的投資，也降低了對環境的污染。
(二)智能電池管理技術
影響電池壽命的因素有很多，主要包括溫度、充電、放電、循環次數等。如果能夠對上述幾個因素進行綜合處理，可以大大延長電池的使用壽命，延長電池更換周期，節約電池投資。UPS的智能電池管理擊包括：電池均浮充管理(均浮充控制)、充電溫月智能放電終止電壓控制，除此之外還應具備電動檢測和電池漏液檢測功能。另外還可以選壓范圍較寬的UPS，減少電池放電次數。通過上述幾種技術，可大幅度延長電池壽命2--3年。
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