UPS不间断电源如何选择，配置和成本控制

1.简介

对电源保护的需要从未像现在这般迫切，公司试图加快业务步伐，以应对挑战并抓住云计算/物联网时代的机遇。他们不仅依靠IT系统，还借助于办公室工厂计算机系统、制造工厂机械、零售销点系统和其他设备来实现这一目的。

这使得客户作为电气承包商或集成商的工作变得更加重要，因为甲方依靠集成商的专业知识来确保他们提供可靠供电 。为了迎接这一挑战。您需要充分理解不间断电源 UPS 在提供 高可用性的电力基础设施方面所发挥的作用。

本文着重介绍UPS不间断电源的基本知识。通过以下几页的内容 ，您将了解：

最新一代UPS的特点和功能

节能的新运行模式

单相和三UPS的选择

如何选择适合的UPS容量

最新的UPS电池配置方案，包括锂离子电池的优点。

五个基本的UPS配置选项，及对应的冗余级别。

停机成本以及如何帮助客户降低UPS购买成本。

维护对于UPS可靠性的重要性

最后一项尤其重要， 因为它意味着巨大的机会。通过为客户提供UPS维护和监控服务，利用最新UPS中的功能实现远程管理，总包商可以获得新的、 持续性的业务来源 。

2.UPS不间断电源的操作模式、特点以及基础功能

关于UPS市场，需要了解的第一件事是在过去几年里产品的变化有多大。传统UPS是公司购买、安装并且忘掉它的存在静态“静音”设备。这绝对不是一件好事，因为UPS不间断电源需要定期进行维护。

在UPS不间断电源的众多特点中，今天的产品更加智能，使它们能够将状态报告给集中管理平台，以便公司在某台设备出现异常时可以实时监控到这一情况。目前的UPS也比之前的产品更加节能。

在本节中，我们将介绍一些现代UPS不间断电源的运行模式和功能等方面的知识。

1. 运行模式

2. ECO模式UPS已经存在十多年,在技术创新的驱动在技术创新的驱动下,现在 才开始受到用户欢迎。

   通过双电源变换,UPS为负载提供可靠的“清洁”电源。市电进入UPS后,交流电经过整路电路变成直流,滤波为电池充电。

   在这个过程中会有能量的损失。Eco模式试图通过旁路转换过程来避免功率损耗,并将UPS正在保护的负载与市电直接相连。UPS只有在检测到电源中断时,才会开始执行只有在检测到电源中断时,才会开始执行滤波功能。

   这种技术之前一直未被客户接受,因为滤波功能的启动需要花费几毫秒的时间-在许多情况下这意味着设备面临不可接受的风险。而一种新形式Eco模式通过逆变器的持续运行来解决这个问题,但在没有保证的情况下来解决这个问题,不再执行全功率调节和双转换。但由于逆变器一直在线,因此可以在需要时立即切换,施耐德电气将这项技术称为 ECOnversion,并发现它提供 的效率虽然有时可能会低于传统 eco模式能达到的99％,但却未降低可靠性。

3. 远程管理

   许多客户希望通过集中式IT或分布式管理整个企业中安装的所有 UPS 。许多UPS现在都有网络接口,通过网络管理卡可以实现对这些UPS的远程监控 管理,在某些情况下还可以对UPS进行双向管理 。

4. 自动关机

   当UPS检测到市电中断时，它可以自动执行负载设备的正常关机。这对于必须以有序方式关闭避免长时间重启或损坏的IT服务器和医疗设备等而言非常重要。在某些情况下,关机命令可通过UPS端口进行自定义。例如,客户可能希望服务器仅在UPS处于电池低电量时关闭。

5. 冗余

   鉴于 UPS旨在当市电发生中断时提供备用电源,UPS本身不发生故障这一点尤为关键。在通过UPS的内部设计和配置多个UPS实现冗余并机以保护不同的负载方面,存在多种选择以确保UPS的安全可靠运行.例如就内部设计 来说,单个机柜支持热插拔电源模块、电池和智能控制模块以及冗余电源模块等功能。请注意，此类仅适用于极为关键的业务 。

6. 断电通知

   不同类型的UPS在检测到市电故障时,甚至当电源与预定义阈值不同时也会发出报警。报警可以包括声音报警、发送到管理控制台的报警以及电子邮件或文本消息。

7. 电池更换警告

   同样,UPS会在电池量不足以接受充时发出警告。这是任何类型的UPS的一项重要功能,因为一旦安装UPS后,客户很容易忘记 UPS 被安装在机房中 ，
   

   从而忽略了日常维护(例如检查电池寿命)。

8. 状态显示

   在没有集中式UPS管理的情况下,客户希望能够一目了然地检查设备的状态。某些UPS型号自带可以显示参数 LCD屏，包括负载状态和运行时间， 以及显示电池寿命的柱状图。

9. 事件日志

   维护事件日志的能力对于故障排除和希望跟踪历史趋势的公司(客户)非常重要。

10. 环境监控

    UPS 还可以检测并报告可能对其性产生不利影响的环境条件。例如，过热或冷的环境会缩短电池寿命件。

11. 电池选项

    大多数传统UPS依靠铅酸电池来存储电能 。这类电池效果好,但重量很重， 占用相当多的空间现在锂电池正在取代铅酸电池与UPS配合使用,锂电池在更小的空间内储存更多的能量 。更重要的是,与铅酸电池相比,锂电池的维护成本要经济得多。

    
    

3.选择正确的UPS不间断电源

帮助客户确定哪种 UPS 最适合他们的需求要提出大量问题。一旦确定哪种UPS系列最佳-单相或三相– 再问一些问题就可以帮助您确定满足客户需求的 UPS了。

从最基础的问题开始:为什么客户需要UPS?究竟是什么设备要保护?现场是否有用发电机，或客户希望UPS单独为负载供电?如果是这样,需要多长的后备时间 ？

A.选择单相或三相UPS

接下来,查看UPS要保护的负载。设备电压范围或KVA值是多少？仅此一项就可能告诉您客户需要单相还三相是多少？

通常情况下,20KVA或更低的负载配备单相UPS是安全可靠的。较大的负载可能需要三相UPS 。

如果确定需要三相UPS ，则下一个问题是使用三进单出配置还是三进三处。三单UPS三相输入单相输出,而三三UPS三相输入三相输出 。

一般确定了使用哪种类型的三相UPS后,就回到了需要了解UPS将要保护的负载类型这个问题上来。服务器等IT设备通常使用单相电源,而MRI等医疗设备或大型工厂车间机器可能使用三相电源。

纵向型行业的特点也需要考虑。例如,在石油天然气行业中三进单出UPS是常见的，仅因为这些公司不希望花费额外的精力去处理三进三出UPS所需的负载平衡 的问题。为负载提供单相供电更加简单高效。

在需要三进三出UPS的情况下,负载平衡问题确实会变得很棘手。例如,如果您有一台30KVA的三相UPS ，则在UPS的输出端每相均提供10KVA的功率。这意味着您必须平衡负载以确保三相负载大致均衡,而不会超过其中任何 一相的容量。

另一方面,使用三相系统 的优势在于可以采用集中式电源保护方案 ，使用一台大型UPS用于保护整栋建筑物或一组关键电路。从这个意义上讲，它可以简化您的电源保护方案。

B.确定 UPS容量

虽然下游负载消耗的能量是确定UPS类型的第一步,下一步需要确定运行时间 。

如果你问客户他们需要多少运行时间，他们中的大多数都回给你一个白眼；他们对这个指标没有概念。有些人会说，“十分钟。” 当你再次问他们为什么需要10分钟时,他们可能不知道;UPS提供大约10分钟的电力,这只是普遍的期望。实际上,情况并非如此。UPS可以提供一分钟备用延时,五分钟或更长。

当市电中断时客户所需延间的长短取决于现场是否有发电机。如果现场有发电机,那么在启动之前客户只需要一两分钟的延时来为负载供电即可。

如果现场没有发电机,UPS将单独为负载供电,您必须确定客户需要多长时间。

安全关闭UPS正在保护的设备。根据设备的数量,同样可能存在很大差异。虽然如前一节所述,某些UPS可以编程为自行关闭所连接的负载，从而大大加快关机速度。但在其他情况下,您需要满足特定标准,例如应急照明需要持续运行90分钟。

选择UPS的容量时，应考虑其运行不超过额定容量的60％至 70％，实际上 40％至 50％更常见–这是出于安全性和为未来扩展留出空间的考虑。

C.电池选项

所需的运行时间可能会影响到选择哪种类型的电池最适合客户的需求.电池类型的选择成为客户越来关注的方面,这得益于锂电池现在可用于UPS,与铅酸电池相比它具有相同的存储容量,但体积更小重量轻。而且在一些特殊的应用中，飞轮UPS更为适合 。

4.找到正确的组合：5种UPS不间断电源配置的设计选项

一旦确定了客户需要的UPS尺寸,下一步就是深入研究客户可接受的风险级别，这将决定构建UPS部署的冗余程度。

五种基本的UPS设计配置提供不同级别的冗余。所有这些都用计算公式表达 ，使用字母“ N”表示关键负载的“需要”，或者为受保护设备供电所需的功率容量。这对于构建IT网络和设备很常见。比如说,例如,需要三台服务器来支持某一应用。如果被配置为仅使三台服务器，那就是N系统。如果有四台服务器可用，以防一台服务器出现故障，那就是 N + 1系统 。

五个基本的 UPS 配置,按可靠性程度依次增加,分别为:

满容量或 N设计

串联冗余

并联冗余（ N+1）

分布式冗余

系统 +系统（ 2N ，2N+1）

A.满容量或 N设计

N系统包括单个 UPS 或一组UPS,其容量与关键负载容量相匹配,请参见图 1。这是迄今为止最常见的UPS配置,无论办公桌下的单个UPS 还是 400kW用于保护设计容量为400kw的数据中心的UPS。将N系统设计方案视为保护关键负载的基本要求。

单模块“满容量”UPS配置

N配置的缺点是如果UPS出现问题，负载可能不受保护。特别是在具有多个模块的三相UPS中，这种结构引入了多个单点故障的风险 。如果任何器件发生 故障，内部静态旁路开关会将负载切换到市电 。此外,在UPS维护期间下游设备将不受保护。然而，维旁路开关至少可以使下游负载在UPS关闭进行维护时 能持续运行。

B.串联冗余

通过隔离冗余配置,主UPS或第一级UPS通常为负载供电,而第二级或“隔离 ”UPS则为主静态旁路供电,如图2所示 。这要求主UPS具有用于静态旁路电的单独输入。如果主UPS所带负载切换到静态旁路，那么隔离UPS会立即接受 全部负载,而非将其转移到市电回路。

该设计提供了一种增加冗余而无需完全替换已有UPS的方法。但其复杂程度大为提升,增加了更多的器件,引入了新的故障风险,从而导致可靠性降低 。更重要的是，即使 第二级UPS长时间空载运行,它也必须能够随时接受全部负载 ; 并非所有UPS都能执行该任务。这种设计也增加了运营成本,因为有一台UPS 空载运行但不断消耗能量。

串联冗余UPS设置

C.并联冗余（ N+1）

并联冗余配置由多个容量相同的UPS并联运行并提供公共输出总线。如果“备用”UPS容量至少等于一个UPS的容量,则该系统被认为是N + 1冗余。参考前述设计容量400kW服务器机房的例子。在这种情况下，需要两个400kW UPS才能实现N + 1冗余,或者三个200kWUPS与公共输出总线相连。在后一种情况下,即使其中一个UPS发生故障,UPS系统仍然能够承担全部400 kW 的负载，而无需将负载切换至静态旁路。（如果设计有四个200kWUPS,则被视 为N + 2,因为当其中两个UPS可能出现故障时,整套系统仍能支持400kW)

与容量配置相比，如图 3所示的设计实现了高可用性；与串联冗余结构比，故障概率较低,因为所有UPS始终在线。这也是一种更简单、具成本效益的结构 。

并联冗余（N+1)UPS配置

在这种结构中的所有UPS必须为相同设计、厂商、 相同额定值、相同技术和配置。即便如此,UPS 的上游和下游依然存在单点故障的风险 。如果负载超出单个UPS容量,或者并机控制板误动作,则负载也可能在维护期间处于未被保护 的状态 。因为单台设备的利用率不足100% ，因此其运行效率也较低。

D.分布式冗余

分布式冗余设计是在20世纪90年代后期开发的，用以提供完全冗余的能力

而无需增加相关成本。这种设计通常用于大型数据中心，尤其是金融机构。

此设计将用到3个或以上带有独立输入和出馈线的UPS,输出总线通过多个 PDU连接到关键负载,在某些情况下还连接到静态转换开关(STS）。STS有两个输入和一个输出。其通常接受来自两个不同UPS的电源，并为负载提供来自其中一个UPS的净化电源。如果主UPS发生故障，STS将在大约4到8毫秒内将负载切换到辅助UPS，从而始终为负载提供电源保护。

存在许多用于配置分布式冗余设计的选项，但这些选项都应能实现并行维护最大限度减少单点故障。另一方面，由于开关设备的广泛使用，该计成本也相对较高。配置也可能变得复杂。在保持系统负载均匀方面提出了挑战。这种方案能效较差 ， 因为UPS通常在远低于满载的情况下运行。

分布式冗余UPS配置（带STS)

E.系统 +系统（ 2N ，2N+1）

系统 +系统模型是业内公认的最可靠的设计。该设计可以组 成一个可能永远不需要将负载切换到市电的UPS系统，因为这个设计旨在消除所有可能存在 的单点故障。

与分布式冗余方案一样，对于如何配置系统+系统模型存在许多选项， 其中还包含各种他名称括：串联并行;多并行总线， 双端系统 ，2（N + 1）， 2N + 2 ，[（N + 1）+（N + 1）]和2N ，见图 5。根据设计师的和业主的需求，设计可以非常简单也复杂。

其基本理念是允许系统内各台电力设备发生故障或关闭， 而无需将关键负载转换到市电。要实现这一点通常会涉及到旁路，由于旁路的存在允许系统的部分设备关机，系统被旁路到另一路备用电源，以始终为所有负载提供来自 UPS 的供电 。简而言之，该设计需要两路供电来支持所有关键负载， 并实现从系统的进入端一到末端，即关键负载端的完全冗余。

毫无疑问，由于冗余组件的数量及其较低的能效水平,系统+系统的系统设计 在五个系统中成本最高。但考虑到其所保护负载的重要性,这种设计的 高成本是合理的。实际上,世界许多大企业都使用这种设计来保护他们的关键负载。

2(N+1)UPS

5.哪一种因素才是制约UPS不间断电源选择和配置成本的首要考虑点

您选择的不间断电源（ UPS ）的部署设计将与您的客户对风险的容忍度和潜在停机成本密切相关。简而言之，如果停机成本很高对风险的容忍度可能很低 -所以你会需要采用一种更为可靠的设计方案 。

根据信息技术情报咨询公司（ ITIC）的调查， 虽然停工成本因行业而异，但几乎所有大型企业（超过 1,000名员工）都表示，一小时的停机成本超过 10 万美元。81％的受访企业表示每小时的成本超过30万美元；而33％的企 业表示 ，停机时间每小耗资100万美元或更多 。

ITIC发现一些纵向型行业的停机成本每小时超过500万美元，包括：银行 /金融；卫生保健制造业零售以及运输和公用事业。

甚至许多拥有150名员工或更少的中小型企业（ SMB ）也报告停机成本高，其中47％的人告诉ITIC，一小时的停机使他们的收入和员工生产力损失达到10 万美元。

A.计算停机成本

当然，每家公司的停机实际成本会有所不同。要确定客户的停机成本，您需要计算损失劳动力（包括福利），再乘以中断可能影响的员工数量。最重要是，计算公司 再乘以中断可能影响的员工数量。最重要是，计算公司每天的收入，以及因停电而受到影响是多少。

您可以看到零售、金融服务和制造业等纵向型行业的成本如何变得非常高。

例如，一家半导体制造工厂。如果生产过程中工艺突然停止，可能需要数天或周才重新启动，工厂不得废弃正在生产的批次。因此，这些工厂竭尽全力防止电力中断-以及可能威胁正常生产的任何其他因素。

通过与客户一起进行成本-停机分析，可以了解哪种类型的UPS架构最合理。虽然提供更高级别保护的设计将加昂贵，但如果它们甚至可以防止一两个小时的停机间，那么对于某些纵向型行业的公司而言，这可能是值得的。

请记住，同一客户可能对应不同应用有不同的UPS 需求。例如， 医院可能希望高度冗余的 UPS不仅可用于其成像设备和手术室，而且还可以用于应急照明和HVAC。同样，数据中心不仅需要为其 IT 系统提供电源保护，还需要为系统提供电源保护，还需要为HVAC等机械负载以及安防系统提供电源保护。但在同一建筑物内,可能会有较少的关键应用可以通过UPS来进行保护 。

B.维护因素

请记住，如果想要UPS按预期目标工作，必须在整个生命周期内对其进行适当维护。客户在 UPS维护方面有多种选择，首先是UPS供应商签订预防性维护合同。此类通常涵盖服务，例如技术人员每年来一次或两次，以便目视检查诸如UPS连接、滤波器、电容器、电池和风扇等器件。任何看似可能出现 、电容器池和风扇等件。任何看似可能出现 、电容器池和风扇等件。任何看似可能出现故障的器件都会被更换 。

预防性维护的升级是主动性维护计划 。这包括相同的目视检查 ，但也涉及根据制造商的预期生命周计划更换某些器件 。该服务类似于汽车保养，需要在特定时间或里程间隔内进行各种部件的更换 。例如 ，对于模块化UPS，建议每隔3到5年更换一次电池（取决于使用情况 、运行时间要求、环境和其他因素 ），每隔 10 年更换一次电源模块等器件。

在过去几年中，一些 UPS 制造商已经实施了另一种类型的维护：预测性维护。预测性维护基本上利用了物联网（ IoTIoT ） 技术，从 UPS 收集有关其健康状况的各种数据，并使用这些数据来确定器件的维护或更换的趋势 。通过这种方法，公司只需更换实际存在故障风险的器件 ，无论是在其预期使用的寿命之前或之后。

这些维护计划及其附带的相关成本，都应被纳入到风险分析中。正如UPS旨在降低与电源中断相关的风险一样，维护计划可以降低 UPS出现故障的风险。