模块化UPS测试探讨

李 菁，周启龙

（中国电信股份有限公司武汉分公司，湖北 武汉430070）

1 前 言

近年来，模块化UPS技术有了较大的发展，在通信业界得到了越来越多的推广应用。模块化UPS作为新技术其可靠性、高效性、可维护性还有待在测试和应用中检验和完善。

2 模块化UPS测试的目的

模块化UPS测试的主要目的是检验各品牌模块化UPS的外观结构、技术指标、功能性能是否满足通信应用场景的要求。通过测试，及时发现技术、产品等存在的问题，消除设备隐患，引领设备厂家的技术改进和完善，提升设备的安全性、可靠性、易操作性和可维护性。同时，通过测试，也可以使维护人员深入了解模块化UPS产品和技术，为今后模块化UPS的应用、维护和选型积累经验。

3 模块化UPS测试的内容

《YD／T2165－2010通信用模块化UPS不间断电源》的第五部分，对于模块化UPS的要求包含：一、环境条件，二、外观与结构，三、电气性能，四、电磁兼容性，五、抗扰性，六、保护功能，七、风扇故障告警，八、防雷性能，九、热插拔功能，十、电池组智能管理功能，十一、手动维修开关（可选），十二、监控功能，十三、系统告警功能，十四、接地性能，十五、安全要求，十六、可靠性。《YD／T2165－2010通信用模块化UPS不间断电源》的第六部分，对包含外观与结构等共计37个项目的测试方法进行了说明。

与设备厂家的出厂检验测试不同，作为产品使用者的通信运营商等用户进行产品验收测试没有必要也不可能进行所有项目的全面测试，部分测试内容可查阅泰尔认证等第三方的测试报告。由模块化UPS产品用户组织进行验收测试的内容应根据模块化UPS应用场景、关键指标和差异化需求等来制定。

根据武汉电信公司的经验，推荐检测以下内容：

（1）外观与结构：结构组成、母排缆线规格、绝缘防护等。

（2）性能指标：①系统效率；②谐波；③频率跟踪范围和跟踪速率；④逆变旁路转换时间；⑤功率模块过载能力；⑥功率模块输出电流不均衡度；⑦旁路电流不均衡度；⑧空载环流。

（3）保护功能：如有条件，进行全部保护功能的测试。

（4）故障模块自动退出。

（5）电池组智能管理功能。

（6）监控功能。

（7）系统告警功能。

4 模块化UPS的厂验测试和现场测试

由用户组织的模块化UPS验收测试，一般包含两个部分：厂验测试和现场测试。

4.1 厂验测试

侧重于模块化UPS设备在组成、外观与结构、主要电气指标、功能性能测试的详细检查。关键是要进行多模块并联、长时间带载下的运行测试。

但目前受限于厂家实验室条件和差异，测试存在局限性：

（1）不能进行系统满载测试，只能进行模块满载测试。

（2）UPS输入输出无法模拟通信局站的复杂配电情况。

（3）测试厂家提供的UPS产品，而非实际使用的UPS产品。

（4）不能按实际应用场景配置UPS电池组进行测试。

（5）不能测试UPS与油机的配合。

（6）只能测试厂家监控软件的运行情况。

希望模块化UPS厂家能够不断提升实验室条件，提升厂验水平，将厂验作为测试关键指标和重要功能的必要环节，以便尽早发现设备缺陷和瑕疵，尽早解决和完善。

4.2 现场测试

侧重于应用于通信机房现场的由模块化UPS、输入输出配电屏、蓄电池组、油机、动环监控等组成的不间断供电系统的测试。重点针对于厂验测试中发现的问题和未验证的项目：

（1）UPS输入输出波形、谐波、输出零地电压测试。

（2）UPS全部模块满载或重载测试：稳态和动态性能、市电电池及逆变旁路切换等。

（3）UPS电池管理功能测试：放电记录、充电管理、温度补偿等。

（4）UPS与油机的配合测试：UPS输入侧谐波、功率因数；油机输出频率、UPS的频率跟踪范围和速率等。

（5）UPS接入动环监控系统的测试：系统正常工作方式／电池／旁路供电、过载、市电故障、功率模块故障等重要状态与告警。系统主输入与旁路输入电压、输出电压与电流、以及模块和电池组等遥测数据。

现场测试是设备运行前的最后一关，主要关注模块化UPS工作模式变换、运行安全性、可维护性等功能性项目，对测试发现的问题，尤其是特异性问题要进行深入分析，进行反复“测试－－改进－－再测试”的往复循环直至解决，切忌存疑。

5 模块化UPS测试的情况

5.1 测试的总体情况

近年来，经过对多种品牌、规格的模块化UPS进行测试和应用，从外观结构、性能指标、功能验证三个主要项目来看，测试结果基本合格。相比于传统UPS，模块化UPS在效率（如表1）、输入谐波等指标上更优，采用功率模块N＋X、旁路模块N＋1方式使UPS系统的可靠性更高，可维护性更好，体现了模块化UPS的优势。

表1 传统UPS与模块化UPS效率对比

5.2 测试中发现的问题及解决措施

5.2.1 功率模块内器件烧毁导致输出中断

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【问题描述】某模块化UPS在现场带载测试中发生了功率模块内部器件烧毁，同时导致输出明显中断。

【原因分析】

（1）功率模块器件烧毁的原因

如图1所示，逆变2管由于体二极管工艺特性影响，其驱动在工作过程中容易受到干扰，出现了误导通。逆变2管当受干扰导致本该处于截止状态的2管误导通，此时逆变3管和4管处于正常的导通状态，导致逆变1管承受的电压应力为正负BUS电压之和，高达800 V以上，造成逆变1管因耐压击穿而损坏。

图1 功率模块电路示意图

（2）功率模块故障导致输出中断的原因

功率模块故障应及时退出系统，不允许输出中断。根据《GB50174－2008电子信息系统机房设计规范》电子信息设备供电质量要求，允许断电持续时间A级为0～4 ms，B级为0～10 ms。

此类功率模块损坏相当于输出发生了短路，由于原设计中功率模块的输出保险管熔断速度较慢，其I2T值（熔化热能）较大，发生短路故障后其不能及时熔断，导致该模块不能及时退出，系统上其它模块向该故障模块持续灌入大电流，导致系统较长一段时间处于输出短路状态，输出电压被持续拉低。

【解决措施】

功率模块增加保护功能设计：

（1）逆变电流快速保护功能：功率管驱动受干扰误导通时，逆变电流远大于正常工作电流，检测到异常电流时即可判断逆变工作异常，触发模块退出机制。与逆变快速保护相比，此保护电流更大，检测时间更短。

（2）逆变电压快速保护：功率管受干扰误导通时，逆变电压波形将出现畸变，对逆变波形与理想波形进行比较，比较检测到电压波形畸变即触发保护。

5.2.2 输入侧谐振

【问题描述】某台模块化UPS现场测试时发现：UPS空载开机后，UPS输入电压波形畸变严重；UPS关机后，输入电压波形正常；UPS空载输出零地电压为5 V，远高于《GB50174－2008电子信息系统机房设计规范》的零地电压为2V的要求；UPS开机后，配电机房的ABB空开能听到明显的嗡嗡声。

【原因分析】

整体配电示意图如图2，取了三相中一相进行说明：

图2 模块化UPS配电示意图

从配电示意图可以看到从低压配电柜至UPS电路中存在多个电感和电容，不同的电感和电容组合会有不同的谐振点，谐振频率f＝1／2π。当UPS带较大负载功率工作时，电路上流过较大的电流。由于市电电压和UPS的输入电流都不可能为完美的正弦波，其必然含有一定的高次谐波，该高次谐波中与谐振频率相同的电流成分会导致LC产生谐振，产生较大的谐振电流。负载越大，电网上流过电流中高次谐波电流也越大，相当于谐振的激励源也越大，所以负载加重时，谐振现象会更为严重。

模块化UPS输入侧谐振的形成与其应用现场的配电电路相关，因此现场测试要关注输入侧电压电流波形、输出侧零地电压的检查。

【解决措施】

改进必要性：谐振是大功率UPS在现场应用时可能会遇到的问题。谐振不仅影响模块化UPS正常运行，同时对整个机楼配电系统乃至电网都是损害。

谐振产生需要以下条件：（1）电路中存在谐振源，即电路中的电感、电容；（2）电路中存在激励源，即UPS或其它电源设备；（3）激励源中有与谐振源频率一致的激励电流。只要任何一个条件不满足，谐振就可以得到抑制。

图3 谐振抑制箱示意图

抑制谐振的方法是改变电路的LC即可改变谐振频率。结合现场的应用条件，一般通过谐振抑制插箱（如图3），将该插箱插入UPS模块柜的空余槽位即可改变电路中的谐振频率，抑制谐振的产生（如图4）。

5.2.3 电池放电时断开电池开关UPS转旁路会中断

【问题描述】某模块化UPS测试时电池放电时手动断开电池开关，UPS转旁路。输出波形有2个周波约40 ms的畸变（波峰值为160 V），并有5 ms的波峰值跌落至80 V。同时，在2011年中国电信集团组织的模块化UPS功能性测试中此问题较普遍。

图4 谐振抑制前后输入波形对比图

【原因分析】当UPS系统在无交、直流供电时，逆变的输出完全靠模块内部电容放电维持，所以随着电容放电、直流母线电压逐渐降低，逆变输出会出现削顶的波形。由于设计人员考虑到出现这种问题的概率很低，原来静态开关的默认欠压保护切换值为176 V，再加上采样判断时间，因此就出现切换时间较长的现象。

因此在现场测试时有必要进行该项测试来模拟电池放电下出现故障导致切换旁路的情况，检验切换旁路时输出是否中断。

【解决措施】

改进必要性：据不完全统计，UPS系统故障的40%为电池故障。一旦在电池放电时由于电池性能的原因导致电池组断开，UPS必须要能快速由逆变切换到旁路，不能因切换时间过长导致UPS的瞬断。

（1）该厂家改进了控制电路，首先将静态开关的逆变欠压保护值由原来的176 V提升到198 V，同时改进采样电路，判断时间的速度提高一倍，这样使切换时缩短，波峰的跌落不至于很低，输出电压仍在允许范围之内时就切换到旁路，保证切换过程负载不掉电。（2）还有厂家采用母线电压 ＋ 输出电压双检测，但主要依靠母线电压故障检测模式，保障故障在前端及时发现并处理，避免纯粹依靠后端输出电压检测方式增加切换时间。

5.2.4 旁路模块不能更换或不能在UPS逆变工作下更换

【问题描述】测试过多个品牌的模块化UPS，普遍存在旁路模块不能更换，或不能在正常逆变工作下更换，部分产品可实现将UPS从逆变工作转入旁路工作后进行更换。同时，在2011年中国电信集团组织的模块化UPS功能性测试中此问题较普遍。

【原因分析】此问题有以下原因：（1）旁路模块非独立功能设计，它不但具备旁路控制功能，还整合了模块化UPS监控系统通信和供电接口、并机通信线接口、维修旁路状态检测接口。因为具备重要的监控功能无法实现在逆变工作下将故障的旁路控制模块退出。（2）旁路模块是独立模块化，但设计人员为了防止在更换时，逆变工作突然转入旁路工作导致输出中断，从控制电路设计上就防止旁路模块在逆变状态下进行更换。

【解决措施】

改进必要性：旁路模块不能更换就意味着存在单点故障；旁路模块只能在旁路工作方式下更换就意味着输出中断风险增加：旁路工作状态就是市电，就是不可靠电源，随时都有中断的可能。

技术改进的思路：（1）旁路模块独立功能设计。（2）通过旁路模块1＋1并联方式实现对单个旁路模块进行正常更换。（3）旁路模块通过先给控制电路一个“旁路不在线”信号或其它方式来锁定逆变工作方式，然后可进行旁路模块更换，完成后解除锁定。

5.3 测试中发现的问题汇总

在模块化UPS测试和应用中，虽然暴露出一些的问题（如表2），但这些问题主要是由于设计人员和维护人员的思路不同导致，而不是技术水平问题。设计人员思路是保障设备安全下兼顾成本控制，维护人员思路是确保UPS输出不间断。通过测试沟通，改进后的各厂家模块化UPS在外观结构、性能指标、功能验证三个项目上都能达到要求。说明通信用模块化UPS产品从技术、设计到行规都有待进一步完善。

表2 模块化UPS测试中发现的问题汇总

6 结束语

模块化UPS作为一项新技术，通过测试，我们认为相对于传统UPS而言，在高效节能、系统冗余、安全可靠、维护扩容、投资成本等方面具有一定的优势。

模块化UPS技术真正应用到通信行业的时间不长，在测试中也暴露出一些的问题，产品的成熟度和稳定度仍待提升，对于其在今后应用和维护中的风险也要做好充分的准备。当前，测试仍是检验模块化UPS产品和技术的有效手段，需要坚持下去。同时，通过测试使用户与厂家双向沟通，深入交流，达成共识，促进适合于通信应用场景的模块化UPS的技术完善，促进不断优化的模块化UPS逐渐取代传统UPS，兼顾供电的安全和效率，使其真正为通信行业的节能减排和绿色发展作出贡献。

［1］YD／T2165－2010.通信用模块化 UPS不间断电源［S］.2010.

［2］GB50174－2008.电子信息系统机房设计规范［S］.2008.