北京海洛斯科技发展有限责任公司
摘要：长期以来，在国内数据中心电源的设计、建设与应用过程中，供电质量的安全可靠一直被放在极其重要的位置，为此UPS不间断电源作为这一保障的重要组成部分，其发展改进也从未停止过。同时如何确保UPS在投入使用后能为系统提供可靠保障，也是一个十分重要的问题。
在UPS安装施工结束后，必须对UPS的工作状态及带载能力进行检查，进而保证设备可以正常投入使用，为后端负载提供必要的保护。在UPS测试过程中，首先要熟悉UPS不间断电源的工作原理，然后根据数据现场情况和设计要求选择合适的测试方法，进而对设备进行全面的测试，以保证系统的运行安全。
在测试UPS不间断电源时主要考虑以下几个方面：
数据中心电源设计的整体需求；
国家和行业的相关规范；
UPS不间断电源系统的工作原理；
测试现场的实际情况；
不同的数据中心有不同的用电负荷和安全等级，针对不同的设计要求、使用对象，我们制定详细有符合实际情况的测试步骤，保证测试工作顺利进行，进而为项目投产扫清障碍。
关键词： 数据中心，UPS，切换逻辑
绪 论
随着5G技术的发展，大数据时代的到来，数据中心在互联网行业、金融行业、各大小政企单位的应用越来越多，也越加重要。在信息化高速发展的今天，数据中心建设已经成为我们社会发展的一个重要部分，作为数据中心能量保障的配电系统特别是UPS不间断电源系统更是数据中心能够长期稳定运行的决定性因素。
在数据中心基础环境建设中，供配电系统作为命脉所在。UPS不间断电源作为这一关键系统的主要组成部分，在施工结束之后，投入使用之前，设备的功能验证测试是一个绝对不可或缺的环节。
通过UPS功能验证测试，可以验证系统切换逻辑是否正确，核验施工工艺是否满足规范要求，并且测试设备容量是否满足设计需求，及时发现系统缺陷，避免后期出现其他问题。
一、UPS不间断电源概述
1、UPS简介
UPS（Uninterruptible Power System），即不间断电源系统，一种以整流器、逆变器、电池为主要部件的可以储能的装置。
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图1－1 UPS内部系统图
UPS不间断电源的主要工作原理是采用AC-DC-AC变换器。第一级变换（AC-DC）采用SCR三相全控桥式整流器（工频机），把三相交流输入电压变换成稳定的直流母线电压，整流器同时兼充电器功能。逆变器主功率采用大功率绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为其逆变元件（工频机），把直流母线电压逆变回交流电压。市电正常时整流器和逆变器同时工作，给负载供电的同时对电池进行充电。当市电异常时，整流器停止工作，转由电池经逆变器向负载供电；若电池电压下降到放电终止电压，而市电还未恢复正常，UPS将关机（如果主旁路不同源且旁路正常，系统转由旁路供电）。[1]
2、UPS的分类
UPS按工作方式主要分为：在线式和后备式两大类；
UPS按变压器特点主要分为：工频机和高频机两大类；
目前，国内对工频机及高频机的定义是以整流器的调制频率来区分，整流器的调制频率为工频（50Hz）调制的，定义为工频机，整流器采用高频（上千Hz）调制的，定义为高频机。[2]
3、UPS的工作模式
UPS主要有主路模式、电池模式、旁路模式、维修旁路模式几种常见工作模式，部分配电系统设计过程中会根据实际情况配置有UPS外部维修旁路。正常情况下，UPS维修旁路开关和外部维修旁路开关断开状态，其它开关处于闭合状态：
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图1－2 UPS系统图
（1）主路模式
市电正常时，UPS整流器和逆变器同时工作，整流器将输入端交流电源转换成直流电，一方面给电池充电，另一方面经过直流母线再通过逆变器将直流电源转换成交流电源，通过输出开关，为后端负载供电。
（2）电池模式
当市电断开或整流器故障导致整流器输出中断时，电池停止充电并开始放出电能，电能通过直流母线，经逆变器转换成交流电源，由电池为后端负载供电。
（3）旁路模式
当电池放电电压过低触发设备电池保护断开电池组开关，或逆变器故障，导致逆变器输出中断，此时静态转换开关动作，切换到旁路，后端负载由旁路供电。
（4）维修旁路模式
正常情况下，维修旁路开关处于断开状态。
特殊情况下，当UPS需要进行内部维修或清扫时，整流器、逆变器等元件需要停电，而后端负载供电不能中断。此时，为保证后端供电的连续性，需要在UPS处于旁路模式下闭合维修旁路开关，之后断开其它开关，设备关机维护，让UPS工作在维修旁路模式。
二、UPS对数据中心的重要性
随着数据中心的规模越来越大，承担的业务越来越多，重要性越来越高，对供电电源的可靠性、稳定性和连续性的要求也愈加严格。有了安全可靠的电源供应，才能保证数据中心的连续几年甚至十几年的安全稳定地连续运行。
UPS可以提为后端负载供纯净、连续、稳定的电源，在数据中心的运行过程中，UPS发挥着不可替代的作用。
三、数据中心UPS功能验证测试方法分析
1、UPS的单机和并机模式
单机模式：UPS单台运行为后端负载供电，主要有前文提到的主路模式、电池模式、旁路模式、维修旁路模式等工作状态。此时UPS可以为后端负载提供纯净的电源，但当主机故障时，系统将无法为继续为后端负载提供可靠保护，相对来说，单机模式安全系数高于市电供电，但低于并机工作模式。
并机模式：UPS并机模式主要有串联热备份和并联热备份两种工作方式，当前数据中心行业UPS配置主流工作方式为并联热备方式：两台或两台以上（不多于四台）同品牌、同型号、同功率的UPS并联运行，向后端供电，共同承担负载。
2、数据中心UPS供电电源品质要求
额定工作电压：220/380V
额定工作频率：50Hz
稳态电压偏移值范围：﹢7%~-10%（交流供电时）
稳态频率偏移值范围：±0.5Hz（交流供电时）
允许断电持续时间：0~10ms[3]
零地电压：不大于2V[4]
3、单机运行的UPS切换逻辑
UPS单机运行时，正常状态为主路运行，即整流器和逆变器同时工作，电池浮充状态；
当整流器输出中断时，UPS切换为电池模式，整流器停止工作，电池放电，逆变器工作正常，主机发出报警；
当逆变器输出中断时，UPS切换为旁路模式，主路输出停止，由旁路供电带载；
当UPS负载率超过100%是，UPS切换到旁路模式，由旁路带载；
UPS旁路电源和维修旁路电源同源，特殊情况下，有需要的时候，可以在旁路模式手动闭合维修旁路开关，让维修旁路带载。
4、并机运行的UPS切换逻辑
UPS并机运行时，任意UPS整流器输出中断，都会切换到电池模式，由电池放电带载；
对于N+1（N=1，2，3）工作模式的UPS，若出现单台UPS逆变器输出中断，则负载会切换到其他UPS，由其余UPS带载；若多于1台UPS逆变器输出中断，则其余UPS也同时切换到旁路模式，关闭逆变器。
5、UPS施工工艺检查验证
UPS的施工工艺检查主要是验证系统的安装是否完好，组件是否完全，并且检验设备的运行状态及线路连接，排查隐患，避免设备送电时发生意外，以下为UPS施工工艺检查测试方法：
表3-1 UPS施工工艺检查记录表
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6、UPS单机功能测试验证
UPS的单机功能验证主要测试UPS单机切换逻辑是否正确、报警功能是否正确、UPS带载能力是否满足设计需求、UPS输出电源品质是否满足设计及规范要求，如测试结果符合预期，则说明设备正常，可投入使用。
测试工具：三相电能质量分析仪、热成像仪
（1）切换逻辑及报警功能验证
1）UPS开机，工作在主路模式；
2）断开UPS主路输入开关，检查UPS是否切换到旁路模式，检查UPS报警内容；
3）恢复UPS主路输入开关，检查确认由电池模式切回主路模式是否正常，检查报警是否消失；
4）关闭逆变器，检查UPS是否切换到旁路模式；
5）闭合维修旁路开关，断开主路、旁路、输出、电池开关，验证维修旁路模式是否正常；
6）闭合旁路开关，闭合输出开关，断开维修旁路开关，验证维修旁路模式回切是否正常；
7）闭合主路开关，开启逆变器，闭合电池开关，验证UPS是否工作在主路模式。
（2）UPS带载能力及输出电源品质测试
1）接好假负载，接好测试仪器，UPS开机，工作在主路模式，测试并记录UPS空载电源品质及系统空载温度；
2）增加假负载至设计容量的20%，运行15分钟，测试并记录UPS输出电源品质，及系统温度；
3）如无异常，间隔5分钟，依次增加负载至设计容量的100%，运行30分钟，测试并记录UPS输出电源品质及系统温度；
4）如无异常，依次切换到旁路模式、维修旁路模式、电池模式，测试并记录切换过程中的阶跃响应及系统温度，验证各模式下设备能否正常运行，验证电池后备时间能否满足设计需求。
7、UPS并机功能测试验证
UPS的并机功能验证主要测试UPS并机切换逻辑是否正确、报警功能是否正确、UPS带载能力是否满足设计需求、UPS输出电源品质是否满足设计及规范要求：
测试工具：三相电能质量分析仪、热成像仪
现场情况：3台200kVA维谛Hipulse系列UPS 2+1模式并机运行
1）连接假负载，接好测试仪表，UPS开机，工作在主路模式测试并记录UPS空载电源品质及系统空载温度；
2）增加负载至设计容量的20%，测试并记录UPS电源品质及系统温度；
3）关闭1台UPS逆变器，验证负载能否切换至另外两台带载，测试并记录系统阶跃响应；
4）继续关闭第二台UPS逆变器，验证UPS是否全部关闭逆变器并切换到旁路模式，测试并记录系统阶跃响应；
5）开启1台UPS逆变器，验证负载是否切换到另外两台旁路模式下的UPS，测试并记录系统阶跃响应；
6）再开启1台UPS逆变器，验证负载是否切换至两台主路模式下的UPS，测试并记录系统阶跃响应；
7）开启第三台UPS逆变器，验证3台UPS是否均分负载，测试并记录系统阶跃响应；
8）如上述测试结果符合预期，说明UPS并机切换逻辑正常，继续增加负载至设计容量的100%，测试验证UPS的带载能力；
9）100%带载情况下UPS输出电源品质稳定，符合设计要求和国家及行业规范，则说明UPS正常，可投入使用。
结 论
随着数据中心机房建设的普及化和更加成熟，作为供电质量保障的UPS不间断电源系统所发挥的作用也就越发重要，其工作方式也越来越多样化，因此，结合实际情况选择合适的UPS测试方法是测试工作能够顺利进行的前提基础，只有在充分理解UPS工作原理、运行模式并结合数据中心实际需求的基础上，我们才可能做好UPS的测试，才能及时准确地发现系统存在的问题，进而提出合理的整改建议。
参考文献：
[1] 艾默生网络能源有限公司，HIPULSE U 系列UPS用户手册【Z】，1.2章节，2009年1月
[2] 吕伟升：科华恒盛，UPS常见三种机型比较分析【J】，《UPS应用》2018年06月
[3] 中国电子工程设计院，GB 50174-2018 《电子信息系统机房设计规范》，北京：中国计划出版社，20017年10月
[4] 中国国家标准化管理委员会，GB/T 2887-2011 《计算机场地通用规范》，北京：中国质检出版社，2014年1月