科士达UPS 电源异常停机分析

数据中心机房供电保障设备中，科士达UPS电源、HVDC、发电机组等设备均在不同等级的机房广泛应用；科士达UPS电源、HVDC电源系统因常年处于运行状态，会出现一些故障；而在线式科士达UPS电源因设计电路合理，驱动功率元件容量所取的余量较大，相对来说电源电路故障率较低，而由电池引起的故障率较高。正确的使用和维护好科士达UPS电源电池的寿命是降低不间断电源故障率的关键因素。同时还要防范因科士达UPS电源内部控制（接线、软件等）系统引起的异常停机事故！
下面是一个科士达UPS电源因控制系统异常导致的停机事件，分享一下，希望引起各位运维同行的重视。
故障现象：
电力监控系统突然报出多条告警信息：科士达UPS电源异常、UPS输出屏失电（电压、电流同时归0）、机房N个列头柜失电、UPS系统BCB电池开关跳位等；
现场状况：
值班人员立即到场检查报警科士达UPS电源，现场状态如下：
1、现场科士达UPS电源输入柜主路、旁路电源开关状态无异常；
2、输出柜各开关处于合闸位置，输出柜失电；
3、输出柜各开关对应机房列头柜失电；
4、报警科士达UPS电源对应蓄电池组开关处于跳闸位置；重合无法合闸；
5、科士达UPS电源本体各状态指示灯熄灭，报警灯常亮，同时伴有报警声；
应急措施：
1、立即对科士达UPS电源各开关状态及电量各参数进行检查，电源柜三相电源电压无异常，主路、旁路开关均处于合闸位置，电流为0；将UPS输出屏主进开关分闸；
2、按科士达UPS电源本体故障清除键按钮；
3、将科士达UPS电源输入主、旁路断路器分闸，静待30秒后恢复合闸；此时UPS自动转为旁路运行状态；
4、将科士达UPS电源运行状态由旁路供电模式转换为正常整流逆变模式；检查UPS输出各项电量参数无异常；此时再将电池组开关由跳位分闸到分位，然后重新进行合闸，开关恢复正常合闸位置；
5、将科士达UPS电源输出屏各开关恢复合闸位置，机房失电列头柜恢复供电；
6、通知UPS厂家人员到场对故障设备进行检查，排除故障隐患；
故障原因排查：
科士达UPS电源厂家维护工程师到达现场，对UPS内部数据导出检查；发现在本UPS故障时，科士达UPS电源本机发出了紧急停机指令，导致科士达UPS电源停机。随后对UPS本体仔细检查，发现EPO连线插头未插实！无其他异常现象。
结合现场实际情况：
1、科士达UPS电源柜主、旁路开关状态正常，输出中断，BCB电池组开关跳闸，无法手动恢复合闸状态；
2、科士达UPS电源设备本体主、旁路输入回路锁死；
3、科士达UPS电源设备市电输入主、旁路分（UPS本体断电）合闸后，UPS自动恢复旁路运行模式；
4、手动启动逆变器，UPS切换至主路逆变供电状态；
5、合BCB电池开关操作成功。
以上现象符合EPO动作后紧急停机特征，故本次故障可判定为UPS因内部错误指令导致停机故障。
后续改进措施：
科士达UPS电源是设备是供电可靠性的最后一道保障，为保障数据中心供电安全可靠，维护团队举一反三，防止类似问题再次发生。

立即对所有科士达UPS电源运行安全隐患进行检查：全面检查UPS运行环境，检查风扇运行情况，确保UPS散热条件满足要求；检查科士达UPS电源运行状态，确保电池具有后备保障能力；检查各UPS的内部EPO接线情况，防止类似故障再次发生。

电力监控系统突然报出多条告警信息：UPS异常、UPS输出屏失电（电压、电流同时归0）、机房N个列头柜失电、UPS系统BCB电池开关跳位等；
现场状况：
值班人员立即到场检查报警科士达UPS电源，现场状态如下：
1、现场科士达UPS电源输入柜主路、旁路电源开关状态无异常；
2、输出柜各开关处于合闸位置，输出柜失电；
3、输出柜各开关对应机房列头柜失电；
4、报警科士达UPS电源对应蓄电池组开关处于跳闸位置；重合无法合闸；
5、科士达UPS电源本体各状态指示灯熄灭，报警灯常亮，同时伴有报警声；
应急措施：
1、立即对科士达UPS电源各开关状态及电量各参数进行检查，电源柜三相电源电压无异常，主路、旁路开关均处于合闸位置，电流为0；将UPS输出屏主进开关分闸；
2、按科士达UPS电源本体故障清除键按钮；
3、将科士达UPS电源输入主、旁路断路器分闸，静待30秒后恢复合闸；此时UPS自动转为旁路运行状态；
4、将科士达UPS电源运行状态由旁路供电模式转换为正常整流逆变模式；检查UPS输出各项电量参数无异常；此时再将电池组开关由跳位分闸到分位，然后重新进行合闸，开关恢复正常合闸位置；
5、将科士达UPS电源输出屏各开关恢复合闸位置，机房失电列头柜恢复供电；
6、通知UPS厂家人员到场对故障设备进行检查，排除故障隐患；
故障原因排查：
UPS厂家维护工程师到达现场，对UPS内部数据导出检查；发现在本UPS故障时，UPS本机发出了紧急停机指令，导致UPS停机。随后对UPS本体仔细检查，发现EPO连线插头未插实！无其他异常现象。
结合现场实际情况：
1、科士达UPS电源柜主、旁路开关状态正常，输出中断，BCB电池组开关跳闸，无法手动恢复合闸状态；
2、科士达UPS电源设备本体主、旁路输入回路锁死；
3、UPS设备市电输入主、旁路分（UPS本体断电）合闸后，UPS自动恢复旁路运行模式；
4、手动启动逆变器，UPS切换至主路逆变供电状态；
5、合BCB电池开关操作成功。
以上现象符合EPO动作后紧急停机特征，故本次故障可判定为UPS因内部错误指令导致停机故障。
后续改进措施：
科士达UPS电源是设备是供电可靠性的最后一道保障，为保障数据中心供电安全可靠，维护团队举一反三，防止类似问题再次发生。
立即对所有科士达UPS电源运行安全隐患进行检查：全面检查UPS运行环境，检查风扇运行情况，确保UPS散热条件满足要求；检查UPS电池运行状态，确保电池具有后备保障能力；检查各UPS的内部EPO接线情况，防止类似故障再次发生。

基于全球能源需求的增长以及生产技术的变化，在以往单纯的能源消费者群体中产生了一个新的形态——能源“产销者”(既是能源的生产者，也是能源的售卖者)。在能源“产销者”积极参与的未来能源世界中，能源消费者可以通过分布式可再生能源发电，并通过电动汽车、新型的储能技术等方式将能源进行转换和存储，并返售电给电网，更主动地参与到需求侧响应中来。但是，我们必须正视，能源“产销者”的普及仍然面临着一些技术挑战。作为全球能效管理与自动化领域数字化转型的领导者，施耐德电气认为，要想真正拥抱能源“产销者”参与的能源未来，需要从以下方面实现：
实现电网灵活性
针对与日俱增的能源需求和居高不下的电价压力，电力企业正在开发智能电网战略，通过需求侧管理实现电网灵活性。电力企业与运营商会给予需求响应计划参与者一定经济奖励，以便在必要的时候暂时减少部分能源消耗，特别是在有电网停电风险的高峰时段。反之，如果有局部配置电网负载，运营商可能会收取额外费用，促使工厂转移电网负载或直接关闭负载部分。
在很多国家，这种需求响应计划所带来的电网灵活性会刺激更多能源“产销者”的产生。智能电网为能源“产销者”提供了管理能源相关运营成本的工具，并确保了这种新业务的可持续性。科士达UPS电源电气认为，电网灵活性需要从提升发电灵活性、建立电网进出口电力相关机制、提升需求响应与负载转移能力等方面加强。
产销者能耗控制
科士达UPS电源电气认为，计算机技术和对电力设备控制技术的进步为更多组织和业主成为能源“产销者”打开了大门。新的智能平台将能源生产者和消费者连接到智能电网，为人们提供成为能源“产销者”所需的工具，并通过智能变压器等数字化电力设备进行数据收集，通过电源管理系统(EPMS)、楼宇管理系统(BMS)､电能管理软件等系统层面实现能耗主动管理。
施耐德电气指出，“产销者”平台可以准确跟踪负载所产生的能耗与电力企业共享信息。通过综合气候数据、能源定价和需求响应，系统会自动在机会成本与节约成本之间进行仲裁。随后，智能电力设备通过与现有系统的交互来调整用电需求。在不影响居住者的舒适度或设备的生产率的情况下，对供暖、制冷或其他非关键步骤进行管理。
储能技术
科士达UPS电源电气看到，如今有越来越多的家庭和企业通过利用太阳能或风能以减少其碳足迹，但这些能源生产方式受到自然条件的限制。例如，太阳能电池板在太阳照射时产能，而风能只有在吹风时才产生。因此，为最大程度地消费这些产能，能源“产销者”可以通过添加储能系统(EESS)，统一管理此类能源，包括负载、生产和存储。
储能系统可以帮助能源“产销者”更好地配置电能。通过控制何时使用自产能源，可以在电网高峰时段为工厂或楼宇分担负载，实现电能避峰。电力企业甚至会在需要时对能源“产销者”储存的能量高价购买。在理想状态下，能源的利用率甚至可以因此提高到100%。完整的储能系统还具备智能交互及控制功能。如果使用者正在参与需求响应计划，系统可以自动协调来自电力企业的用电要求并预测能源状况，帮助决定和执行最佳的电力分配方案。随着电池技术和电力转换技术的进步，储能系统可以使现场发电变得更加灵活，因此也更具有价值。
作为全球能效管理与自动化领域数字化转型的领导者，科士达UPS电源电气正在积极推动能源消耗者成为能源“产销者”。未来，科士达UPS电源电气将致力在提升电网灵活性的同时助力降低发电、输电、配电三个环节的能耗，携手合作伙伴共同拥抱能源“产销者”的时代，积极参与到美丽能源新世界的建设中。

回顾UPS当初的问世,以及发展的过程中产品设计走过的路,可看出UPS技术范畴虽然属于电力电子技术。但由于UPS是从电子产品发展而来,难免沾染上许多电子产品的设计惯性,沿着电子产品的技术路线来设计。因此早期的UPS的设计,其电子元件和电力元件放在一个PCB板上,即弱电与强电不分。一对一设计,即一次只能设计一个规格,最为代表性的产品,即小功率的后备式UPS或互动式UPS等,只能适应小容量的UPS。我们称为第一种的UPS设计技术路线,即强弱电不分一对一的设计路线。后来由于UPS功率的变大,UPS的PCB板上的强电和弱电不能放在一体,只好将弱电元件与强电元件进行分离,但仍然遵循着一对一的设计,这种设计适应标准型中等容量的UPS,我们称为第二种设计技术路线。将UPS进一步按照功能单元分离,开展一对多设计。这种方法我们称为第三种设计技术路线,这技术路线对大规格、超大规格兆瓦级UPS设计非常方便,对非标准配置的UPS设计很灵活很适应。

表2给出了三种UPS设计技术路线的优缺点。

从以上分析可以看出,三种设计技术路线各有优缺点,各有用场,对于非标UPS、订制型UPS,特别是兆瓦级UPS,选用第三种设计技术路线是非常合适的。

众所周知,科士达UPS电源的产生是应计算机的使用需要而出现的。因为计算机在使用时,一旦电源出现非正常中断将极有可能造成计算机硬件的损坏,程序的混乱、数据的丢失等让人感到唏叹。如何应对电源出现的非正常中断,这一点至关重要。因而,适应计算机的特点要求而生产的UPS,其特性就是要适应计算机的使用特点。

以往计算机的电源多采用的是整流稳压型(二极管整流再并联电容稳压),现在也大都如此。这种负载是非线性的,所以科士达UPS电源所要应对的负载就是这种整流稳压型的非线性负载。如果这种非线性负载用线性等效电路来代替,其功率因数约为0.7左右,而且一般等效电流滞后电压是电感性的,极少时也呈现为电容性的。因此小型科士达UPS电源就都把自己的负载功率因数定位感性0.7,以适应其所带负载为仅是数量不多的小型计算机的要求。大型UPS要适应大型计算机系统的使用要求之外,还要考虑磁盘机、磁带机、绘图仪等众多的计算机输出输入辅助设备的使用要求。由于上述设备的功率因数大多为感性0.8左右,因此大型UPS也把自己的输出功率因数定为感性0.8。以上就是UPS过去以及现在的负载功率因数定为0.7或0.8的原因。

现在计算机的电源有所改进,功率因数朝着0.9或1发展,所以UPS也出现0.9的负载功率因数。但不管怎样,科士达UPS电源所带的负载都是非线性的,因而UPS就成为按照非线性负载特性来设计其逆变功能的功率器件。

通信行业是使用科士达UPS电源比较晚的一个行业。因为以前通信行业所使用的设备主要是交换机,其电源为直流,由电池组供电,所以一般情况下没有停电的问题。随着近年来数字化的引入和互联网的应用,通信行业应用了大量的服务器,为了保证通信业的可靠运行,这就必须使用UPS。

通信行业使用UPS到底应该用通用型UPS,还是应该用通信用型UPS,通用UPS与通信用UPS有什么不同,为什么会产生通用UPS与通信用UPS的区分呢?这是我们需要探讨的问题。

有一种说法:不同类型的UPS要分别适用于不同的负载。这种说法的关键是:因为负载不同,也就需要不同的UPS。那么什么性质的负载需用什么性质的UPS呢?按照这种说法有二类:一类是上面讲的计算机及其系统的负载,就像上面我们讲的是非线性负载。不仅是通信行业,还包括其他行业:如银行、航空、航天、交通、金融、石油、化工……几乎个个行业都在使用UPS。大型的数据中心到处可见。把这么多行业使用的UPS都称之为通信用UPS认识也太狭窄了。

所谓另一类UPS是适用于电感性负载的,也就是通用型UPS。理由是通信用UPS不考虑用于电感性负载。但是,通信局站中还有些UPS的负载是电感性负载。应用最普遍的是(感应式)异步电动机,例如:大型计算机的硬盘驱动器、空调、水泵、电梯等应该选用能用于电感性负载的UPS。

首先说空调、水泵、电梯等这些电气设备根本不需要不停电电源。有时为防止长时间停电可以用紧急电源(Emergency Power Supply)。市电停电时可以自动转换到EPS供电,转换时间很短。简单、可靠、方便、便宜。大型UPS系统本身就有双路市电供电,一路供电、一路备用。停电时用自动切换设备ATS切换到备用电源上。有的大型UPS系统,还备有柴油发电机,可靠性更高。所以说空调、水泵、电梯等动力设备根本不需要再增加不间断电源,就足以保证其供电的可靠性,这是大家都知道的事情。如果按照这两类UPS的说法,那么在计算机房不仅要装计算机用的UPS,还要装动力用的UPS。千百个通信机局站有过这种实例吗?

我们还要注意解释这两种UPS的不同之处需要理由的充分支持。第一种通信用UPS,只说了带非线性负载。第二种通用UPS又分为三类不同的通用UPS类型.第一类称之为输出简单的。只说了带纯阻性负载。难道前者就不能带纯阻性负载吗?后者就不能带非线性负载吗?二者的结构特点又有什么不同呢?

在解释过程中,说可以略去逆变器的滤波电容中的高频电流的影响,这是可以理解的、是正确的。但是因为电容两端就是输出电压。电容电路中就流有恒定的工频的电容电流。但是不知为什么把滤波电容中的工频电流也略去了,造成负载电流直接进入逆变器,二者相同了。这是不应有的错误。滤波电容中流有高频电流,同时也流有工频电流,这是不容抹杀的事实。

解释中称之第二种感性负载用的UPS为“优化”UPS。就是在输出端滤波电容旁,再并联一些电容。其大小由UPS的额定容量的无功功率分量的数值确定,称之为补偿电容。其目的是为了与负载的电感相补偿。这是多年前就有的一个说法,其目的是为了推崇另一种结构的UPS,故意贬低双变换UPS而“制造”出来的。对这个问题早有很多评论,根本就没有这种UPS,此处就不再多说。因为这种“优化”UPS的带纯阻性负载的能力很差,后面就又出现了第三种感性负载用的UPS。称之为“折中”UPS,就是减小补偿电容,增强点带纯阻性负载的能力。不管怎样对于不存在的UPS如何分析改进都是空对空,丝毫没有意义的。我曾介绍过多种UPS的输出能力的图表可做参考。现仅用一种UPS的图形与数据来说明。

上图为AEG公司生产的3、4、5系列UPS输出能力的图表。横坐标为负载的功率因数,1的右侧为感性负载(包括由正弦波代替呈感性的非线性负载),左侧为容性负载(包括由正弦波代替呈容性的非线性负载)。纵坐标为带载能力与额定值之比的百分数。UPS的负载功率因数为0.8。由图可知,UPS带感性负载的能力比较强,带容性负载的能力差。当负载的功率因数为1时,即带纯阻性负载,则可带额定功率的80%,即额定的输出有功功率值。

通过这些图形和数据,可以看出一般UPS输出部分的工作状况和特征,进而有一个正确全面的认识。