UPS（UninterruptiblePowerSystem），即不间断供电系统，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断供电系统。
1.1
UPS基本功能
UPS主要用于给计算机、网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向系统电池充电；当市电中断(事故停电)时,UPS立即将电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS能始终向负载提供高质量的交流电源，达到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪音、补偿电压下陷、长期低压等因素干扰。
1.2
UPS种类
UPS大致可分成三种：离线式UPS、在线式UPS和在线交互式UPS。
1.1.1离线式UPS
供电系统正常时，市电通过旁路直接向负载供电，只有在停电时，才通过逆变器将电池能量转换为交流向负载提供电力供应。
离线式UPS的特点：
（1）当市电正常时，离线式UPS对市电没有任何处理而直接输出至负载，因此对市电噪音以及浪涌的抑制能力较差；
（3）保护性能最差；
（4）结构简单、体积小、重量轻、控制容易、成本低。
1.1.2在线式UPS
在线式UPS平常由逆变器输出向负载供电，只有当UPS发生故障、过载或过热时才会转为由旁路输出给负载。
在线式UPS的特点：
（1）输出的电力经过UPS的处理，输出电源品质最高；
（3）结构复杂，成本较高；
（4）保护性能最好，对市电噪音以及浪涌的抑制能力最强。
1.1.3在线交互式UPS
在线交互式UPS平常由旁路经变压器输出给负载，逆变器此时做为充电器。当断电时逆变器则将电池能量转换为交流电输出给负载。
在线交互式UPS的特点：
（3）控制结构复杂，成本较高；
（4）保护性能介于在线式与离线式UPS之间，对市电噪音和浪涌的抑制能力较差。
02
数据中心机房UPS系统设计原则及目标
2.1
设计原则
通用水务数据中心机房不间断供电系统是机房的关键基础设施，设计时应充分考虑机房的扩展空间。数据中心的所有营运负载几乎都是通过UPS电源来供电的，设计时应确保UPS以安全、经济、高效的模式运行，并具备维护使用方便、易于扩展等功能。
因此，设计时应注重以下原则：
（1）技术先进性：选用国际最先进的专业厂家产品；
（2）系统高可靠性：系统的硬件和软件均采用技术成熟的产品；
（3）系统运行管理方便：软件系统中文化，操作方便；
（4）维护方便：模块化结构，并具备专家自诊断功能；
（5）系统可扩展性能强：模块化结构有利于扩容与扩展；
（6）技术支持能力强：承建单位技术实力强，服务完善；
（7）投资少：系统选型具有高性能价格比；
2.2
设计目标
昆明通用水务自来水有限公司数据中心机房UPS系统，承担着数据中心机房的供电任务，故必须采用具有高度容错功能的冗余式供电方案，以确保无论是在市电电网出故障时或是在某台UPS电源发生故障时，还是在进行日常维护、检修操作时，或因故致使保险丝烧毁/断路器开关跳闸时，设备均能由UPS来供电；也就是说，在这种UPS供电系统的运行中，即使遇到某些部件偶然发生故障时，整个UPS供电系统必须仍能正常工作。
03
UPS系统配置方案
目前市场上的UPS系统最常用包括：(1)单台系统；(2)串联冗余系统；(3)并联冗余系统；(4)分布式冗余系统；(5)双总线系统。采用何种配置方案，应具体结合企业用户要求、UPS供电对象特点、可靠性、经济性和占用场地等多方面因素综合考虑，科学选择适合企业数据中心机房需求的配置方案。
3.1
单台系统配置特点
单台系统又称N系统，N系统指与关键负载规划容量相等的单台UPS模块或一组并联UPS模块构成的系统。其系统配置图1所示。其优点是：硬件配置成本低廉，工作效率高；可进行并机扩展增容(并联多达8个额定值相同的UPS模块)。
但单台系统存在的问题也很突出，其主要缺点为：
（1）可用性有限，因为如果UPS模块出现故障，负载将转换到旁路供电，从而处于无保护电
源下；
（2）在UPS、电池或下游设备维护期间，负载处于无保护电源下(通常，这种情况每年至少会发生一次，而且往往会持续2～4小时)；
（3）缺乏冗余，限制了在UPS发生故障时对负载的保护能力；
（4）存在多个单故障点，这意味着系统的可靠性由其最薄弱的环节决定。
图1单台系统配置
3.2
串联冗余系统
串联冗余设计概念既不需要并联总线，也不要求模块的容量必须相同，甚至不要求模块来自同一个制造商。在该配置中，正常情况下由一个主要的或“主”UPS模块为负载供电。同时，一个“串联”的或“辅助”的UPS模块为“主”UPS模块的静态旁路供电。该配置要求“主”UPS模块的静态旁路具有单独的输入电路。这种方式可以在保留现有UPS的情况下，对无冗余配置进行扩充，以获得一定程度的冗余。图2为串联冗余UPS配置。
串联冗余系统优点：可以将不同制造商或不同型号的产品混合使用；具备一定容错功能；对于双模块系统(1+1)而言，相对比较经济。其缺点主要有：
（1）依赖于主模块静态旁路是否能从冗余模块正确接收瞬变负载；
（2）如果电流超出逆变器容量，则要求两个UPS的静态旁路都必须能正常运行；
（3）主UPS转换到旁路时，辅UPS必须能够处理突然的负载变化。
（5）由于为保持电源不间断而设置的“辅助”UPS工作在空载情况下，因而运营成本提高了；
（6）“主”、“辅”双模块系统至少需要一个电路断电器(作为辅模块的维护旁路)，以便在市电与作为旁路电源的另一个UPS之间进行选择。这比只包含一条公共负载总线的系统要复杂；
（7）每个系统一条负载总线，因而存在单故障点。
图2串联冗余系统配置
3.3
并联冗余系统
在并联冗余配置方案中，多个并联的容量相同的UPS模块共用一条输出总线。并联冗余系统要求采用的UPS模块必须完全相同。在正常运行条件下，系统中的UPS模块均匀分摊关键负载容量。如果并联总线上某个模块因内部故障而停机或需要维护，则其它UPS模块将立即承担起故障模块的负载。由于有了此功能，因此可以从总线中取下任意一个模块进行修理，而无需将关键负载直接连接到无保护的市电上。
其主要优点有：由于配有冗余模块，故可靠性要高于单台配置；可根据电力需求的增长进行扩展，在同一装置中可以同时配置多个单元模块；结构简单，硬件成本低廉。
其主要缺点有：
（1）在UPS、电池或下游设备维护期间，负载处于无保护电源下(通常，这种情况每年至少会发生一次，而且往往会持续2—4小时)；
（2）由于各个UPS设备的利用率均低于100％，因此运营效率较低；
（3）并机台数增多时，大多数制造商都需要外部静态开关，否则系统转旁路时，负载将分配不均，波动范围高达15％。这不仅增加了设备的成本，还使系统复杂化；
（4）系统需要单独设置一个公共的外部维修旁路。
图3并联冗余（N+1）UPS配置
3.4
分布式冗余系统
系统以三个或更多个UPS模块及独立的输入和输出电路为基础。独立的输出总线通过多个PDU和STS与关键负载相连。系统配置见图3。该设计的最大弱点便是采用了静态转换开关。这种设备不仅十分复杂，而且存在一些无法预计的故障模式，其中最糟糕的莫过于它可能会引起两条输入线路短路。此时，由于STS造成两个UPS同时与负载接通，STS便成为了单路径故障点。SIS的故障会波及到上游，进而影响整个系统的运行。同时分布式冗余系还存在结构复杂，设备台套多，维护工作量大，成本高昂等缺点。
图4分布式UPS系统布置
3.5
双总线系统冗余
系统采用两条独立的供电线路，无单故障点，容错性极强。该配置为从电力入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余；在2(N+1)设计中，即使在同步维护过程中，也仍存在UPS冗余；无需将负载转换到旁路模式(负载将处于无保护电源下)，即可对UPS模块、开关装置和其他配电设备进行维护；各模块负荷均匀分配，分配关系清楚。系统结构如图5所示。
双总线系统主要缺点是：冗余组件数量多，成本极高；由于未达到满负荷工作状态，UPS效率低下；双总线系统需要对冗余组件进行分开放置，占用房间较多。
图5双总线系统UPS配置
3.6
配置方案选择
综合考虑后最终选择在线式并联冗余UPS系统配置方案，以进一步提高可靠性。该方案选用先进的整流技术，具有可靠性高、可用性高，易于维护、管理、扩容等特点，单机容量为40KVA，在线冗余备份UPS供电系统，对输入、输出电压进行处理，带输出隔离变压器，输入电压谐波＜5%，完全满足中心机房供电对象需求；方案预算投资合理，性价比高；场地占用较少，在现有机房上稍加改造即可满足占地需求。
系统用美国EMERSON公司UL33-0400L40KVAUPS两台并机，配置60只100AH冠军电池。60只电池需安装在2个电池柜；每柜装满电池后重量为1000Kg，2个电池柜总重量为2吨，UPS主机安装存放于办公楼二楼，考虑在该楼层的安装位置做结构重量均分系统，电池安装存放于在一楼电池间。
04
EmersonUPS产品特点
EmersoniTrustUL33系列UPS系统采用第四代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率器件和多重保护技术，可靠性高。采用先进的双DSP全数字技术，整机不需任何可调电阻，抗干扰能力强，无老化漂移问题。使用先进的分散式直接并联技术保证了在线扩容和系统冗余。瞬时值数字均流技术显著降低并机系统环流(<1A)，电流不平衡度＜1%。采用高裕量的功率器件，增强电网的适应能力。系统采用业内独有的UPS防雷技术，内置D级防雷。
系统的输入特性优异，具有超宽输入电压范围（-45％～+15％），可适应恶劣电网条件；宽频率输入范围（50Hz±10%），保证了发电机供电时UPS稳定运行；先进的六管IGBT高频整流技术，无须附加外界设备，输入功率因数可达到0.99以上；应用瞬时值波形控制技术，大幅降低输入电流谐波(iTHD<3%)；使用低直流母线纹波，延长了电池寿命。
系统输出特性优异，其逆变器采用高精度矢量控制技术，输出电压稳压精度高，动态响应快，且畸变率低；逆变器具有带100%不平衡负载的能力，抗过载及抗冲击能力优异；输出采用⊿/Z0隔离变压器，可有效抑制输出电压的三次谐波畸变。
系统本机监控管理措施完备，采用独创的自适应UPS并机层通讯，无需任何附加设备，可以通过任意一台UPS监测并机UPS系统信息；支持RS232、RS485、SNMP、MODEM多种后台通讯方式。
UPS系统具备自诊断、自保护功能，可以实现自动声光报警、E-mail和BP机报警，其人机界面友好，便于操作和维护；操作简单，具备“一键开机”功能；支持远程、自动开机，可实现无人值守。
05
结束语
昆明通用水务自来水公司数据中心机房采用在线式并联冗余UPS系统，选用的美国EMERSON公司UL33-0400LUPS，可靠性高，性能先进，可实现智能化监控管理，维护方便，极大提高了数据中心设备运行的可靠性与安全性。自该系统建成至今持续稳定运行近3000个工作日，已达系统设计目标，为公司安全高效生产，实现企业信息化管理和“智慧水务”提供了有力保障。