电力自动化系统安全运行的保障——UPS电源
日期：2008-10-22 23:21:14 来源：中国自动化网
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[摘要> 随着电力系统的飞速发展，各地区对电网安全经济运行都提出了更新更高的要求，这就需要不断完善和提高电力系统的自动化水平，而为了使该系统中诸如计算机、RTU、VQC和变送器等设备能够安全可靠地运行，就需要有UPS做保障。
[关键词> UPS 发展趋势 工作原理 使用与维护
电源从它的发源地电厂出来，通过电网、变电站、输电线路、配电，直至各个用电终端，有如人体的血液，发自心脏，通向人体的各个器官、肢体直至各个角落。数字电力，无疑为发电厂的建设、生产、管理和运行提供了现代化的手段，而数字电力的基础仍然是它的动力——电源。
1 UPS发展趋势
1.1 工业UPS发展趋势
工业化生产过程中的用电设备可分为两大类型: 线性负载和非线性负载。对于那些对供电要求较严格的苛性负载来说，通常是由不间断电源UPS系统进行供电，这是因为UPS可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率，具有承受电网波动或扰动（浪涌、跌落、谐波）、间断甚至短时停电的能力，无论是线性负载或是非线性负载，UPS都具有低阻抗输出的特性。因此UPS电源系统在工业生产中得到广泛的应用，特别是在智能化仪表方面的应用。
随着电力应用技术的发展，UPS的负载也发生了极大的变化：
1.1.1 负载类型的变化
工业化生产特别是自动化仪器仪表已从早期的“模拟化”仪表发展到当前的“智能化、电子化”仪表，它们的区别在于：
★ 模拟仪表: 高功耗、复杂、数量大、模拟量传送、线性负载；
★ 智能化电子化仪表: 低功耗、简单化、数字化传输、非线性负载。
1.1.2 负载容量的变化
趋于中小型化，从早期的中大功率UPS（60～200KVA）为主发展到现在的中小功率UPS（30～80KVA）为主。
1.1.3 供电需求的变化
趋于高可靠性，从早期的单机型供电发展到 1＋1冗余并联型供电，大大提高供电可靠性，平均故障间隔时间MTBF提高了4倍。
1.1.4 供电质量的变化
趋于输入大范围、输出高精度、低失真度。
1.1.5 应用环境的变化
高热量、高噪音、高污染的使用环境正在改造为低功耗、低噪音、洁净的环境。
总之，“又大又笨”已不再是工业型UPS的象征，工业型UPS的发展趋势正在向着小型化、中小容量、低功耗、高效率、高可靠性的方向发展。
1.2 电厂用UPS的发展趋势
电厂专用的UPS电源大多数为三相输入、单相输出的中功率UPS，因为电厂的负载大多数为单相负载，配电线路简单、维护方便。
1.2.1 什么是真正的三进单出UPS
真正的三进单出UPS内部电路为纯单相设计，主要表现在逆变器为单相输出。“假的”或经过改造的三进单出的UPS，多为三进三出UPS加上三进单出的变压器改造而成，它存在如下问题：
★ 在输出端增加了三进单出的变压器，降低了整机效率（3%～5%）；
★ 三进单出的变压器仍然具有三分之一的不平衡电流（33.3%），造成UPS可用容量的下降，因此必须使用更高视在功率的UPS主机，通常为额定输出容量的2倍，利用率降低；
★ 增大主机的尺寸和占地面积，提高购置成本。
因此在实际应用中，在复杂的市场选型中，尽可能选择真正的三进单出UPS。
1.2.2 公用220V直流母排
为了提高供电的可靠性，电厂中通常是采用两台UPS组成1+1冗余系统为负载供电，并配之以隔离变压器、交流电压调节器作为旁路电源输入。但是UPS的电池组往往被省略，直接将UPS的直流端接入220V的公共直流母排，如左图1：
图1
这是因为电厂的自动化仪表DCS等往往需要直流220V输入，而每一个电厂都具有大容量的电池组，恰逢其用。但殊不知这是以降低供电可靠性为代价的省略，事实上从可靠性MTBF指标上细算起来并不划算。
假设: 单机UPS的可靠性MTBF＝400,000小时
则: 两台1+1冗余并联各带一组电池的UPS，其MTBF=4×400,000=1,600,000小时;
两台1+1冗余并联共用一组电池的UPS，其MTBF=1.1×400,000=440,000小时;
而三台2+1冗余并联共用一组电池时，其MTBF=0.9×400,000=360,000小时。
由此可见，只为节省两组电池而牺牲掉近三倍的MTBF并不划算。
另一方面就是UPS的效率问题。UPS的逆变器是将直流功率转换成交流功率输出的。一般UPS的直流电压在400V～460V左右，而电厂的直流电压为220V，由此带来的问题是：直流电压越低，则逆变器的开关电流就越大，而损耗是与电流的平方成正比的，因此损耗明显增加；同时大电流需要大容量的功率开关器件、大容量的一次侧绕组，较低的直流电压也需要较高变比的变压器，这些无疑是一种潜在的开支，直接影响到设备的投资成本、运行成本、设备的折旧等等。在电力系统走向市场经济的今天乃至以后，这种情况是不容忽视的。
1.3 “数字电力”中UPS的发展趋势
“数字电力”立足于电力系统的信息化建设，无论是电网的信息化建设还是电厂的信息化建设，最终还是会归结到信息技术IT领域中来。
在IT领域中，UPS电源作为所有信息数据和设备的电源保护产品，已经发展成为成熟的技术，这不仅是指UPS电源本身，还包括了以UPS电源为核心的整个电源保护解决方案。UPS电源保护方案中的 几个要素如下:
★ 高可靠性：是指UPS及其配套的产品应具有经过多年市场验证的质量和品质，产品质量可靠；
★ 高可用性：是指UPS系统包括供电、配电等，作为一个整体具有故障容错的能力，采用冗余的配置，含有内置的手动维修旁路，采用热备份或直接并联的冗余形式；
★ 高性能：产品应具有优异的技术指标，面向非线性负载设计，输出失真度小，过载能力强，抗短路、抗冲击；
★ 高效率：节能不仅关系到初期的投资环境投资，还与后期的运行费用有关，是一个长期的经济技术指标；
★ 可管理性强: 用户的操作界面具有模拟图、中文显示、直观的功能键，易于理解和掌握，还具有深度充放电保护、自动放电检测、实时后备时间显示、温度补偿充电等等。
★ 可维护性强：维修时对负载的供电无任何影响，同时维修又是一种安全的无电操作；
★ 良好的专业服务：专业化的电源保护产品的供应商，应具有训练有素的售后服务队伍、能够及时地排除系统故障、网络式的快速服务网点、充足的备品备件储存等。
2 UPS的工作原理
2.1.1 AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。
2.2.2 DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。
2.3.3 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2所示。
图2
3 UPS的使用与维护
3.1 UPS电源系统开、关机
3.1.1 第一次开机
★ 按以下顺序合闸：储能电池开关→自动旁路开关→输出开关依次置于“ON"。
★ 按UPS启动面板“开”键，UPS电源系统将徐徐启动，“逆变”指示灯亮，延时1分钟后，“旁路”灯熄灭，UPS转为逆变供电，完成开机。
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[关键词> UPS 发展趋势 工作原理 使用与维护
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电源从它的发源地电厂出来，通过电网、变电站、输电线路、配电，直至各个用电终端，有如人体的血液，发自心脏，通向人体的各个器官、肢体直至各个角落。数字电力，无疑为发电厂的建设、生产、管理和运行提供了现代化的手段，而数字电力的基础仍然是它的动力——电源。
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1 UPS发展趋势
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1.1 工业UPS发展趋势
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工业化生产过程中的用电设备可分为两大类型: 线性负载和非线性负载。对于那些对供电要求较严格的苛性负载来说，通常是由不间断电源UPS系统进行供电，这是因为UPS可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率，具有承受电网波动或扰动（浪涌、跌落、谐波）、间断甚至短时停电的能力，无论是线性负载或是非线性负载，UPS都具有低阻抗输出的特性。因此UPS电源系统在工业生产中得到广泛的应用，特别是在智能化仪表方面的应用。
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随着电力应用技术的发展，UPS的负载也发生了极大的变化：
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1.1.1 负载类型的变化
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工业化生产特别是自动化仪器仪表已从早期的“模拟化”仪表发展到当前的“智能化、电子化”仪表，它们的区别在于：
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★ 模拟仪表: 高功耗、复杂、数量大、模拟量传送、线性负载；
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★ 智能化电子化仪表: 低功耗、简单化、数字化传输、非线性负载。
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1.1.2 负载容量的变化
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趋于中小型化，从早期的中大功率UPS（60～200KVA）为主发展到现在的中小功率UPS（30～80KVA）为主。
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1.1.3 供电需求的变化
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趋于高可靠性，从早期的单机型供电发展到 1＋1冗余并联型供电，大大提高供电可靠性，平均故障间隔时间MTBF提高了4倍。
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1.1.4 供电质量的变化
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趋于输入大范围、输出高精度、低失真度。
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1.1.5 应用环境的变化
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高热量、高噪音、高污染的使用环境正在改造为低功耗、低噪音、洁净的环境。
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总之，“又大又笨”已不再是工业型UPS的象征，工业型UPS的发展趋势正在向着小型化、中小容量、低功耗、高效率、高可靠性的方向发展。
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1.2 电厂用UPS的发展趋势
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电厂专用的UPS电源大多数为三相输入、单相输出的中功率UPS，因为电厂的负载大多数为单相负载，配电线路简单、维护方便。
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1.2.1 什么是真正的三进单出UPS
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真正的三进单出UPS内部电路为纯单相设计，主要表现在逆变器为单相输出。“假的”或经过改造的三进单出的UPS，多为三进三出UPS加上三进单出的变压器改造而成，它存在如下问题：
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★ 在输出端增加了三进单出的变压器，降低了整机效率（3%～5%）；
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★ 三进单出的变压器仍然具有三分之一的不平衡电流（33.3%），造成UPS可用容量的下降，因此必须使用更高视在功率的UPS主机，通常为额定输出容量的2倍，利用率降低；
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★ 增大主机的尺寸和占地面积，提高购置成本。
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因此在实际应用中，在复杂的市场选型中，尽可能选择真正的三进单出UPS。
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1.2.2 公用220V直流母排
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为了提高供电的可靠性，电厂中通常是采用两台UPS组成1+1冗余系统为负载供电，并配之以隔离变压器、交流电压调节器作为旁路电源输入。但是UPS的电池组往往被省略，直接将UPS的直流端接入220V的公共直流母排，如左图1：
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图1
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这是因为电厂的自动化仪表DCS等往往需要直流220V输入，而每一个电厂都具有大容量的电池组，恰逢其用。但殊不知这是以降低供电可靠性为代价的省略，事实上从可靠性MTBF指标上细算起来并不划算。
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假设: 单机UPS的可靠性MTBF＝400,000小时
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则: 两台1+1冗余并联各带一组电池的UPS，其MTBF=4×400,000=1,600,000小时;
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两台1+1冗余并联共用一组电池的UPS，其MTBF=1.1×400,000=440,000小时;
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而三台2+1冗余并联共用一组电池时，其MTBF=0.9×400,000=360,000小时。
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由此可见，只为节省两组电池而牺牲掉近三倍的MTBF并不划算。
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另一方面就是UPS的效率问题。UPS的逆变器是将直流功率转换成交流功率输出的。一般UPS的直流电压在400V～460V左右，而电厂的直流电压为220V，由此带来的问题是：直流电压越低，则逆变器的开关电流就越大，而损耗是与电流的平方成正比的，因此损耗明显增加；同时大电流需要大容量的功率开关器件、大容量的一次侧绕组，较低的直流电压也需要较高变比的变压器，这些无疑是一种潜在的开支，直接影响到设备的投资成本、运行成本、设备的折旧等等。在电力系统走向市场经济的今天乃至以后，这种情况是不容忽视的。
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1.3 “数字电力”中UPS的发展趋势
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“数字电力”立足于电力系统的信息化建设，无论是电网的信息化建设还是电厂的信息化建设，最终还是会归结到信息技术IT领域中来。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
在IT领域中，UPS电源作为所有信息数据和设备的电源保护产品，已经发展成为成熟的技术，这不仅是指UPS电源本身，还包括了以UPS电源为核心的整个电源保护解决方案。UPS电源保护方案中的 几个要素如下:
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★ 高可靠性：是指UPS及其配套的产品应具有经过多年市场验证的质量和品质，产品质量可靠；
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★ 高可用性：是指UPS系统包括供电、配电等，作为一个整体具有故障容错的能力，采用冗余的配置，含有内置的手动维修旁路，采用热备份或直接并联的冗余形式；
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★ 高性能：产品应具有优异的技术指标，面向非线性负载设计，输出失真度小，过载能力强，抗短路、抗冲击；
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★ 高效率：节能不仅关系到初期的投资环境投资，还与后期的运行费用有关，是一个长期的经济技术指标；
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2 UPS的工作原理
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2.1.1 AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。
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2.2.2 DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。
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2.3.3 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2所示。
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图2
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3 UPS的使用与维护
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3.1 UPS电源系统开、关机
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3.1.1 第一次开机
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