概述

随着信息技术的不断提高，信息化建设无论在什么领域都越来越重要。而随着经济的发展，各地的用电紧张、用电环境新的危害也不断出现，停电和电源污染会损害智能化设备和信息化网络设备，造成重要数据的丢失，影响正常运营。由此，UPS不间断电源系统应运而生，在智能建筑、智慧工厂、智慧医院等各类项目中，信息化、智能化系统的建设离不开UPS不间断电源系统的支持。通过UPS不间断电源系统为信息化、智能化设备提供优质、可靠、安全的电源，对信息化、智能化设备的良好运行及使用寿命起着重要的保护作用。

1 系统设计原则

(1)系统成熟性

系统设计时应优先考虑采用技术上成熟的，在国内的重大项目中使用多年，并经证实为先进、可靠和经济的国内国外知名品牌。

(2)系统开放性

系统设计遵循开放原则，便于升级、扩展。后期UPS功率需求增加可实现并机运行。能够与环境监控、系统集成等平台软件对接，实现远程监控功能。

(3)系统可靠性

系统设计根据其功能、重要性等采用经证实的可靠的技术，严格按相关标准执行，确保信息系统的长期稳定运行。

2 参考规范

《民用建筑电气设计标准》(GB 51348-2019);

《低压配电设计规范》(GB50054-2011);

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB 50343-2012);

《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010);

《数据中心设计规范》(GB50174-2017);

《供配电系统设计规范》(GB50052-2009);

其他国家相关规范。

3 UPS选型分析

UPS主机分为高频机和工频机，高频机又分整机和模块化两类。

3.1 高频机

高频机采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)整流，IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几千赫到几十千赫，甚至高达上百千赫，远远高于工频机，因此称为高频UPS。

高频机的优点在于输出效率高，没有变压器，质量轻、体积小、噪声小，对空间、环境影响小，相对于工频机价格低，适用于空间小、工作环境比较好、预算有限制的场所。

缺点:高频机输出没有变压器隔离，如果逆变功率器件发生短路，则直流母线上的高直流电压直接加到负载上，抗冲击能力低。无输出变压器不具备隔离谐波功能。不适用于工厂等电源环境和使用环境较恶劣场所。

3.2 工频机

工频机采用晶闸管(SCR)整流器，该技术经过半个多世纪的发展和革新，已经非常成熟，其抗电流冲击能力非常强。由于SCR属于半控器件，不会出现直通、误触发等故障。并且设置隔离变压器能有效将逆变器输出的直流分量和负载隔离，很好地保护负载安全，特别对于开关类及感性类负载很有必要。

工频机优点在于抗冲击能力强，可靠性比高频机高。设计上属于工业类机型，能够适应较为恶劣的电源环境和使用环境。

缺点:工频机设有隔离变压器，输出效率低，对楼板的承重要求比较高，体积大，对空间要求高，价格高等。

3.3 模块机

模块化UPS属于高频机，采用多模块冗余架构，模块本身就是一台UPS主机。模块化最大优点能够提高系统的可靠性和可用性，一个模块出现故障并不会影响其他模块的正常工作，模块可实现热插拔，缩短了系统的安装及维修时间。

模块化UPS不仅在性能上有很大提高，而且在可靠性、可维护性以及智能化方面的指标更有显著的提高。与塔机相比，模块化UPS主要特性如下：

(1)并联冗余，运行稳定，可靠性高。模块化UPS主机是由多块模块化并联在一起，他们不分主次，互不依赖，且均匀负载。在模块化UPS系统中，只需要购买相应的功率模块，就可以按需构成 N+1、N+X冗余系统。

    (2)维修方便，在线处理，可靠性高。在线热插拔是模块化 UPS的又一个显著特点。

(3)安装简单，扩容方便，节约投资。模块化UPS在物理尺寸和整机重量方面比传统机型有大幅度改进，为用户节省大量的机房投资、承重加固投资。

(4)节能、环保的绿色电源。模块化产品由于自身的系统架构优势，整机效率比传统机型有了很大的提升。模块化UPS输入功率因数≥0.99，没有无功功率电流输入，不干扰电网并且大幅降低能源的消耗。

4 UPS容量计算

UPS不间断电源系统设计时应结合供电范围、项目规模、用电设备类型综合考虑UPS容量及台数。

一般安防监控机房独立设计一台UPS，供电范围包括监控机房及大楼弱电间的门禁、报警、监控、网络等智能化设备。

《数据中心设计规范》要求数据中心内空调设备和电子信息设备不应由同一组UPS不间断电源系统供电。因此数据中心机房内应至少设置两组UPS，一组用于空调设备供电，另一组用于机房内服务器存储、交换机等网络设备供电。

弱电间的智能化设备根据建筑结构大小可与机房共用一套UPS，也可独立设置一套UPS。

UPS不间断电源系统的基本容量可按下式计算：

E≥1.2P

式中:E为UPS不间断系统的基本容量(不包含备份)(kW/ kVA);

P为UPS用电设备的计算负荷(kW/kVA)。

实际经验表明，UPS负载率对运行效率有很大影响。一般情况下，UPS的效率会随着负载的提高而提高，并且会在负载率达到70%时效率达到高点。

UPS不间断电源效率每提高一个百分点可节约10%~20%的电能费用，可为企业带来可观的收益。由此可凸显出模块化UPS的优势，初期配置使UPS负载维持在70%~80%，后期扩展可根据需求增加模块，同样减少初期投入。

5 后备电池配置

在UPS不间断电源系统运行过程中，若发生市电断电情况，UPS主机所带的蓄电池必须短时间内向逆变器提供足够的直流电能，保证负载能够得到持续的供电。用户有充分时间可以根据市电恢复时间决定所带负载是否继续照常运行，避免数据丢失或者突然断电损坏设备。

UPS后备时间长短根据所配置电池数量、电池容量、负载率、电池工作环境、电池损耗情况的多种因素决定。只有充分考虑以上情况才能正确配置蓄电池的实际容量需求。提供通用的UPS后备电池计算公式如下:

根据电池提供的“电池恒功率放电数据表”来计算所需的后备电池的容量值。蓄电池厂家提供的电池恒功率放电数据表常规以2V的单元电池为计算基准来提供电池所可能提供的功率(W)值，所以，应按以下公式来计算电池所提供的总功率值(W)。电池“电池恒功率”放电公式:

P(W)=[P(VA)xPf]/n

Pnc=P(W)/(Nxn)

P(W):电池组提供的总功率;

p(VA):UPS标称容量(VA)

Pf:UPS功率因子

n:逆变转换效率

Pnc:每cell需要提供的功率

n：机器配置的电池数量:

N:单体电池cell数

Vmin:电池单体终止电压。

例如，一台60kVA UPS主机后备0.5小时所需电池容量及数量计算如下:

UPS主机输出功率因数按0.8计算，采用恒功率计算方法，同时单体电池放电电压不低于1.75V/ cell。

UPS额定输出视在功率:60kVA

UPS额定输出有功功率:60kVA x0.8(PF)=48kW:

UPS逆变器效率:98%;

UPS蓄电池配置:每组可以采用40节12V蓄电池串联组成。

UPS蓄电池最低工作电压:330V(可以在330V以上任意设置)。

蓄电池组额定放电功率:48kW x1000/98%=48979.59W。

如果蓄电池组按照40节12V蓄电池串联的蓄电池组配置:蓄电池终止电压为1.75V(蓄电池组终止电压1.75Vx6x34=420V>330V)。

这时，平均每蓄电池承担48979.59W/40=1224.49W

1组由40节12V蓄电池串联组成的蓄电池组，平均每节蓄电池承担1224.49W。

根据蓄电池恒功率放电参数表，每节12V100AH蓄电池在终止电压为1.75V时0.5h恒功率放电功率=1389W。

因为，1389W≥1224.9W说明蓄电池的配置满足UPS系统的设计要求

所以，60kVA UPS在额定输出时，配置1组12V100AH每组40节串联的蓄电池组。蓄电池组能够满足单机0.5h的放电时间。

UPS主机后备电池组数原则上不应大于4组。在使用过很长一段时间后，电池损耗程度不一样，电池内阻发生变化，电动势随即不同，电池组之间的电动势可能会相差更大，组数越多，这种差异增大的几率越大。电动势大的电池组会对电动势小的电池组放点，在并联的电池组间形成环流。电池组间环流会引起发热、加速电池老化等问题。

6 承重计算

UPS不间断电源系统承重计算需包含UPS主机、电池、电池柜、底座等相应设备重量。在设计核算UPS系统承重时应与结构专业确认UPS间楼板的承重能力。根据建筑结构荷载规范》规定，一般民用建筑活荷载取2.0KN/m2，即200kg/m2。就算书库、档案室、储藏室等也只有5.0KN/m?。常规民用建筑活荷载无法满足UPS不间断电源系统承重的要求。

因此在《数据中心设计规范》中，不间断电源系统室活荷载标准值为8~10KN/m2，电池室活荷载标准值为16KN/m?

设计中不管UPS间楼板的承重能力是多少，均应进行负荷计算。具体计算方案按60kVA UPS主机后备时间0.5小时举例计算如下

(1)60kVA UPS高频主机重量:255kg，各品牌有差异

(2)电池重量:12V100AH每节电池约30kg，40节电池一组，因此一组电池重量为1200kg;

(3)电池柜重量:一个电池柜约100kg;

(4)底座:底座设计相对较为繁琐，需确定楼板承重后才能计算，本次计算暂按800kg/m2。

UPS主机及电池柜底座采用8#槽钢制作，1m约为8.045kg。UPS主机重量为255kg，尺寸为500x800x1600mm(宽x深x高)，按照UPS主机尺寸制作底座架高0.3m，所需8#槽钢为6.4m，UPS主机底座重量约为6.4x8.045=51.488kg。因此UPS主机和底座 总体重量为306.488kg，UPS主机占地面积为0.4m2，核算楼板承重为766.2kg/ m<800kg/m，UPS间楼板承重能力满足要求。

蓄电池柜底座同样采用8#槽钢制作，蓄电池及电池柜总重量为1300kg，底座散力面积应大于1300/800=1.625㎡，考虑底座本身重量，散力架按照与地面接触面积2.1㎡计算，电池柜尺寸为915x965x1400mm(宽x深x高)。底座散力架设计如图1所示。

根据散力架底座设计图，8#槽钢需22.85m，因此蓄电池组及散力架底座总重量为1200+100+22.85x8.045=1483.83kg，散力架占地面积为2.1㎡，核算楼板承重为706.59kg/m2<800kg/m”， UPS间楼板承重能力满足要求。

最后，UPS不间断电源系统承重计算书应提交建筑结构专业进行复核确认。

7 安装要求

7.1 排气及通风

UPS不间断电源系统工作时主要发热部分是整流模块。为了保证设备前后通风，要求系统具有较宽的自由空间，机柜前后至少预留800mm 的自由空间无阻碍或挡风设备，保证空气流畅。

7.2 电缆布置要求

为防止电耦合，交流电缆应与直流电缆和信号电缆分开布放。

7.3 安装地面要求

UPS不间断电源系统要求安装在混凝土水泥地面上或者不易燃的金属安装支架上。

7.4 防静电要求

在防静电方面，要求机房内设备、墙体和人对地静电电压的绝对值小于200V。最好敷设防静电活动地板或防静电磁砖，静电防护接地电阻应不大于10Ω。设备的开箱、装运与操作等必须注意静电防护。

7.5 照明要求

机房照明方式可分为一般照明和局部照明。一般照明即整个房间的照明，局部照明即安装在机架上或工作台上的一种照明方式。

7.6.空间尺寸要求

(1)UPS不间断电源系统机柜正面与机房的墙面之间距离不应小于1.5m。

(2)机柜背面与机房墙体之间距离不应小于0.8m。

(3)电源系统机柜侧面与机房墙体之间距离不应小于0.8m。

(4)如果机柜安装方向相同，一机柜背面与另一机柜的正面之间距离不应小于1.5m。

(5)如果机柜背靠背安装，一机柜背面与另一机柜的背面之间距离不应小于1.2m。

(6)机柜之间应设立维护走道，宽度不应小于2m。

(7)电池组与机房墙体之间距离不应小于0.2m，电池组之间的维护通道不应小于0.8m。

UPS不间断电源系统正面通道应不小于1.5m，侧面与墙之间距离应不小于0.8m，背面与墙之间距离应不小于0.8m。

7.7 承重与防震要求

对于多地震地区，UPS不间断电源系统安装时，应有防震措施。首先机柜安装时应采用膨胀螺栓周定，其次是对设备进行防震加固，因系统相对较重，要求安装地面承重能符合要求，具体的承重要求根据机房其他设备的配置情况来确定。

7.8 消防要求

机房应符合电力配电消防规定，如配置干粉灭火器或自动爆炸消防球等。

8 结束语

UPS不间断电源系统在数据中心、数字城市、数字医疗等项目的配电系统中扮演着非常重要的角色。随着UPS不间断电源系统被越来越广泛使用，业主方对其设计要求越来越高。合理的设计方案可以为业主节省造价及后期运行维护费用。在设计方案中应充分考虑 UPS用电需求及今后扩展需求，并合理布局UPS间满足建筑结构要求。