UPS電源整合方案解析課件

1、UPS電源整合集中監(jiān)控系統(tǒng)第1頁，共62頁。什么是UPS不間斷電源,是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要元件,穩(wěn)壓恒頻輸出的電源設(shè)備,它可以解決現(xiàn)有電力的斷電、電壓不穩(wěn)以及突波等現(xiàn)象，是計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)運行更加穩(wěn)定安全。UPS電源系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)是指依托先進的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、高頻開關(guān)變換技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、冗余并機技術(shù)、只能充放電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)和新工藝技術(shù)等一門綜合技術(shù)第2頁，共62頁。1電涌（Power surger）指市電電壓有效值高于額定值110%，并且持續(xù)時間為一個至數(shù)個周期的現(xiàn)象。電涌主要是由于在同一電網(wǎng)上的大型電氣設(shè)備關(guān)機時，電網(wǎng)因突然卸載而產(chǎn)生的高壓

2、沖擊。電腦以及類似的敏感電器設(shè)備可接受的電壓值都有一定的范圍，任何超出其設(shè)計范圍的峰值或有效值電壓都會給元器件的安全帶來危害，影響整機的可靠性和壽命。第3頁，共62頁。2高壓尖脈沖（High voltage spikes）指峰值達上千伏，持續(xù)時間從0.1ms至幾毫秒的脈沖電壓。這主要是由于雷擊殘壓、電弧放電、改善功率因數(shù)的電容器切換、感性負載的切換、靜態(tài)放電或大型電氣設(shè)備開關(guān)操作所殘生的。此峰值電壓能通過交流電線、網(wǎng)絡(luò)串行線、電話線等進入電器設(shè)備、破壞或完全損壞設(shè)備。第4頁，共62頁。3瞬態(tài)高壓干擾（Switching transients）指峰值達上千萬伏，持續(xù)時間從1us至幾十us的脈沖電

3、壓。其產(chǎn)生原因和可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，只是傳輸途徑和解決方法有所不同。第5頁，共62頁。4電壓下陷（Power sags）市電電壓有效值介于額定值80%85%的低壓狀態(tài)，并且持續(xù)時間為一個至數(shù)個周期情況。大型設(shè)備開機或大型變壓器接入都可能造成電壓下陷。第6頁，共62頁。5電線噪聲（Electrical line noise）指射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）以及其它各種高頻干擾。電動機的運行、繼電器的動作、電動機控制器的工作、廣播發(fā)射、微波幅射以及雷電等。都會引起電線噪聲干擾。電線噪聲干擾會破壞精密電子設(shè)備的正常運行，對操作程序和運行數(shù)據(jù)起到破壞作用。第7頁，共62頁。6頻率偏

4、移（Frequency variation）市電頻率的變化超過3Hz主要指應急發(fā)電機的不穩(wěn)定運行，或電壓頻率特性不好的專用電源供電設(shè)備所致。第8頁，共62頁。7閃變指供電電壓有周期性擺動。由于循環(huán)換流傳動系統(tǒng)周期性變化的負荷所造成的，此時應有照明系統(tǒng)產(chǎn)生閃爍的視覺現(xiàn)象。第9頁，共62頁。8電壓不平衡指三相電源各相的電壓不對稱。會使變壓器內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流或過流第10頁，共62頁。9諧波畸變指電壓波形畸變主要是由非線性負荷所造成結(jié)果是變壓器由于渦流及磁滯損失過大而過熱,電機過熱及轉(zhuǎn)矩下降,對電壓頻率敏感的設(shè)備工作不穩(wěn)定甚至產(chǎn)生振蕩,以及系統(tǒng)中中性導線和改善功率因數(shù)的電容器過熱等.第11頁，共62頁。1

5、0暫態(tài)停電指1min以內(nèi)的完全停電它是在暫態(tài)后由自動重新合閘裝置的再接通電源造成的后果是計算機和通信設(shè)備將會關(guān)機并丟失數(shù)據(jù).第12頁，共62頁。11持續(xù)欠電壓或過電壓市電電壓長時間低于或高于額定的電壓數(shù)值產(chǎn)生的原因是變壓器分接開關(guān)故障、負載總負荷超過電網(wǎng)容量并且波動、大型設(shè)備頻繁啟動和運行、主電力線切換等。第13頁，共62頁。12市電中斷第14頁，共62頁。UPS類型1、后備式 在市電正常時，后備式UPS的逆變器是不工作的，當市電掉電時它才啟動逆變器向負載供電。2、在線互動式 逆邊器一直在工作，但逆變器不輸出功率，處于熱備份狀態(tài)。3、傳統(tǒng)雙變換在線式 市電存在時，將市電交流電通過整流濾波電路變

6、換為直流電，然后再將直流電通過DC/AC逆變器變換成純凈穩(wěn)定的正弦電壓向負載供電，后備電池接在直流母線上，市電掉電后，由電池逆變后給負載繼續(xù)供電。4、DELTA變換在線式 把電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)中的串并聯(lián)有源濾波技術(shù)應用到UPS的電路結(jié)構(gòu)中去，保留了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS的全部高性能輸出指標，克服了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS的對電網(wǎng)產(chǎn)生污染和輸出能力差的這兩個固有缺點，是一種性能更好的在線式UPS。、第15頁，共62頁。UPS的作用為電腦提供備用電源，防止電網(wǎng)供電突然斷電造成對重要文件數(shù)據(jù)損壞。消除電網(wǎng)供電上的“污染”（包括浪涌、波動、脈沖、噪聲等），使電腦中的電子部件免受摧毀性損壞。第16頁，共62頁。

7、UPS供電方式集中供電方式由一臺大功率向車站整個弱電系統(tǒng)負載提供應急供電.分散供電方式根據(jù)設(shè)備的需要分別配備適合的中、小功率UPS第17頁，共62頁。UPS分散供電UPS集中供電適合場合設(shè)備比較分散、比較獨立設(shè)備比較集中管理維護設(shè)備分散、管理維護困難集中管理，便于專人負責和維修可靠性沒有備份，可靠性低可以多種冗余設(shè)計，可靠性高MTBF低高蓄電池利用分散裕量，造成浪費共用蓄電池，集中欲量，節(jié)約成本占地面積設(shè)備分散，占地面積大設(shè)備集中，占地面積小布線布線簡單，要求低布線復雜，要求高成本低高性能指標技術(shù)含量低，容易生產(chǎn)，性能指標一般技術(shù)含量高，設(shè)計嚴密，性能指標較好其它國內(nèi)中小UPS技術(shù)很成熟，可全

8、部國產(chǎn)化國內(nèi)大功率生產(chǎn)仍有些問題，要部分依賴進口UPS分散供電和集中供電的比較第18頁，共62頁。地鐵UPS電源系統(tǒng)現(xiàn)狀UPS各專業(yè)獨立設(shè)置采用分散供電方式，獨立放置，各專業(yè)單獨維護?；緵]有專業(yè)的電源維護人員，造成實質(zhì)上的電源系統(tǒng)維護少或維護不當?shù)臓顩r導致蓄電池容量降低，不能達到備用時間要求設(shè)備容量重復配置、品牌多樣、利用率低，占地面積大，經(jīng)濟上不合理。UPS監(jiān)控就近接入各專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，缺乏統(tǒng)一的管理和維護平臺，一般僅對UPS進行監(jiān)控。第19頁，共62頁。UPS電源整合的目的UPS電源統(tǒng)一布置、減少設(shè)備用房面積、降低車站土建工程造價。通過硬件整合減少容量重復配置、節(jié)省設(shè)備投資。形成統(tǒng)一的UP

9、S電源系統(tǒng)監(jiān)視和管理平臺，提高UPS系統(tǒng)監(jiān)測和自動化水平，對UPS系統(tǒng)進行專業(yè)化維護。電源品牌統(tǒng)一選型，便于設(shè)備招標和維護保養(yǎng)。 第20頁，共62頁。車站UPS整合主要原則 （1）整合后的電源系統(tǒng)應滿足所有被電源整合的各系統(tǒng)對電源的技術(shù)要求，保證各系統(tǒng)的可靠安全運行。（2）整合后的電源室應靠近弱電負荷中心布置，以便于饋電電纜布局減少線路壓降及線損，提高供電線路的安全可靠性。（3）電源系統(tǒng)整合應根據(jù)被電源整合各系統(tǒng)的負載性質(zhì)、電源需求等技術(shù)要求統(tǒng)考慮以便進行的硬件配置。（4）電源整合應盡量減少不同系統(tǒng)間電源的相互影響。第21頁，共62頁。UPS監(jiān)控系統(tǒng)應該具備的基本功能UPS運行狀態(tài)監(jiān)測-包括輸

10、入輸出電壓、頻率、UPS負載情況、內(nèi)部溫度、電池狀態(tài)等。UPS控制和設(shè)置功能-設(shè)置UPS的有關(guān)運行參數(shù)、運行狀態(tài)（比如轉(zhuǎn)旁路）。對UPS運行進行控制，比如，自檢查、電池校準等。日志功能。完整記錄UPS運行過程中發(fā)生的各種事件和主要運行參數(shù)的記錄事件處理功能-根據(jù)UPS的事件進行相應的處理。比如通知用戶，運行特定的命令，關(guān)閉操作系統(tǒng)等。安全關(guān)機功能。在UPS斷電超出一定時間的情況下、保護計算機數(shù)據(jù)、安全關(guān)閉有關(guān)應用程序、比如數(shù)據(jù)庫、Web Server等然后使操作系統(tǒng)正常當機第22頁，共62頁。UPS管理系統(tǒng)具備的基本功能1主動維護功能。軟件設(shè)定定期對UPS的功能進行自檢，定時開關(guān)機，電池更換報

11、警、電池檢測等擴展管理功能，在計算機和UPS通過軟件進行一對一管理的基礎(chǔ)上、可以擴展為網(wǎng)絡(luò)管理，或者支持SNMP，瀏覽器，第三方管理軟件等網(wǎng)絡(luò)管理方式。第23頁，共62頁。電源監(jiān)控系統(tǒng)的功能遙控遙信遙測監(jiān)控信息查詢顯示打印數(shù)據(jù)存儲記錄實時歷史趨勢系統(tǒng)配置遠端操作密碼管理支持聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)自診斷設(shè)備現(xiàn)場圖象監(jiān)控第24頁，共62頁。各弱電系統(tǒng)電源需求分析 各弱電系統(tǒng)負載類型及需求分析（1）通信系統(tǒng)。負載類型：傳輸、無線、公務(wù)電話、專用電話、閉路電視、廣播、時鐘等子系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備電源要求能連續(xù)供應AC220V電源。（2）信號系統(tǒng)。負載類型：信號系統(tǒng)旅客信息系統(tǒng)等計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制設(shè)備；電源

12、要求：能連續(xù)供應AC380/220V電源。（3）綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含環(huán)境監(jiān)控、門禁）。負載類型：計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，環(huán)境監(jiān)控和門禁控制設(shè)備；電源要求：連續(xù)供應AC220V電源。（4）自動售檢票系統(tǒng)（AFC）。負載類型計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，AFC終端設(shè)備電源要求：能連續(xù)供應AC220V電源。（5）辦公自動化系統(tǒng)。負載類型：計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：電源要求能連續(xù)供應AC220V電源。（6）屏蔽門系統(tǒng)。負載類型屏蔽門控制、驅(qū)動設(shè)備等電源要求：控制設(shè)備需連續(xù)供應AC220V控制電源驅(qū)動設(shè)備需要DC110V驅(qū)動電源。（7）火災自動報警系統(tǒng)。負載類型計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、報警控制器等電源要求需連續(xù)供應AC220V電源。（8）變

13、電所直流輔助電源。負載類型:裝置電源、控制電源、電機電源，電源要求能連續(xù)供應DC220V電源。（9）車站應急照明系統(tǒng)。負載類型包括疏散照明和備用照明，電源要求能連續(xù)供應AC220V電源。第25頁，共62頁。UPS電源整合范圍分析 （1）通信、信號，綜合監(jiān)控（含環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控門禁）辦公自動化系統(tǒng)自動售檢票、火災自動報警主要為計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等容性負載，需AC380/220V電源，適于采用電源進行供電。（2）屏蔽門系統(tǒng)的負載主要分布在站臺上，且屏蔽門的驅(qū)動電機屬于電感性負載，功率因數(shù)比較低，沖擊電流大若采用源整合系統(tǒng)供電，電會明顯影響電壓穩(wěn)定，降低電源質(zhì)量。因此，屏蔽門系統(tǒng)不適宜采用電源整合系統(tǒng)供

14、電，宜獨立設(shè)置后備電源，不納入電源整合系統(tǒng)整合范圍。（3）變電所與車站弱電系統(tǒng)一般設(shè)置在車站兩端電源靠近各弱電系統(tǒng)負荷中心設(shè)置因此變電所負載距電源室的距離跨越整個車站，供電線路迂回，線路壓降大。故變電所操作電源宜獨立設(shè)置。（4）應急照明主要是電感性負載，其負載分布在整個車站范圍內(nèi)且點多面廣，供電線路迂回，因此應急照明系統(tǒng)不宜納入電源整合范圍。綜上所述通信、信號、綜合監(jiān)控（含環(huán)境監(jiān)控、門禁）辦公自動化自動售檢票、火災自動報警等系統(tǒng)納入電源整合范圍即各系統(tǒng)共用一套電源。屏蔽門系統(tǒng)、變電所輔助電源應急照明由各個系統(tǒng)獨立設(shè)置后備電源，不納入電源整合范圍。電源整合系統(tǒng)構(gòu)成地鐵中各弱電系統(tǒng)對電源的可靠性要

15、求很高,電源斷電時會造成地鐵停運甚至人身傷害,帶來不可估計的損失，因此各車站電源整合系統(tǒng)分別設(shè)置兩套電源裝置（含整流器、逆變器、蓄電池）、負載同步控制器、智能控制單元等。電源整合系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1。第26頁，共62頁。UPS整合集中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成Ups蓄電池UPS配電盤監(jiān)控系統(tǒng)電池自動開關(guān)盒蓄電池檢測儀第27頁，共62頁。地鐵UPS整合監(jiān)控的內(nèi)容UPS監(jiān)控蓄電池在線監(jiān)測進線ATS監(jiān)控智能配電盤監(jiān)控環(huán)境溫度及濕度監(jiān)控第28頁，共62頁。車站監(jiān)控站方案1圖例:光纖 網(wǎng)線 雙絞線 硬接線電纜BASUPS集控中心RS485 MODBUSRS485RS485UPSATS電池監(jiān)測配電盤監(jiān)控電池開關(guān)盒監(jiān)控

16、第29頁，共62頁。UPS整合集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖1車站1車站2車站3車站 車站 車站N工程師站操作員站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊網(wǎng)第30頁，共62頁。UPS整合集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)圖1車站1車站2車站3車站 車站 車站N工程師站操作員站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊網(wǎng)第31頁，共62頁。車站監(jiān)控站方案2第32頁，共62頁。在線式UPS的工作狀態(tài)市電正常市電異常市電恢復正常旁路狀態(tài)第33頁，共62頁。UPS監(jiān)控的硬件接口干接點RS232AS/400網(wǎng)絡(luò)接口第34頁，共62頁。串聯(lián)冗余UPS備機UPS主機輸出 旁路輸入主路輸入旁路輸入主路輸入負載第35頁，共62頁。串聯(lián)冗余的優(yōu)缺點優(yōu)點簡單、經(jīng)濟缺點：主UPS

17、轉(zhuǎn)旁路時，輔助UPS的負載需要實現(xiàn)空載到滿載的跳變開關(guān)設(shè)備和相關(guān)控制電路復雜性影響了可靠性正常運行時，輔助UPS空載運行，效率低；第36頁，共62頁。并聯(lián)冗余第37頁，共62頁。系統(tǒng)冗余度N+XN并聯(lián)系統(tǒng)中UPS單機的總臺數(shù)X并聯(lián)系統(tǒng)中允許出現(xiàn)故障的UPS單機臺數(shù)。第38頁，共62頁。UPS第39頁，共62頁。蓄電池組在后備電源系統(tǒng)中,蓄電池組一般由多個蓄電池串聯(lián)而成。常見的電信系統(tǒng)是由24個2V左右的電池串聯(lián)成48V電源。大型UPS系統(tǒng)是由33個12V左右的蓄電池串聯(lián)成380V電源。第40頁，共62頁。蓄電池主要廠家Enersys全球最大的鉛酸蓄電池制造商，EXIDE、HAWKER、GNB、

18、YUDOR、SONNENSCHEIN、FIAMM。艾諾斯C&D 德過陽光sonnenschein德國松樹 HOPPEKE日本YUASA湯淺第41頁，共62頁。常用蓄電池類型富液式鉛酸蓄電池(OPzS)吸收玻璃棉閥控式鉛酸蓄電池(AGM-VRLA) AGM-Absorbed Glass Mat超細吸收式玻璃棉隔板,AGM密封鉛蓄電池具有低內(nèi)阻特性，大電流快速放電能力很強 膠體閥控式鉛酸蓄電池(Gel-VRLAB) 膠體密封鉛蓄電池內(nèi)阻要比AGM密封鉛蓄電池要大。鉛蓄電池的大電流放電性能仍然很好第42頁，共62頁。AGM電池AGM電池以超細吸收式玻璃棉隔板吸收電解液,AGM隔膜具有93%以上的空隙

19、率,灌入電解液時,90%左右的孔隙被電解液填充,留有10%左右的孔隙作為充電時正極析出氧氣到負極進行復合的通道,以實現(xiàn)氧的循環(huán),達到電池可以密封的目的。第43頁，共62頁。GEL-VRLA膠體電池內(nèi)阻較大，采用觸變性SiO2膠體吸收電解液，使電解液不流動；以膠體的微裂紋作為氧的復合通道，膠體電池使用初期由于膠體未能形成大量微裂紋，氧的復合效率較低；安全閥經(jīng)常開放，造成電池有酸霧逸出。第44頁，共62頁。蓄電池組的4種狀態(tài)浮充狀態(tài)均充狀態(tài)放電狀態(tài)充電狀態(tài)第45頁，共62頁。浮充狀態(tài)電池組處于備用的情況下，為了克服蓄電池自身的放電效應，應對蓄電池施加一個小的浮充電流，這種狀態(tài)稱為浮充狀態(tài)。浮充狀態(tài)

20、期間，任意一個蓄電池的電壓過高或過低都認為是異常，應加以處理第46頁，共62頁。均充狀態(tài)由于各個蓄電池物理上的差異以及長期后備期間的恒流浮充，往往造成某些蓄電池電壓過高或過低，這時應對蓄電池組施加一均充電流（一般大雨浮充電流的若干倍），對蓄電池進行均充。均充可以克服某些蓄電池電壓的過高或過低，均充期間的電壓及電壓變化量是衡量蓄電池性能的十分重要的參數(shù)第47頁，共62頁。放電狀態(tài)當主供電系統(tǒng)停店時，蓄電池組將投入運行。當蓄電池組以大電流方式向外供電時稱為放電狀態(tài)。放電狀態(tài)的各個蓄電池的電壓、電壓下降率、安時數(shù)和溫升都是本系統(tǒng)測試分析和判別蓄電池性能的重要參數(shù)。第48頁，共62頁。充電狀態(tài)蓄電池組

21、每次放電之后應進行充電，即向蓄電池組加較大的充電電流的狀態(tài)稱為充電狀態(tài)，這時的電壓、電壓上升率、溫升和安時數(shù)同樣也是衡量蓄電池性能指標的重要參數(shù)第49頁，共62頁。環(huán)境溫度對電池壽命的影響溫度過高時，電池內(nèi)正板柵的腐蝕加劇，析氣反應被大大加速，失水干涸與熱失控可能性大大提高，電池壽命急劇下降。溫度過低時，由于電池內(nèi)阻增加，極化增大，電池在放電后很難正常充電，易造成負極的硫酸鹽化，縮短電池壽命第50頁，共62頁。閥控式密封鉛酸蓄電池失效1、正板板柵的腐蝕變形2、電池干涸3、第一類早期容量損失：、 板柵和活性物質(zhì)界面的影響，表現(xiàn)為電池在最初的10-15次循環(huán)內(nèi)，其性能突然快速下降。4、第二類早期容

22、量損失 正極活性物質(zhì)的軟化與脫落的影響。5、第三類早期容量損失 負極性硫酸鹽化的影響。6、熱失控第51頁，共62頁。電池干涸當溫度較高時，電池析氣速度會加快，氧在負極來不及全部復合，只能通過安全閥排出電池外；充電時負極也會析出少量氫氣，這部分氣體也只能排出電池外。這樣電池內(nèi)的水就會逐漸缺失，積累到一定程度就會發(fā)生干涸，這種現(xiàn)象在環(huán)境溫度過高或電池表面散熱性能較差時，更容易發(fā)生。第52頁，共62頁。熱失控閥控式鉛酸蓄電過充時正極產(chǎn)生的大量氧氣在負極復合，復合反映產(chǎn)生的熱使蓄電池溫度進一步升高，溫度升高又使電池內(nèi)阻下降，導致浮充電流增大，如此反復形成惡性循環(huán)。閥控式鉛蓄電池采用恒壓充電，充電電流只

23、受最高限流值控制，因此浮充電流可以在很大范圍內(nèi)增長。當浮充電流增加到足夠大時，閥控式鉛蓄電池便發(fā)生熱失控，電池殼體嚴重膨脹變形，最終導致電池失效。環(huán)境溫度、浮充電壓和通風條件是對熱失控有重大影響的外部因素第53頁，共62頁。蓄電池監(jiān)控單元的五大功能1、單體電池電壓測量。2、充放電電流測量3、電池溫度測量4、電池房環(huán)境溫度5、電池容量計算第54頁，共62頁。蓄電池監(jiān)控單元的五大功能 1、單體電池電壓測量。電池組單體電池電壓是最可靠的電池特征。對于損壞的單體電池，由于其內(nèi)阻增大，通常充電時表現(xiàn)為電壓過高，而放電時則表現(xiàn)為電壓過低，并會影響整組電池的容量。對于電池的相對過欠壓也同樣發(fā)出告警，例如超過或低于平均電壓的6%（約150mV）認為異常。第55頁，共62頁。2、充放電電流測量監(jiān)測電池組的充放電電流，根據(jù)充放電電流的大小可準確判斷負載過重，過充電、過放電等故障。第56頁，共62頁。3、電池溫度測量。通過監(jiān)測電池表面溫度也可對電池性能進行較準