信息通信网络中UPS 的使用特点及要求           侯福平

摘要 本文阐述了信息通信网络中 UPS 系统应用的现状，从 UPS 的工作原理出发，介绍了 UPS 在信息通信行业使 用的特点，提出了存在的关键技术问题和需求，并指出了 UPS 系统的新技术进展情况。

关键词 信息通信网络、UPS 系统、使用特点、要求

一、 UPS 系统在信息通信网络的应用情况 随着人类对通信业务的需求日益增长，信息通信网络的演变正如数年前所预测的那样，迅速向

计算机与通信（C&C）的紧密结合的模式发展。建立在以软交换技术为基础的核心网络技术上的下 一代信息通信网络（NGN）以及第三代移动电话（3G）都将以计算机网络技术作为平台。当今的 信息通信网络，从技术的发展趋势上已经是 IT(信息技术)与 CT（通讯技术）的日益融合。虽然在 下一代信息通信核心网络层面为了保证供电安全的可靠性，仍将以直流电源作为基础供电电源模 式，但在业务支撑系统平台上，使用交流电源供电模式也将同时并存。基于计算机类设备的大量应 用，UPS 系统设备在信息通信网络上的使用也越来越多。

在宽带数据业务方面，随着电信行业的业务转型，尤其是 IDC 业务的大力推广，目前 IDC 机房 中对 UPS 的需求甚猛。通过客户对 IDC 机房 UPS 系统供电质量的感知，把通信电源专业一下子从 后台直接推向客户服务的前台，直接感受到客户服务的需求压力和客户满意度。可以说 IDC 业务及 其 UPS 供电系统，是通信电源专业直接面对客户的一个窗口。

在应用前景的推动下，UPS 系统供电技术本身也得到了很大提高。相对于其他电源供电技术而 言，UPS 供电技术仍处于发展时期。

目前，就信息通信网络而言，使用 UPS 供电越来越普遍，其供电对象已经由单台计算机设备发 展到业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、业务支撑平台乃至整个信息通信网络。供 电对象的范围主要涉及到计算机终端、服务器、路由器、交换器、显示器、磁盘存储阵列、小型机 等。供电的方式也由小型 UPS 分散供电演变到大型 UPS 的集中供电、为保证供电可靠性，甚至采 用双路、n+1 的并联热备份供电方式。

二、 UPS 技术原理及应用特点

所谓 UPS(Uninterruptible Power system)即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要 组成部分的衡压衡频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备 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，同时它还向机内蓄电池充电；当市电中断（停电）时，UPS 立即将机内蓄 电池的电能通过逆变转换的 方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软硬件 不受损坏。

UPS 是专门为计算机设计的一种不间断电源，UPS 离不开计算机，计算机也离不开 UPS。随着计 算机的广泛应用，使得 UPS 也得到了广泛的应用。典型的 UPS 工作原理图如下：

图 1 UPS 工作原理图 我们知道，对于计算机设备来说，显示器和主机工作都需要正常的电力供应。尤其是内存，对

电源的 要求更高。它是一种依赖电能的存储设备，需要不断地刷新动作来保持存储内容。一旦断 电，所保存的内容立即消失。如果非正常断电，导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上， 就会造成信息因完全丢失或变得不完整而失去价值，从而浪费大量的工作精力、时间，甚至造成巨 大的经济损失。而 UNIX 这样的操作系统，如果不正常关机，内存中的系统信息没有回写到硬盘上， 还可能造成系统瘫痪，无法再次启动。此外，计算机中的 硬盘虽然应用的是磁存储介质，，不会因 为断电而损失信息，但突然的电力故障会使正在进行读写工作的 硬盘物理磁头损坏，或者系统文 件在维护文件系统时，造成文件分配表错误，从而造成整个硬盘的报废。另外，现在的操作系统大 都能设置虚拟内存，由于突然断电，使系统来不及取消虚拟内存，从而造成硬盘中的 “信息碎片”， 不仅浪费了硬盘存储空间，还会导致机器运行缓慢。因此，必须在交流供电系统中，能够保证瞬间 停电时的供电。在这种背景下，UPS（不间断电源）应运而生。

UPS 系统设计的初衷，首先是保证停电时为计算机设备提供一个缓冲时间，以保存数据，完成 关机流程。因此，对后备时间的要求并不高，一般只要几分钟到十几分钟就足够了。

同时，由于使用 UPS 后产生的电气隔离作用，使其在消除市电不稳定所存在着很多电能质量问 题，例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供

电中断等，能起到很好的作用。所以，UPS 不但直接用于计算机上，而且凡配有计算机的设备（如 医学上的 CT、工业自动控制设备、计量仪表等）、雷达站、通讯系统、数据中心机房（IDC）等， 均使用 UPS 作为后备供电使用。

在信息通信网络上使用 UPS  的目的和侧重点与工业生产用途有很大差别。在工业生产过程中 UPS 最主要的是作为清洁电源使用，其应用目的首先是要减少甚至消除各种电源缺陷和电磁干扰， 其次才是保证不中断供电。而在信息通信网络中，UPS 首先是作为一种应急后备电源，确保在需要 时维持网络的不中断。所以，在不同的应用场合，对 UPS 需求的重点是不同的。

与信息通信网络的基础供电电源——直流供电系统相比较，UPS 系统在应用方面也有很大的区

别：

三、 关键技术难点和存在问题

在一般的用电场合或者是其他行业，与直接市电供电方式比较，使用 UPS 系统供电的可靠性已 经是非常高的了。而在信息通信网络上，由于我们已经有－48V 直流电源作为基础电源，因此与直

流供电系统比较，UPS 供电系统仍存在一些关键技术瓶颈。

1、 系统可靠性

虽然 UPS 的技术发展很快，特别是在 UPS 设备本身随着电子技术发展和电子芯片集成度的提 高，通过冗余备份技术，其主机的可靠性已经可以做得很好，生产厂家已经号称可以做到 5 个“9” 甚至 7 个“9”，但是由于 UPS 技术本身的性能特点，决定了 UPS 系统的可靠性并不高。这是因为 从根本来说，UPS 系统的输入和输出都是交流电，而交流电本身的频率、相位及电压特性决定了它 不能通过简单的并联方式来实现冗余和备份，也就必然有许多地方势必成为供电的单点故障点，一 旦出现故障无法用备份电源或备份回路及时保证供电和信息通信网络不中断。整体来看，在信息通 信行业这个特定环境使用 UPS，其供电可靠性仍远逊于直流供电系统。

从实际使用情况来看，现实的确如此。例如：在某个大型本地网自 2000 年起统计，投入使用的 各种品牌的不同型号 UPS 系统超过 50 套，至今为止，都出现大小不同的故障，有些甚至引起供电 中断输出，信息通信网络瘫痪。

2、 系统后备时间

由于 UPS 的工作电压比信息通信网络使用的直流基础电压高，因此 UPS 可以输出更大的供电 功率，但就后备时间而言并没有优势。目前的蓄电池生产技术，一般常用的单体 6V 或 12V 的通信 用蓄电池只能做到 100AH～200AH，延长后备时间只能通过增加并联蓄电池组来实现，而受蓄电池 单体电压离散性等因素限制，蓄电池组并联的数量一般不超过 4 组，所以一般 UPS 系统的后备时间 只能在 15～60 分钟左右；单体 2V 的通信用蓄电池则可以做到 3000AH，如果需要达到与直流系统 同样的后备时间，所需蓄电池的数量是直流系统的 8 倍，如果使用类似 IGBT 整流的高电压 UPS 设 备，所需的蓄电池只数更多。所以，UPS 系统设计后备时间远低于直流系统。

3、 客户的期望值与实际技术水平的差距

对于一般人来说，对 UPS 的理解往往停留在字面上，他们的期望值是很高的。他们会认为所谓 的 UPS 就是永不间断的电源，对 UPS 系统出现断电或停电维修是不可理解的。

十几年前的信息通信网络还是以话音通讯为主，客户对网络的质量并不太直接感知，例如通话 断了，只是觉得通话质量差一点，再重拨一次，重复一句就可以了。当今的信息通信网络已经逐步 演变为一个以数据通讯为主的数据通信网络，网络传送的数据信息越来越多，对网络质量的要求也 越来越高，客户对供电质量的感知越来越直接。哪怕有一点抖动，导致正在传送的数据位发生了一 位变化（例如由“1”变成为“0”），就会铸成大错，无可补救，更何况是停电或者中断。数据网络 设备又往往是用 UPS 供电的，因此信息通信网络对 UPS 供电电源的要求也非常高，对安全供电的 要求也是非常之高。

4、 设备可维护性

随着 UPS 技术的发展，UPS 的自动控制何智能化程度也愈来愈高。许多检测功能和日常维护都 是由 UPS 系统本身自动实现和完成，维护人员只需进行一些面板上的操作和简单的清洁工作。这样 是大大减轻了劳动的强度，但另一方面，维护人员对技术和设备的了解就无法深入，一旦出现系统 自动控制无法解决的故障需要人工干预时往往是束手无策。

还有一些设备的厂家对关键技术和资料进行封锁，一些深层次的数据采集和维护工作往往需要 外接电脑和专用的加密软件来进行或者要通过主板上的地址跳线来实现，强迫用户必须依赖厂家来 解决问题，而厂家的售后服务往往不尽人意，出现故障后造成延误。

对于用户而言，信息通信网络上 UPS 系统的维护和供电保障已经成为老大难问题，对系统的掌 握程度越低，对厂家的依赖越大，对出现问题后的可控制能力越差，则感觉到设备的可维护性越差。

对于 UPS 本身必须进行的一些例行维护和零部件更换工作（例如改变设置、改变跳线、更换滤 波电容、更换开关甚至维护蓄电池等），以及对设备进行并机、扩容等工作，往往需要设备停电甚 至系统停电才能进行，无法在线不断电完成。这也是设备可维护性差的一个方面。

5、 设备的配置和规划

在信息通信网络中，UPS 是一种“关键基础物理设施”，它的配置，应该需要一种统筹考虑，并 在网络建设的初期规划好，有些设备是需要一次性投资建设的。但目前在国内电信运营商中往往对 这方面认识不足，考虑不周，无统一规划，投资渠道无保障，只能随主设备配套。造成供需矛盾突 出，或者重复建设。

6、 UPS 产品的同质化

在专业的供电系统中，UPS 正面临着两大挑战: 一方面，UPS“负载”的不断升级扩容，要求 UPS 必须能够承载用户阶段性的信息化发展战略; 另一方面，UPS 产品的同质化使厂商陷入价格战的泥 坑，厂商的收益和研发投入在逐步减少，交互影响形成恶性循环。目前，真正可以满足电信核心网 络需求的，提供给电信客户选择的 UPS 系统产品不是太多，而是太少。

四、 客户需求和技术要求

1、 对于信息通信网络而言，确保网络安全供电在不中断，始终是放在第一位的。因此 UPS 系统在信息通信网络上的使用，首先是作为应急的后备电源，要确保在市电中断时能够及时投入， 可靠倒换。

2、 要保证良好的售后服务。但凡是设备，就不可能没有故障和出现问题。关键在于对出现问 题后的响应即售后服务的保证和响应速度，必须将问题和故障控制在一个可控的范围内。

3、 不要轻易考虑转旁路！

4、 相对集中供电：在局站内实行 UPS 集中供电、专业化管理和专业化维护。在维护责任划分 上，《中国电信电源、空调维护规程》第 17 条已经明确规定：“UPS 系统的维护原则上职责划分如 下：3kVA 以下的系统，由使用部门负责维护；3kVA～15kVA 的系统，由动力维护部门负责提供技 术支持；15kVA 以上的集中供电系统，由动力维护部门负责维护。”

5、 系统配置

a)对于 UPS 单机容量的选择：60/100KVA~400KVA

b)系统配置：n+1 并联热备份(n≤3)

图 2单套 UPS 系统供电示意图

c)在负荷较大的场合，推荐采用双 UPS 系统并联冗余的双路供电系统，如图 3 所示。 在图 3 所示的系统中，单套 UPS 系统最大承载负荷功率 Pmax 为：

（其中，P 为 US 单机额定功率）

Pmax

 1 ( N  1)P

2

图 3二套 UPS 系统并联冗余的双路供电示意图

6、 供电对象的需求：不间断、长延时、高可靠性、可在线维护、真双路供电 五、 技术发展趋势

1、 模块化 UPS

模块化 UPS 是从设计和工作的原理方面来讲的，其本身(也就是模块)就是一台 UPS，包括整流 器、逆变器、静态旁路开关及附属的控制电路、CPU 主控板。与传统 UPS 相比，它最大的优点是 能够提高系统的可靠性和可用性，因为一个模块出现故障并不影响其他模块的正常工作，并且可热 插拔特性能够大大缩短系统的安装和修复时间。除此之外，模块化 UPS 能够给用户带来更好可扩展 性(有些产品可以不限制模块数量进行并联使用，并且相同或不同功率的模块可以任意组合)，这也 为用户的投资起到了很好的保护作用。

UPS 技术需要变革，而模块化被认为是 UPS 技术发展的趋势，因为相对于传统意义上的 UPS， 模块 UPS 具有三大优势。

首先，“模块化冗余并联”技术避免资源浪费。在行业用户的信息网络供电系统建设中，经常会 对高端 UPS 的容量产生错误的、或是过低或是过高的预计，其结果可能会导致采购成本过高、无法 满足负载需要或造成资源、空间及能源浪费等情况。模块化 UPS 通过可扩充的模块结构有效解决了 这一问题，它可以帮助用户在未来发展不明确的情况下分阶段进行建设和投资。当用户的用电负载 需求增加的时候，只需要根据用电规划阶段性地增加功率模块即可。

此外，在传统高端 UPS 产品中，一直存在着单台 UPS 容易出现单点故障的问题，以往用户对 此的安全保障措施是采用传统的“1+1”或“N+1”的冗余机制，这不仅增加了采购、安装及维护成本， 而且只能容错一次。而在模块 UPS 系统中，用户只需要购买相应的功率模块，即可实现“N+X”的故 障冗余及升级扩容。

其次，高安全、易维护的热插拔技术突破了应用瓶颈。电信、金融、电力等行业的故障往往是 灾难性的，其网络系统需要更高的安全体系保障。传统高端 UPS 在日常维护、设备维护期间均需要 采取转旁路的方式，而负载在这种情况下是不受 UPS 保护的。因此如果此时发生电源中断、过载等 故障，将会造成严重的损失，并且其维修过程相对繁琐，不利时效。模块 UPS 系统中采用的热插拔 技术可以允许单体模块在不需停电的前提下任意进入或退出并联单元，从而实现了并联系统的在线 维护，同时无需专门的仪器或技术即可进行。

目前，在中国市场上推动模块化 UPS 的厂家不少，境外的主要是美国的 APC 公司、瑞士 NEWVAE

公司和以色列的 GA（伽玛创力）公司等；境内的包括河北石家庄的联力创佳科技有限公司等。 目前有多种模块化 UPS 设备在市场上，但普遍模块容量比较小。多家模块化 UPS 设备制造公司

的 UPS 模块功率容量比较小，一般在 10KVA 量级，这样一个 UPS 机架可以插 10 个模块，总容量只 有 100KVA 左右。若要配置一个 400KVA 的 UPS 电源系统，则需要 4 个机架、40 个模块，集成如此多 UPS 模块，对并机电路要求非常苛刻，供电可靠性会大为降低。

模块化 UPS 的概念，有很多新特点引起了大家广泛关注。模块化 UPS 设备无论是模块功率、技 术指标、带载能力、模块倒换还是电池管理，都有着比传统整机式 UPS 设备更优越的地方。

2、 直流 UPS

早期的 UPS 是一种交流 UPS(AC-UPS)，主要目的是保持工频交流不中断。从图 1 可以看到， 为了达到这个目的就必须进行逆变，于是逆变器就成了 UPS 中的核心部件。UPS 性能的改善和功能 的提高，都集中表现在逆变器上，因此大家都围绕着逆变器大做文章，使逆变器成为 UPS 中电路最 复杂，工艺最复杂，元器件用得最多，要求又最严格、设计制造最困难，体积最大、造价最高的部 件，它占去了 UPS 整机成本、体积、重量和功耗的 90％以上，成为 UPS 技术、功能和制造维护的难 点集中地，当然也是 UPS 故障最多、可靠性最差的地方。

现时 IT 设备（计算机及其外设）的机内电源普遍采用高频开关电源技术。在市电的入口处都有 一个整流桥，交流电压通过整流桥，变成直流电压，而直流电压通过这个整流桥，当然还是直流。

图 4 是计算机内 ATX 开关电源的原理框图。

图 4 计算机内 ATX 开关电源的原理框图

传统 UPS 是 AC-DC-AC 模式，它有两个变换环节：一是整流滤波(AC-DC)环节，二是逆变(DC-AC) 环节。一台单相交流 UPS 向一台计算机供电的原理电路如图 5 所示。图中的左侧虚线框内所示的电 路为传统交流 UPS，它包括整流器、蓄电池和逆变器；图右侧虚线框内所示的电路，为计算机中的 ATX 开关电源，它包括抗干扰电路、市电侧整流滤波电路和 DC/DC 变换电路。图左侧的传统交流 UPS

电路中，市电 220V 交流电压经过无任何升、降压功能的桥式整流器，整流成＋300V 向蓄电池进行 浮充电，蓄电池上的＋300V 直流电压再经过逆变器逆变成 220V 工频交流电压向计算机供电。图右 侧的计算机 ATX 开关电源中，“市电侧整流滤波电路”再将 220V 工频交流电压整流成＋300V 直流 电压，而后再由 ATX 中的 DC/DC 变换器将＋300V 直流电压变换成±12V，±5V 和 3.3V 的直流电压 向计算机供电。由图 5 可以看出，左侧 UPS 中的整流器输出的直流电压，与右侧 ATX 中“市电侧整 流滤波电路”的输出电压都是＋300V，是相同的。这就说明逆变器将蓄电池电压＋300V 再逆变成

220V 工频是多余的。因此可以将 UPS 中的逆变器去掉，并直接将蓄电池的＋300V 直流电压，通过 计算机中 ATX 的“市电侧整流滤波电路”向计算机供电，如图 6 所示。要作到这一点，UPS 中的整

流器必须采用直接整流的方式，而不能带任何的升降压功能。

图 5 单相交流 UPS 向一台计算机供电的原理电路框图

图 6 ATX 中的“市电侧整流滤波”电路可以通过±300V 直流电压的示意图 从上图可以看到，实际上，是可以直接使用直流电源输出的直流电压从原来的交流入口处直接

接入用户设备供电，不必对原设备进行任何改动。

图 7无逆变器 UPS 向计算机供电的原理框图

比较图 5 和图 7 可知，去掉逆变器以后使 UPS 电路得到了很大的简化，只剩下了整流器、蓄电 池及静态开关，这时静态开关 2 变成了只用一个 SCR 的直流开关。

因此，对使用交流供电的用户设备实现直流供电，取消传统 UPS 中的逆变器，就产生了直流不 间断电源(DC-UPS)。

图 8 三相无逆变器 UPS 的原理电路

直流 UPS 不包括逆变器，对用户设备实现了直流供电，所以有如下优点： (1)无功率变换环节，效率高，节能显著，是一种真正意义上的节能产品。 (2)体积小、重量轻、节约资源，是一种真正意义上的环保产品。 (3)对用户设备无谐波干扰，对网侧亦无谐波污染，是一种真正意义上的绿色不间断电源。

(4)电路简单，故障率低，达到寿命期内无故障，是一种真正意义上的不间断电源和数据的保护 神。

(5)设计简单、制造容易、成本低、利润空间大，是一种高附加值产品。 可以认为，直流不间断电源(DC-UPS) 是 UPS 的一个重大突破，是 UPS 技术最彻底的革命。

如果能够投入实际应用，特别是在信息通信网络中投入使用，这将有效地提高 UPS 供电的可靠性和 可用性，大大减少电能损耗，节约能源。值得大家共同去探讨和研究。

参考资料

YDT1051-2000《通信局(站)电源系统总技术要求》

YDT1095-2000《通信用不间断电源-UPS》

DXJS1006-2005《中国电信数据中心机房电源、空调环境设计规范（暂行）》 DXJS1007-2005《中国电信数据中心机房电源、空调环境验收规范（暂行）》 郁百超《论传统不间断电源即将功成身退》

刘凤君《开关电源与 UPS 革命》