作者： 发布日期：2016-03-18 23:01 信息来源：http://www.jnnhdy.com/
一.从UPS的重要性谈起
随着制造业的不断发展，信息系统的合理应用已成为任何企业生存发展、获取竞争优势的根本。为创造更多的商业价值，保障信息在系统中的应用，可靠、不间断的电力系统供应成为企业信息系统运转的有力保证。若将信息系统比喻为指挥企业运转的大脑，那么UPS就是为这个大脑提供能量的心脏。在整个信息系统中，服务器是局域网的数据中心，如果服务器一旦出现断电等电力故障，后果是不堪设想的。根据国家电监会与中国电力企业联合会发布的报告显示，去年我国城市户停电时间为7小时，部分地区亦会反常的大面积缺电导致全国城市户均被限电；另据IDC统计在我国大城市停电的次数平均为0.5次/月，中小城市为2次/月，村镇则为4次/月。停电不仅会造成我们未保存数据的丢失，而且很有可能会造成电脑硬件的故障。
此外，不仅仅是停电，市电电网中还存在着包括断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动等多种市电问题。以电涌为例，电涌是指输出电压瞬间内有效值高于额定值的110%，持续时间达一个或数个周期。由于计算机的设定和结构决定了它应在特定的电压范围内工作，当电涌超出计算机能承受的水平时，计算机将出现数据乱码，芯片被破坏，部件提前老化，这些症状包括：出乎预料的数据错误、接受/输送数据失败、丢失文档、工作失常、经常需要维修、原因不明的故障和硬件问题等等。
表1 市电电网中存在的主要问题
因此，服务器虽然是经过特殊设计的计算机，本身运行特别稳定，但是如果没有稳定的电源供应，服务器也很难保持稳定工作。设想一下，如果服务器在读写硬盘中的数据时突然断电，硬盘上的磁头就可能会碰到每分钟转速高达1万转的盘片上，硬盘很可能就此“寿终正寝”了。硬盘坏了还不是最糟糕的事，硬盘储存的数据丢失了，才是最糟糕的，造成的损失可能会很大。如果带有磁盘阵列卡的服务器突然断电，会在硬盘上形成错误，在下次启动时，服务器的磁盘阵列卡会自动修复错误，但是这个过程需要半个小时以上，这对要求具有非常高的可用性的服务器来说，这半个小时是非常冗长的。
那么怎样来避免市电中存在的各种问题呢？这个时候就需要UPS来大显身手了。UPS作为一种储能装置，主要可为单台计算机、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，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，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。
图1 典型带有UPS系统的数据中心
二.UPS选型前的预备知识
1.UPS的组成
从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。
整流器：整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电（DC），经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用；
蓄电池：蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能是： 1.当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。 2.当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；
逆变器：通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；
静态开关：静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。
2.UPS的种类
随着信息时代的发展，UPS技术也日趋成熟。UPS按工作方式分类， 主要分为: 后备式、在线互动式、在线式等。
1. 后备式UPS
后备式UPS在有市电时，市电给电池充电，负载由市电供电；掉电后，电池储存的能量通过逆变器给负载供电。
图2 后备式UPS结构示意图
从结构图可知，当市电输入正常时，UPS经过滤波后直接将市电交给用户的设备使用，同时充电器（充电电路）给蓄电池充电。当市电断电后，后备式UPS会切换到电池逆变状态，由蓄电池提供后备能源对负载继续供电。由于逆变器为后备工作方式，后备式 UPS 对市电没有净化功能，且输出电压稳压特性差，多为准方波输出。
后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，比较小型办公企业使用。由于后备式存在一个切换时间问题，因此不适合用在关键性的供电不能中断的场所。不过实际上这个切换时间很短，UPS一般介于2至10毫秒，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持10毫秒左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。以施耐德旗下的后备式APC BK650-CH为例，其满负载时的典型备用时间1.6分钟,半负载时的典型备用时间为9.5分钟。一般后备式UPS一般只能持续供电几分钟到十几分钟，主要是让您有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低。
图3 APC BK650-CH后备式UPS
2.在线互动式UPS
在线互动式 UPS 是介于后备式 UPS 和在线式 UPS 工作方式之间的 UPS 设备，它集中了后备式 UPS 效率高和在线式 UPS 供电质量高的优点。在线互动式 UPS 的逆变器一直处于工作状态，具有双向功能：在市电正常时，UPS 的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池组充电，起充电器的作用；在市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池组的直流电转换为交流正弦波输出。在线互动式 UPS 也有转换时间，但比后备式 UPS 短，保护功能较强。另外，它还采用了铁磁谐波变压器，抽头调压在市电供电时具有较好的稳压功能。
图4 在线互动时UPS结构示意图
UPS的逆变器处于反向工作状态给电池组充电，在市电异常时逆变器投入逆变工作，将电池组电压转换为交流电输出，因此在线互动式UPS对电网的净化能力差，掉电转切电池有间断时间。当前的在线互动式产品在输入端会接简单的EMI滤波器，对电磁干扰有一定的抑制作用。因带有输出稳压装置，可以解决市电浪涌、电压波动等问题，对市电电网出现的频率不稳、波形畸变和高压尖峰等问题无能为力。优点是运行效率较高、结构紧凑、成本较低，能够适应大多数对断电要求不是很严格的场合，但不适合大型数据网络中心和其他关键用电领域。
图5 APC SUA1000ICH 在线互动式UPS
3.在线式UPS
在线式UPS的结构与后备式UPS有较大的差异，将后备式UPS的断电切换改为持续供电，结构如下图所示。
图6 在线式UPS结构图
对于在线式UPS来说，当市电供电正常时，它首先将市电交流电源变成直流电源，然后逆变器将直流电源进行斩波，再经逆变器的输出滤波器重新变成我们所需要的交流电来向负载供电。原存于市电电网上电压幅度不稳、频率漂移、波形畸变及噪音干扰等电源问题都得到了解决。当市电中断时，蓄电池提供后备能源继续供电。由于在线式技术不存在市电供电到逆变器供电的转换操作，所以它的转换时间为零。因此，只要不发生UPS因蓄电池被长时间放电而出现电池电压过低自动关机的状况，UPS电源就可以一直向负载提供高质量的无任何时间中断的电源，它和市电是否中断毫无关系。显然，这种高质量的交流电源是十分有利于维持用户设备的正常工作。
图7 APC SURT10000UXICH在线式UPS
表2 各种模式UPS对比表
3.UPS主要性能参数
UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义，应是企业选型时候需要考虑的重点。那么下列几项主要的性能参数是必须注意的：
（1）最大输出负载容量
最大输出负载容量是其中的一项非常重要的指标，容量越大，表示可同时接入到UPS上使用的设备越多。需要提醒的是，且不可一味地追求大容量，容量越大，UPS的体积也越大，价格也更贵，要依据自己的实际情况进行选购。比如你要对企业的一台服务器配备UPS提供电源保护，选购一台300~500瓦的UPS就能够满足你的需要了；如果你要对整个企业所有的机器都提供电源保护，那你就有必要参看UPS的随机说明书，或是在购买UPS的时候，将自己的使用要求告诉UPS销售商，请他们给你提供帮助和参考意见。
（2）电池备用时间
电池备用时间的长短，决定了当市电断电时，UPS能够给PC机及其外设持续供电多长时间。对于不同品牌、最大输出负载容量和实际负载容量相同的UPS来讲，由于它们可能配置了不同的蓄电池，因而能够给PC机及其外设持续供电的时间也是不一样的。这一点很重要。比如企业在进行不可中断的3D模拟建模过程，还需5分钟才能够完成，若UPS的电池备用时间达不到最低5分钟要求的话，则可能导致前期的工作前功尽弃。
需要告诉大家的是，电池备用时间的长短，受到很多方面的影响。一台UPS，它的最大输出负载容量越大，实际接入的负载越少，所能持续供电的时间也就越长，同时，UPS使用的年限和使用环境，都会不同程度地影响到电池备用时间的长短。
一般来讲，一台正常使用着的、最大输出负载容量为300W的UPS，在负载仅为一台PC机（可以包括一块外置或内置Modem）的时候，在市电断电后，能够持续供电八分钟左右。
（3）输出功率因数
UPS的输出功率因数是用户最为关注的技术指标之一，因为UPS输出功率因数的高、低将直接影响系统对各种负载的驱动能力，输出功率因数越大，UPS的带负载能力就越强，能够帮助用户节省更多投资，并实现长期节能策略。目前行业针对数据中心领域应用的大功率UPS一般输出功率在0.8阶段，仅少数厂家能够达到0.9的技术要求。
（4）智能控制水平
UPS智能技术一直是厂商竞争、用户关注的热点。UPS的智能化水平的高低取决于系统数控技术、智能监测、自诊技术等多方面，这些智能技术不仅是UPS可靠性、稳定性和可用性的有效保障手段，还利于用户进行维护和管理，另外在绿色数据中心理念下，这些数控技术提供的数据也是企业制定节能降耗策略的科学依据。
（5）电池管理技术
UPS电池管理是不容忽视的问题，相关数据显示，UPS系统的故障有70%来自电池的失效或故障，而最让用户头疼的是，电池故障（如失效）又最不容易被查觉。因此，有实力的UPS厂商，都会高度重视电池技术的创新，用户选型时应主要关注电池的管理功能，尤其是电池充放电自动转换、自动保护以及自诊测试等，这些功能对电池寿命的影响极大。
（6）工艺设计
很多UPS厂商不遗余力地在这方面下功夫，并将之作为产品卖点。事实上，UPS的设计工艺能够给用户创造更多的应用价值，例如提高系统的模块化水平并对功率密度、体积、重量等进行优化处理，即可降低用户的投资成本和长期维护成本，而且还充分节省了数据中心有效的空间资源，符合新时代下提倡的“节能、环保、省地”理念。
4.UPS拓展功能
现有的型号的UPS不仅能够给PC机提供电源保护，还能够利用自身配置的RJ45（以太网线接口）或RJ11（普通电话线接口）端口，对网络线缆或上网用的Modem提供突波保护，比如说，在雷雨季节，在利用电话线上网的时候，Modem存在遭受雷电袭击的危险，通过将电话线接入UPS的RJ11端口后再接入Modem，就可以避免雷电的袭击；利用UPS的随机软件，不但能够对UPS的使用情况进行实时的监控管理，还可以实现在市电断电的情况下自动保存文件后关机的功能。
三.UPS市场观察
纵观UPS市场格局，随着伊顿收购爱克赛、飞瑞(山特母公司)，施耐德收购APC、梅兰日兰，UPS 市场的格局大变，由过去多品牌的竞争逐步演变成三大国际厂商三足鼎立，雄踞市场的局面。
图8 促成三大国际电源厂商鼎立的并购事件回顾
就国内UPS市场销售情况而言，伊顿、施耐德电气以及艾默生网络能源成为行业的三大巨头，占据了第一阵营；而以科士达、科华为主的国内品牌成为UPS行业的第二阵营；第三阵营则主要包括华天、CSTK、USASUNTEK、LEUMS、SVC、韦德、鸿宝、PCM、英迈腾、艾普斯、振华等众多品牌组成。下图为活跃在我国的十大UPS厂商竞争力对比：
表3 十大主流UPS厂商（排名不分先后）
放眼UPS市场增长情况，随着中国UPS市场的快速回暖，2010年各主力厂商均取得了不错的销售业绩，其中，国外品牌中艾默生、伊顿增长较快；国产品牌中科华恒盛、易事特表现不俗，科士达稳定增长，施耐德旗下APC、台达均有小幅增长。另外，随着行业采购越来越规范，分销市场上价格越来越透明，UPS市场上打击了一批不成规模的厂家。活跃在中国UPS市场上几大国内外厂商的排名情况几乎没有变化，国外品牌占据六成以上的市场份额，本土品牌继续呈追赶趋势。
在小功率UPS市场中，由于APC一直以小型机见长，在小功率领域颇有建树，因此被施耐德收购之后，填补了施耐德在此方面的短板；而伊顿在收购了山特之后，形成了从小功率段到大型解决方案全覆盖的局势；而一直在大机领域颇有建树的爱默生则一直努力提升自己中小功率段的产品。现在的小型机市场竞争已经不像过去那样比拼厂商在某一方面的能力和优势，而成为UPS厂商整体综合能力和优势的比拼。厂商在资源调控、产品设计、渠道设置、销售服务等多个方面的能力成为竞争的主要因素。
四.UPS选型建议
针对个人及小型企业
随着中小企业信息化的快速发展，单位的供电系统显得越来越重要了，而中小企业本身由于规模不大、数据中心功耗较低，在针对UPS的选择上可以根据自身特点进行选型：对内置开关电源的小功率设备一般可选用后备式UPS，在用电环境较恶劣的地方应选用在线互动式或在线式UPS，而对不允许有间断时间或时刻要求正弦波交流电的设备，就只能选用在线式UPS。具体方法可按以下步骤实施：
1.估算用电功率
根据微机及其外部设备的用电功率，算出设备的总用电量。
2.了解UPS的供电状态
购买UPS电源之前，要了解UPS电源使用场地的供电状态。一般UPS电源对市电输入的要求是:输入电压38OV±10%、220V±10%;频率50±0.5Hz。如果使用场地供电状况低于这个标准则应另选输入范围宽的UPS电源，也可以在UPS电源前端加置稳压电源或者电压调节装置。
3.选用进口UPS电源应注意的问题
有些进口UPS电源输入输出的接线方式与我国不同，在选用时应注意改进的方法。美国的UPS电源，如保时(PulSe)，爱克赛(EXIDE)等型号UPS电源输入输出的接线方式和我国标准相反。简单地说，我国单相供电是左零右火，而美国则是左火右零。另外，还要注意到美标插座插头的样式和我国也不一样。在美国国家标准插头插座改为我国国家标准插头插座时，应注意内部的接头关系，不能简单地调线。
4.要“货比三家”而择优选用
目前，小型UPS电源的生产销售厂商很多，产品质量良美不齐，价格差别也很大，因而，应该多咨询、多调查，要对不同产品的技术指标和性能价格比进行认真比较;做到“货比三家”择优选用。
5.维修时便利也是选型的因素
UPS电源发生故障是正常现象，在选型时，维修的便利，也是不可轻视的因素，否则会给使用中维修带来不便。
表4 各厂商1KVA小功率UPS代表产品一览表（表中UPS各项参数来源于互联网，由e-works整理得出）
针对大中型数据中心
大中型UPS一般的输出功率均在5KVA以上，其中输出功率在5KVA～30KVA之间的UPS被称为中型UPS，输出功率在30KVA以上属于大功率UPS。由于微处理器技术的应用，现在的大中型UPS除了配备常规的整流器、滤波器、充电器、放电器、逆变器等外，它还可利用其它配件提供微处理器控制、负载类型自动识别、电池检测、LCD状态显示、逆变器自动适应调整、风扇速度检测等功能。目前大多数的UPS产品都提供了RS-232，RS-485通信接口，利用这种控制功能，用户可以实时监视UPS电源的运行参数，实现计算机系统和电源系统的互动；用户可以在计算机和网络中的各个结点上实时监视和控制UPS电源的运行，方便、快捷地检测、控制和管理UPS，并实现定时开关UPS、市电故障报警、自动关掉网络服务器等关键设备的功能。此外，厂商还很注重大中型UPS与应用环境的集成。在机房、智能大厦等自动化程度较高的电源系统中，UPS触点信号基本上都能与火灾报警信号、温度检测信号和保安系统等相连，以便灾难发生时启动报警信号，紧急关掉UPS或采取其它相应措施。
除了使UPS智能化以外，在具体的系统部署上，厂商还提出了并机、阵列等技术。UPS阵列技术借鉴了服务器和存储设备的阵列做法。当一个网络系统中所有的UPS组成一个阵列时，该阵列中的所有电源模块就会同时负担系统负荷，其地位完全平等，当某个模块出现问题而停止供电时，其它模块便会自动分摊多出来的电源负载，而且这一过程不必切断电源，完全由系统自动在后台完成，用户丝毫不会觉察到系统电源出了问题。
市电的电压过低、过高、浪涌、尖峰信号、线路噪音等异常问题都会引起数据丢失或错误、设备损坏或失控死机、停止工作等，从而造成重大的损失。正因为如此，选择大中型UPS的条件也越来越苛刻，除了考虑到上述小型UPS选择的条件之外，至少要具备以下几个方面的性能：
1.可靠性
中大型UPS作为一级供电设备，连接着很多重要的负载，因此，它的可靠性是最重要的，如果市电一切正常，而由于大中型UPS出现故障使负载断电，造成经济损失，那可真是得不偿失。衡量UPS可靠性的指标有工作效率、输出电流峰值系数、输出电流浪涌系数、过载能力和年均无故障时间等。UPS的平均无故障间隔时间MTBF仅仅是一个估算可靠性的参数，影响此数值的因素很多，它是一个无法检测的参数，而UPS输出能力的各项性能指标，都是可以量化的可靠性指标，在同等运行条件下，效率高、输出电流峰值系数和浪涌系数大、过载能力强的UPS，其可靠性必然高。
2.可管理性
中大型UPS系统的智能化主要体现在丰富的软、硬件监控功能上。在选购的时候，一定要了解UPS所配备的电源管理软件是否具有自我检查、智能提示、自动关机等功能。用于网络使用的UPS，最好能选配智能监控卡，以便通过Internet进行网络管理，实现集中监控或远程监控等功能。
3.可扩充性
传统UPS由于其结构上的整体性导致了其扩充性很差，如用户想提高UPS的供电能力，只能换一个新的UPS。现在大多数大功率UPS已经能够通过多机并联的方式对电源的容量进行大幅度的扩充：只须把几台并联UPS的输出电缆连接到一起，信号总线插头插到每一台UPS的相应位置就完成了扩充。因此，在选购大中型UPS的时候，选择具有可扩充性的产品不仅仅提高了UPS的可靠程度，也大大节约了购买和使用的成本。
另外用户还要注意UPS对电网的适应能力，切忌脱离实际需求而追求高指标。UPS对电网的适应能力包括输入电压范围、输入功率因数、对电网的谐波干扰和频率跟踪能力等。UPS对电网的适应能力越强，它对用户负载的限制就越少。
表5 各厂商10KVA以上大功率UP代表产品一览表（表中UPS各项参数来源于互联网，由e-works整理得出）
五.UPS未来发展展望
在2010年补偿性大幅增长的基础上，2011年，中国UPS市场增长率呈现小幅度的回落。但是，在中国“十二五”发展时期，随着4G网络的建设，战略性新兴产业的大力发展，预计中国经济环境将恢复稳定局面，中国UPS市场将持续稳定增长。展望未来三年，中国UPS市场的发展特点如下：
高频机将占据主流，高压直流机逐步进入市场：高频机、工频机和高压直流机是UPS技术领域一直谈论不休的课题，而从市场端来看，目前高频机市场份额已超过半数，而且预计未来会越来越高。高压直流UPS这一供电系统的运用也已进入到实质研发甚至是小规模试运用阶段。产品的更新换代除了需要专家学者的论证研究，更离不开主力厂商的市场推动。
市场需求分散化趋势明显：尽管金融、电信、政府、制造四大行业仍然占据UPS应用市场的主导地位，但未来市场需求分散化趋势十分明显。随着中国步入“十二五”发展阶段，经济快速恢复稳定增长势头；国际产业转移持续加深；中国通讯领域3G及4G网络的建设，三网融合、物联网、流媒体、光纤宽带网络建设的持续深入；高速铁路、新能源、航空航天、电力、生物医药等新兴产业的大力发展都将带动UPS在各行各业中的大量运用。随着工业和信息化发展朝农村和西北地区的渗透，西北、西南、东北等相对欠发达地区以及三、四级城市的需求比重也在不断上升
系统集成商销售的重要性日益突出：随着近几年系统集成的概念兴起，系统集成商逐步成为渠道商中重要的一部分。目前，在北京、上海、广州等大中型城市中面向各个行业的系统集成商数量不断攀升，对于像UPS这样主要面向行业用户的产品，随着中大功率产品越来越受到用户的欢迎，通过系统集成商销售的比重将大幅提高。各厂商在选择和培养合作伙伴时，系统集成商的重要性和地位也将日益突出。
表6 现行UPS渠道分类
六.小结
对于客户来说，所有机房或是数据中心的建设与管理，都应该是从自己的实际业务需求出发，根据数据中心的物理环境与系统参数选择适合自己的解决方案。UPS电源系统作为整个机房的供电枢纽，保障着整个数据中心的正常工作。未来，随着自动化程度的越来越高，UPS的需求也会越来越大，一方面，小型化、模块化、高频化的UPS会广泛应用，另一方面，随着半导体技术的长足发展，大功率的UPS也会得到广泛应用，UPS技术也会变得越来越重要。
