双总线解决方案2011.doc

核心数据机房UPS电源系统
解决方案

武汉源迅科技发展有限公司
2011
13907177032

双UPS电源双总线解决方案

1 概述
双UPS电源组成双总线供电系统，即采用2台UPS电源各自独立给重要负载（如服务器、核心交换机等）提供电源，而对于这些负载均具有至少2路电源输入，通过这些负载的实现冗余供电双电源总线。如图1示。
市电柜
UPS输出柜
1#
UPS
2#
UPS
图1 双总线电源供电系统图
负载1
负载n
市电1
市电2

2 建议解决方案及预算
2.1 解决方案
2.1.1 UPS电源
l 根据用户需求，目前采用4台6KVA 逆变器供电，未来需增加一倍的用电需求，为此估算需配置2台60或80KVA UPS；
l 每套UPS配置2小时后备延时，双机冗余下后备达4小时。
l 采用2台UPS电源，提供双路各自独立的UPS电源，由安装在机柜内双电源设备（服务器、交换机等）实现冗余互备。
l 对于机房单电源设备采用STS自动转换开关，实现双电源冗余供电。
为此为保证UPS供电系统的系统的运行安全和可靠性，考虑在电力系统大量选用并得到用户良好评价，UPS推荐选用APC by Schneider Galaxy 系列UPS；
综合用户要求，推荐选用 Galaxy 5000 60KVA UPS ，采用2台独立供电，构成黄石供电县调自动化机房双总线供电方式。
APC/MGE GALAXY 系列UPS性能简介

GALAXY 5000 20KVA -- 200KVA
a) 单机UPS的组成
单机UPS的基本组成如下:

图: Galaxy 5000系列UPS的单机框图
1).整流－充电器(Rectifier - Charger )：
由可控硅三相全控整流桥功率电路和相应的控制电路组成。它将
电源1( Mains 1)输入的交流电变换成直流电，供给电池组充电及逆变器的输入。
2).逆变器(Inverter):
由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅型双极晶体管)逆变功率电路和相应的控制电路组成。它将整流－充电器输
入的直流电变换为正弦交流电供给负载。
3).旁路静态开关(Static Switch for Bypass):
由正反并联的可控硅功率电路和相应的控制电路组成。它实现负载在逆变器与旁路电源2(Mains 2)之间的不间断切换。
4).电池电路(Battery Circuit ):
由可充电的电池组组成。将直流能量贮存在电池组中，当电源1
停电或超限时，向逆变器电路释放能量，以对负载进行后备式(Back up)的供电。
5).各种隔离保护装置
a. Q1：整流器输入开关；
b. QF1：电池电路保护开关；
c. Q4S：电源2或静态旁路输入开关；
d. Q5N：逆变器输出开关;
e. Q3BP：手动维修旁路开关。
6).MTBF指标
部件名称
代号
MTBF(小时)
整流器
MtbfR
150,000
电池
MtbfB
150,000
逆变器
MtbfI
100,000
静态旁路开关
MtbfS
1,000,000
高质量旁路电源
MtbfPH
100
低质量旁路电源
MtbfPL
50
没有静态旁路开关的UPS
MtbfCU
43,000

b) GALAXY 5000 UPS特点介绍
GALAXY 5000 UPS是最新一代智能型UPS融合了当今世界上最先进的IGBT技术，全数字多微机控制系统，现代智能控制原理和多项技术专利，已成为中大型UPS市场上的佼佼者，被广泛应用于电力、石化、银行、电信、厂矿企业，并成为UPS更新换代的理想选择。

Ø 带非线性性质负载的高品质电压源
在计算机、DCS、自动化生产系统中，其设备都是非线性性质负载，这些设备将产 生大量的谐波电流。GALAXY 5000 UPS是专门为这类负载设计的。其逆变器控制采用了电流自适应控制技术，用最先进的电流采样器件（HALL效应电流互感器）以及多CPU总线技术，将采样到的负载电流波形与标准正弦波直接比较所产生的误差，直接控制每个脉宽，并且可根据负载的大小、性质来实时调整其输出电压波形，经过了十多年的市场考验。因此GALAXY 5000 UPS 输出指标高，在100％非线性性质负载的情况下，它的电压畸变<2%,从而保证设备的正常运行。

Ø 适应负载从0至100％或100％至0的跃变
GALAXY 5000 UPS在负载发生100％的跃变时，输出电压的瞬间变化在±2％以内， 并且在20毫秒内迅速恢复到±1％。

Ø 过载能力强
GALAXY 5000 UPS
过载能力： 110％－2小时； 125％－10分钟
150％－60秒； 233％－1秒

Ø 峰值因素高达4.66:1
普通线性负载，负载电流为正弦波，电流的峰值为有效值的Ö2倍，即峰值因数为 1.414：1。但计算机负载为非线性负载，负载电流为非正弦波，其中含有大量谐波，峰值因数将增加到2.8：1左右，为保证UPS输出电压稳定性，UPS的峰值因数必需大于 2.8:1，GALAXY 5000 UPS的峰值因数可达4.66：1。

Ø 先进的网络通信功能（选件）
每台GALAXY 5000 UPS具有扩展通讯口，并提供两种通讯接口卡与各种网络联 接 ， 可实现对UPS进行计算机集中控制，监控UPS运行状况。
* 集成的SNMP 接口
这块电路板可安装在UPS主机内，使UPS能够用TCP/IP直接与所有的以太网 连接。然后，网上任何一台计算机可以通过网络管理UPS。
* 两通道网络接口
这块电路板可安装在UPS主机内,由两部分组成。一部份为RS232接口，可与 PC机连接，实现对UPS的监控；也可与UM－LINK（由梅兰日兰提供〕连接，用TC/PIP直接与以太网连接。然后，网上任何一台计算机可以通过网络管理UPS，每个UM－LINK可以连接4台UPS。另一部分为继电器接点，继电器接点可以用于特殊的网络应用(IBM AS400,Novell，等等)。
Ø 丰富的UPS管理功能
监控软件SOLUTION--PAC可以适用于如NETWARE, WINDOS NT, SCO UNIX, OS2,和LAN SERVER等大部分网络环境。SOLUTION-PAC管理软件可以实时监控UPS 的运行状况，各项电参数指标的变化。可根据实际负载的大小测定电池的放电时间和容量,实施遥控开机或关机。

Ø 技术特点
1. 电压精度：380V±1％
输入电压范围大 ：323～477V
输入频率范围宽：45HZ～65HZ
为负载通过高精度的电压源
（电网兼容性好，适用于各种等级市电以及油机发电场合）
2. 效率高达91％～93％
效率高意味着UPS本身耗电省，发热少，提高了可靠性，在其负
载为25％时，仍能保持其90％以上的效率。
3. 无污染UPS
已通过的国际标准检测证书有：
IEC 801.4 LEVEL 4 （无污染标准）
IEC 801.2 LEVEL 4 （静电放电标准）
IEC 950/EN60950 （建筑安全标准）
PCCA级（无线电频率干扰抑制能力标准）
4. 电池的监控功能增强。
最大限度地延长电池的寿命。主要功能有：
a、充电和放电电流的监测与控制
b、电池过放电的自动保护，当电池电压低于终止电压时，逆变器
自动停机，切换至旁路供电；同时为了避免电池长时间小电流放电， 造成电池永久 性损坏， UPS可以设定时间T，在电池给逆变器供电达 2 倍T时间 时，UPS会显示 “电池低电压停机”的预报警， 当电池给逆变器供电达3倍T时间时，逆变器自动停机切换至旁路供电。（此项保护功能也可以取消〕
c、计算电池实际后备时间
根据预先设定的由电池供应商提供的电池参数，以及实际检测的放电电流，通过数学模型的计算， 可以模拟出电池 的实际放电曲线，就可以预报在 当时的实际负载情况下，电池的实际剩余后 备时间。
d、温度补偿式充电和 电池的寿命计算（梅兰日兰专利）
环境温度对电池的使用影响很大，电池温度上升，意味着化学反应增强， 电池的放电能力也增强，但电池寿命会降低。因此GALAXY 5000中专门设置了电池温度传感器，用以控制浮充电压和电流，同时还设置了计算电池寿命的计算，根据电池温度和使用时间自动修正电池寿命，到电池寿命终止时，产生更换电池的报警提示信号。
e、 UPS具有自动电池检测功能，自动对电池进行定期放电，定期时间可以调整，一般为90天。也可以由用户手动完成对电池进行定期放电，一 般建议90天做一次。（ 此项功能也可以根据用户要求取消）
5. 高度的可靠性
UPS获国际的最高质量ISO 9001认证。
平均无故障时间MTBF＝20万小时。
6. UPS“输入电流限流”和“软启动延时”：
GALAXY UPS 具有输入电流限流控制功能及软起动延时功能。
主要用于防止对电网及发电机产生电流冲击。（如：市电停电、电池放电后、市电又恢复时会产生电流冲击，需延时平滑）。
7. 模块化、数字化、智能化设计
模块化、数字化设计在1986年率先在其UPS中采用，带来了UPS界的一次技术革命。将 UPS的整流器、逆变器、充电器及各种控制电路按不同的功能分别由几个模块组成，各模块内有独立的供电、监测及保护电路。 70％以上采用数字电路并配有多片Intel 80196单板完成自监、自控。其好处在于板件的参数一致性好，可靠性高。并且故障易判断，维修方便。
8. 粗大的中线
在大多数情况下，负载会产生三次谐波，三次谐波会使中线电流过大，使导线的温度升高。GALAXY 5000 PS采用粗大中线（包括UPS内部及输出端）。解决了中线高次谐波的温升效应。
9. 100％的不平衡负载能力
由于GALAXY 5000 UPS的逆变及输出变压器采用三相独立逆变电路，可根据负载大小及功率因数，每相电压自动调整，故可承受100％不平衡负载。
10. 最新功率变换技术（IGBT技术）
IGBT是一种新型功率器件，该器件具有MOSFET的高速开关特性和栅极电压可控及双极晶体管的大电流处理能力和低饱和压降特点。目前在新一代UPS中已开始广泛采用IGBT作为功率器件。APC/MGE作为全球最大的UPS制造商在大功率IGBT UPS中遥遥领先同行一步，94年推出单机容量为800KVA的IGBT UPS。

Ø 技术指标及环境
负载功率因数 ：0.8
交流输入（市电）：
输入电压 3Pn380V
适应电压范围 323～477V
输入频率 50Hz
适应频率范围 50Hz±10％
交流输出（负载）：
输出电压 三相380V
电压偏差 ±1%
输出频率 50Hz
频率偏差 ±0.05%（本机振荡时）
同步跟踪范围 ±0.5%~4%可调
谐波失真 <1.5%（线性负载）
<2%（非线性负载）峰值因数=3：1时
动态反应 ±2％
过载能力 110％－2小时； 125％－10分钟
150％－60秒种； 233％－1秒
不平衡负载能力 允许100％三相不平衡
散热方式 本机自带强迫风冷，后排风
运行温度 -5～40°C
储藏温度 -20°C ～+45°C
电池 最佳温度范围：+15°C 到25°C，超过这个范 围温度每升高10°C ，电池的使用寿命减半
相对湿度 0~95％
通风要求 每小时1100立方米
噪声水平 按ISO 3748测量 58db
接地 接地电阻小于2欧姆
国际标准 ISO 9001（425号证书），IEC、EN、 ULVDE、BS、UTE、TUV、IP20
其它 不须配备其他工具和仪表

c) GALAXY 5000 60KVA UPS 主要性能指标
常用
旁路电压容限：+/-10% settable from +/-4/6/8 and 10%
最大旁路输入电流：101A
输出
输出功率容量：54 kW / 60 kVA
最大可配置功率 ：54 kW / 60 kVA
额定输出电压：400V 3PH,480V 3PH
输出电压可调范围：可配置用于 380、400 或 415 V 3 相额定输出电压
满负载效率：92%
输出电压失真：低于 2%
输出频率(与主频率同步)：50 Hz,60 Hz
波峰因数：3 : 1
波形类型：正弦波
输出连接 :(1) Hard Wire 4-wire (3PH + G)
输出电压容差：+/-1% static and +/- 5% at 100% load step
输出电压 THD：< 1% linear load and < 2.5% nonlinear load
过载工作：10 minutes @ 125% and 60 seconds @ 150%
半负载效率：90%
所需的输出电流保护：87A
旁路:内部旁路 (自动会人工),外置分路器 可选
输入
额定输入电压:400V 3PH,480V 3PH
输入频率:45 - 65 Hz
输入端子类型 : Hard Wire 4-wire (3PH + G)
工作电压范围 :340 - 460 (400V),408 - 538V
其他输入电压:380,400,415
最大输入电流:115A
输入断路器容量:125.0  A
输入总谐波失真:Less than 5% for full load
电池与运行时间
电池型号
没有内部电池 - 使用外部电池系统
额定电池电压
432V
放电结束时最大电池电流
135
通讯与管理
可用的智能插槽数量
3
控制面板
多功能液晶显示器状态管理控制台。
紧急关断
可选
物理指标
高 :1900.00 mm
宽 :712.00 mm
深 :848.00 mm
净重:400.00 KG
运输重量:420.00 KG
运输高度: 2030.00 mm
运输宽度：980.00 mm
运输长度：960.00 mm
颜色：木炭
环境
工作环境 ：0 - 40 °C
工作相对湿度：0 - 95%
操作高度 ：0-999.9米
存储温度：-20 - 45 °C
存储相对湿度：0 - 95%
存储高度：0-12000米
听觉噪音距设备表面 1 m 处 ：65.00 dBA
在线运行发散热量 ：13872.00 BTU/hr
相符性
管理机构认证
UL Listed,CE,EN/IEC 62040-3,FCC 15 部分 A 级,IEC 60950,IEC 61000-3-2,IEC 61000-3-3,ISO 14001,ISO 9001,LCIE,TUV,UL 1778
具体参数参考：

d) GALAXY 5000 UPS其它性能介绍
A，高效率：
Galaxy 5000 系列UPS设计具有平滑的效率曲线，见下图：

高效率的UPS对于并联冗余的配置极为有利，原因是在系统正常运行时每台UPS都是运行在低负载率的状态；而UPS又是成年累月地连续运行在这种状态，由此而造成的电费，空调方面的开支将是一个可观的数字。下表是一个效率每提高1%、3%和5%产生的不同经济费用的节省：

节省费用/效率的差别（万元人民币）
负载
kW
1%
3%
5%
1年
5年
1年
5年
1年
5年
2500
10
50
30．2
150.6
50.3
251.8
1500
6
30
18.1
90.6
30.2
151.1
500
2
10
6
30.2
10
50.3
100
0.4
2
1.2
6
2
10
注意：计算是按市电收费率为0.36元人民币/kWh，热损耗所需空调费为0.10元人民币/kWh。以上数字仅是估计。真正的节省根据各地电费的不同来决定。5%的效率差实际上相当于新的UPS 5年的折旧费用。而新的MGE UPS的效率往往超过其它UPS的5%以上。

B， 与柴油发电机的兼容
UPS在市电停电时为了获得长延时的供电，往往不能只凭借内部的电池组放电，供电系统往往配有柴油发电机组，作为应急供电设备，这就要求发电机为UPS供电。
如前所述，UPS整流器是一个非线性负载，为了能使UPS在发电机组上顺利启动和安全运行，Galaxy 5000 UPS还具有如下的功能：
整流器的可调整斜坡启动
整流器的斜坡起动功能(见下图)可防止

整流器启动瞬间产生的冲击电流对电网或发电机的影响。启动前的延时(0-255秒)可防止多台UPS在发电机上同时启动造成的冲击，有利于发电机的运行。
UPS输入功率限制
当发电机输出功率不足时，可通过外部干接点信号产生“UPS输入功率限制”功能，使得部分UPS的功率由电池组提供，从而保护发电机组的运行。当市电恢复后，该功能可随发电机的停止而自动取消。
电池的两级充电限流
当发电机组输出功率有限时，还可以通过外部干接点信号产生“电池组不充电”的功能，以防止发电机过载。当市电恢复后，该功能可随发电机的停止而自动取消。

2.1.2 UPS电源输出配电柜
l 设计一台智能化UPS电源分配柜，以满足2台UPS电源输出分别供电，2台UPS输出采用各自独立母排馈电，智能配电柜选用APC/MGE PDU柜具有：
a) 柜体：前后网孔门，2000*600*800（H*W*D）
b) 每台UPS输出，各自设计21路单相/三相32A空开。采用ABB S261/3微型断路器，具有分合指示、过载保护 。并预留2*21路扩展位（可用于市电、UPS输出）；
c) 带LCD显示，可以实时监控输出总电流、电压、每相有功功率、频率，以及每一分路输出电流（选件）；
参考图
d) 具备RJ-45、RS232/485接口，可以通过网络实现远程管理（包括远程的故障诊断、状态查询、参数设置等）；

本方案最大优点在于：
ü 双回路独立供电，有效避免单链路单点故障导致关键设备宕机。
主配
电盘
UPS1
UPS2
并机
配电柜
分配
电柜
终端
插座
单电源负载
冗余并机UPS系统原理图

l 上图中可见，供电系统的可靠性不仅仅取决UPS电源，而是取决于整个供电链路上所有的环节（单点）。
l 下图清楚表明，双回供电可以避免单点故障。
主配
电盘
UPS1
UPS2
分配
电柜
终端
插座
双电源负载
UPS双总线供电系统示意图
分配
电柜
终端
插座

ü 任一路UPS电源故障，其UPS电源、配电及线路抢修不会危及关键设备供电中断。
ü 设计上次采用每一回路能满足关键设备或机房供电载流，即任一回路能保证机房供电，如此，在双UPS电源及配电正常时不到50%的供电，大大提高了整个供电的可靠性。
ü 双回路UPS电源供电方式，从机房供电整体上考虑供电安全，避免UPS并机或模块化只解决了UPS电源的可靠性。
ü 双回路UPS电源供电方式，相当于从2个发电厂提供独立供电一样，物理上2台UPS电源完全隔离。
2台UPS电源各自自带蓄电池，整个机房需要后备时间如2小时，每台UPS电源只需配1小时电池。

2.2 预算清单：

序
设备名称
规格型号
数量
尺寸
单重（kg）
1
UPS电源
GALAXY 5000 60KVA
2台
1900*712*848
400
2
电池
100Ah/12V
128节

30
3
电池架
1200*1600*400
4台

100
4
市电输入柜
200A双路输入;
2台UPS输入及检修旁路
21路机房其他用电
智能化仪表显示
1台

200
5
智能配电柜
4*21路输出，
LCD电量参数智能显示
RT-45,RS-232/485接口
1台

150
6
电缆及附件
直流保护装置 160A
电池连接铜牌 L20*5
电池输出电缆 YC-70
UPS输入出电缆 RVV-70
2台

注1：UPS电源选型按APC /MGE GALAXY 5000 60KVA
注2：电池推荐YUASA(汤浅)
注3：电池柜采用APC第三方电池架
注4：所有配电柜内开关采用 ABB或Schneider