导读：工业中不间断电源（UPS）的技术要求与选用分析，各机种内部充电器最大充电电流约为 2.6A。控制电路是侦测各部分控制电路运作。手动旁路开关是用来隔离 UPS 的整流器、充电器、逆变器和静态开关，交流市电直接经手动旁路开关及输出断路器供电给负载，以便对UPS做维修保养。输出隔离变压器提供电气隔离和多重输出电压。
随着计算机应用日益普及和信息处理技术快速发展，电子信息系统对供电的质量要求日益严格。对于油气田集输工程、长输管道工程中对供电要求严格的自控、通信类负载来说，不间断电源已经成为一种重要的供电设备。根据石油化工仪表供电设计规范，生产装置的重要性和特殊性要求自动化仪表供电不能中断，“仪表及控制系统的用电负荷按 《石油化工企业生产装置电力设计规范》SH3038 规定属于一级负荷中特别重要负荷”。这类负荷当供电中断时，为确保安全停工及处理事故，不致造成设备损坏和人身伤害事故，不致造成重大经济损失，需要设置不间断电源。这是因为不间断电源可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率，具有承受电网波动或扰动、间断甚至短时停电的能力，无论是面对线性负载或是非线性负载，UPS都具有低阻抗输出的特性。
1. 工业级不间断电源的技术特征工业级 UPS的组成一般主要包括整流部分和逆变部分。整流部分包括隔离变压器、整流模块（由可控硅或二极管组成）及整流控制部分；逆变部分包括逆变控制部分、逆变驱动部分和逆变模块（由IGBT构成）。它的输入有三个部分，即市电输入、直流输入（即电池或工业用直流屏）和旁路输入（即与市电同性质的另一路电源），优先级即前文叙述的顺序。
不间断电源的工作原理框图如下图所示。在 UPS中，整流器将交流电转换为直流电。交直流转换器为功率因数校正的倍压式升压转换器，校正交流输入电流与输入电压同步，并稳定地将电压提升至约 400VDC输出。此控制电路使输入电流能同步于输入电压，并且使 UPS能承受更宽范围的输入电压。逆变器将直流电压转换成交流电压输出，并且与输入市电同步，逆变器为一半桥电路。静态旁路电路可选择旁路输出或逆变器输出作为 UPS输出的开关，逆变器关闭时以旁路输出。充电器可接受市电做输入而转换，适合对电池充电的直流电压，使电池保持在充满状态。
各机种内部充电器最大充电电流约为 2.6A。控制电路是侦测各部分控制电路运作。手动旁路开关是用来隔离 UPS 的整流器、充电器、逆变器和静态开关，交流市电直接经手动旁路开关及输出断路器供电给负载，以便对UPS做维修保养。输出隔离变压器提供电气隔离和多重输出电压。
当 UPS 开机时，由输入交流电源经滤波器后分成 2 路输出，其中 1路输出送至交流变直流转换器(AC/DC)，转换成直流电后再送给半桥式直流变交流逆变器(DC/AC)，呈交流输出；另 1 路作为旁通路径。一般而言，开机后 UPS会进行内部自我诊断，若一切正常，旁通开关会选择逆变器输出，此种输出称为在线式模式输出。当输入市电断电时，整流器与充电器即不工作，而直流转换器工作，将蓄电池的电压转换至逆变器的输入端，再转换为交流输出，即电池模式输出。
正是由于工业级 UPS系统的典型结构，而使其具有高可靠性、对环境的超强适应性、产品的设计寿命等技术特征。
1.1 环境适应能力好全球范围内，工业级 UPS对环境的适应能力都是最强的。UPS系统必须能够应对高温与高湿。通常 UPS的安装空间不大，很难达到空气流通。正因如此，UPS的设计均有一个特别大的关键半导体组件，例如 IGBT、整流器及散热片。 除了温度与湿度问题外，还要考虑周围的空气。周围的空气可能含有腐蚀性因素，时间长了可能会降低变压器、电路板及合闸的性能。工业级 UPS的元器件和配线，或是涂有一层电抗胶，以防御 UPS的元器件及配线免遭恶劣环境破坏，或是配有专用的空气过滤器。当然，这些细节增加了工业级UPS系统的成本。
此外，工业级 UPS需要对高温环境下的运行能力给予特别的设计考虑。元器件的设计必须适应工业环境的运行要求、还应能够承受各种关键负载的变化需求。正因如此，大部分工业级 UPS都配备了可监控的冗余的风扇系统。像 APC的 AIS5000 系列，则采用了N＋1 冗余通风设计，即风扇冗余。当发生任何或全部风扇故障，AIS5000 系列仍能正常工作。同时，还采用了 RPM风扇转速检测监控技术，转速降低到预设值即会报警，杜绝了由于风扇损坏、UPS工作到高温停机才报警的可能。另外，风道的设计按照元器件对温度的敏感程度顺序冷却，再辅以高规格等级和高冗余度的元器件，可在高温且无风冷的情况下连续运行。
1.2 操作承受能力强工业级 UPS系统通常是由现场的技术人员来维护的，所以需要能够做到模块级维修、对关键部件的隔离能力以及帮助维修的说明文档等。维修本身不仅需要时间，还要求在维修时转到旁路的工业级 UPS具有更强的承受能力。
大部分 UPS系统都是冗余配置，不仅是为了电源自身工作容量，而且是为了在一组电源停止工作的情况下避免关键负载的损失。长期依靠旁路电力对于任何一个运营方来讲都不是一个标准的操作程序，其危险太大。负责维修这些复杂系统的技术人员以一个组件的方式处理这些事情。
隔离机器部件及更换备用部件，这些通常在现场完成。这样可以减少停机时间并使系统更快地恢复、降低数据中心的运营风险。工业级 UPS系统在非冗余模式下的应用也很典型。有专用分配系统的电源模块，唯一后备便是旁路电源。电源模块也趋向于更小一点，因为需要已调整的电源的工业应用只是整个负载的一部分。检测仪器与过程控制，或者关键 PLC这些关键项都需要保护以保证存储或现有状态不被丢失，因此下游的那些受控部分所得到的保护电源就更少了。
1.3 服务方式简便工业级 UPS 设备的服务访问方式也很重要。在工业环境中，UPS会根据车间的布局摆放在不同的地点。一些运营方喜欢分布式UPS (UPS 位于保护设备的附近)，另外一些人则喜欢集中式 UPS(UPS位于保护设备的输助设施中)。在这两种情况下，大部分设备维护人员都喜欢前端访问的服务方式。维护人员不用拆除侧板或背板就能够进行维修、检查和预见性维护。
1.4 工作寿命长工业级 UPS 系统在设计时会加大元器件的设计余量，这样UPS 系统在典型的工业环境运行中将有超过 100，000 小时的MTBF。但有一些元件如制冷风扇、DC电容等会降低使用时间，甚至会低于保守设计。工业级 UPS的用户（像发电厂等）通常会将 UPS的使用寿命确定在 20～30 年，石化行业的 UPS的工作寿命大约为10～15 年。
1.5 后备充电容量大工业级 UPS系统电池的支撑时间比较长，充电器容量就大得多，比较重视充电时间。因为电池的支持时间是 60 分钟到 8 小时或更长。UPS至少得具备在充电器中有足够的重复充电容量的这一特性。这一点在工业应用中尤其重要，例如发电厂通常会用 4- 8 小时不间断电源工作原理框图
的 UPS 电池，油气田集输和长输管道站场中后备时间一般为0.5~2h，管道阀室一般为 2~4h。
2. 工业级不间断电源设备的选用选用工业级 UPS系统，需要考虑的因素很多，首先就是可靠性要求。
高可靠是以系统的设计、工艺、配置来体现的。
采用工业级甚至是军用级元器件，同时还要加大关键元器件的冗余度，以增强系统的抗冲击力。
生产工艺上，对逻辑电路和通讯电路有更严格的屏蔽措施。配置输入和输出隔离变压器以增强系统的电气隔离性能，采用 12 脉冲整流器技术，内置电池保护开关、输入和输出开关、静态和维修旁路开关等各种保护开关。以上种种，都对工业级 UPS系统的高可靠性做出重大贡献。
在油气田集输工程、长输管道工程中，通常采用的工业级 UPS电源的主要应用有以下方案：2.1 单机系统的应用单机系统是能源行业应用最多的解决方案，根据 UPS 的设计，单机运行 UPS主机本体可以进行系统不停电维护。单机运行供电方案的各点交流负载独立地由一台 UPS提供动力保护，不停电维护时通过切换到手动维修旁路退出运行当中的 UPS 主机。手动维修旁路的切换，可以进行无中断的“先通后断”切换过程，不会引起负载中断供电的问题，实现主机、旁路之间的无间断切换过程。
(1)标准单机供电方案
本方案适应于负载要求单电源输入，负载运行时对 UPS 无检修和维护要求。
(2)旁路带备用开关的单机供电方案
旁路带备用开关的单机供电方案是最典型的应用方案，适应于负载要求单电源输入，负载运行时对 UPS无检修和维护要求，紧急情况下有旁路直通、并机扩容、双电源输出需求时使用。UPS系统的上游可以分别来自两个独立的不同接地点电气系统(或者不接地系统)，所有负载系统通过两个隔离变压器与上游完全隔离，负载侧既可以采用 TN- S系统，也可采用 IT系统。备用开关用于紧急情况下的旁路直通，也可以用于并机系统的扩容，或者构成双输出系统使用。
(3)脱机旁路柜方式单机供电方案
脱机旁路柜方式单机供电方案在实现典型单机应用方案的基础上，重点考虑了维护的安全性，适应于负载要求单电源输入，负载运行时对 UPS有检修和维护要求。尽管各个厂家提供了无扰动退出 UPS主机的切换方案，但由于 UPS维修旁路输人和总输出的端子排、UPS内部采样回路仍然带电，给维修工作带来安全隐患。
(4)双输出方式单机供电方案
双输出方式单机供电方案能够在投资有限的情况下，为双电源负载提供两路独立的电源供电。适应于负载要求单电源输入，负载运行时对 UPS有检修和维护要求，且有两路独立双电源输出需求。
一路由 UP5 提供稳定的电源，另一路由旁路系统提供经过电气隔离的电网电源。
这种方案在实现典型单机应用方案的基础上，可以提供双路交流输出给下游的相关专业，也是一种给双电源负载供电的优秀的解决方案。
2.2 并机系统的应用随看大型控制系统在能源工业领域的应用，UPS并机系统得到了大量和广泛的应用。这种方案考虑到了装置长周期的运行中对UPS主机进行维护，相比单机系统的应用方案有很大的优越性。并机系统应用有以下几种典型设计方案：(1)标准并机供电方案
本方案适应于负载要求单电源输入，且负载长周期运行中对UPS有检修和维护要求，检修期间主机设备要求完全电气隔离。正常运行时，1+1 并机运行供电方案的全部交流负载由 2 台 UPS平均分担，任何一台 UPS均可以带 100%负载长期工作。因此，1+1 并机运行供电方案可以完全退出 1 台 UPS主机进行维护。这种典型并机方案应用非常广泛。
正常运行时，除每台 UPS主机的旁路维修开关断开且挂锁外，其余开关均正常闭合。当需要检修或者维护其中的一台 UPS时，断开旁路柜及输出配电柜的对应开关，就能将所要退出的 UPS主机设备完全隔离。
(2)输出配电系统与 UPS不同室的并机供电方案
由于 UPS的负载分散性以及跨专业管理等多种原因，会存在UPS的负载分配柜与 UPS不同室，或者距离 UPS较远的情况，导致标准并机供电方案中，UPS 出口点到电气并机点的距离超出 UPS控制范围，无法有效实现并机控制的情况。因此出现了输出配电系统与 UPS不同室的并机供电方案。这种应用方案有效解决了输出配电系统与 UPS不同室的问题。其检修和维护时的操作，与标准并机供电方案相同。用户可根据下游专业的需要，可提供单根电缆供电，或者冗余双路电缆供电。
(3)旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案本方案适应于负载要求单电源输入，根据场地或维护管理的需要，且负载长周期运行中对 UPS有检修和维护要求，检修期间主机设备要求完全电气隔离。当需要检修或者维护其中的一台 UPS时，直接将需要维修的 UPS设备停机，再断开旁路隔离变压器及输出配电柜中的对应开关，就能将所要退出的 UPS 主机设备完全隔离进行维修。
2.3 2N系统应用2N 系统应用是近年开始应用的一种交流不间断电源 UPS 解决方案，UPS系统为负载提供完全独立的两路 UPS电源。此种供电方案解决了 UPS输出端与最终负载端之间发生“单点瓶颈”故障隐患。
(1)一台 UPS单机与一路市电构成双电源供电方案
本方案适应于所供给负载中，既有两个电源输入要求，又有单电源输入要求。UPS母线故障或需要维护操作时亦需保障双电源负载供电。
正常情况下，UPS输出和另 1 路市电输出为双电源负载提供两路电源，UPS为单电源负载提供不间断电源；当 UPS 输出母线故障或需要维护操作时，对于图中所示双电源负载，在 UPS切换到旁路后，仍有 UPS旁路和另 1 路市电输出母线供电，避免了单机 UPS输出母线为单点故障的隐患的问题，(此时系统的安全性起决于 UPS旁路及另 1 路市电的可靠阵)；对于单电源负载，在 UPS切换到旁路后，可暂时由 UPS旁路输出为负载继续供电，直至 UPS输出正常。
(2)两台独立 UPS双路输出构成双电源供电方案
本方案适应于所供给负载中，既有两个电源输入要求，又有单电源输入要求，且 UPS 电源要求为完全独立运行、维护、管理的完整单机装置，UPS一段母线故障或需要维护操作时亦需保障双电源负载供电。
正常情况下，两合 UPS独立输出为双电源负载提供两路电源；即使有 1 合 UPS处于旁路检修状态下，依然能保证 1 路 UPS输出和另 1 路 UPS旁路输出为双电源负载提供两路电源；当其中一台UPS输出母线故障或其他原因需要完全停机维护（含 UPS旁路)，对于图中所示双电源负载，继续由另一台 UPS输出母线供电，避免了单机 UPS 输电母线为单点故障隐患的问题；对于单电源负载，在UPS切换到旁路后，可通过人工切换下游开关至另 1 合 UPS 输出母线为负载继续供电，直至退出运行的 UPS恢复正常；或者在每个单电源负载群前端高速静态切换开关 STS，由静态开关 STS进行电源自动切换，保证电源负载的双路供电保护。
(3)两台 UPS共用旁路双路输出供电方案本方案适应于所供给负载中，既有两个电源输入要求，又有单电源输入要求。UPS电源要求为独立运行、维护、管理的完整装置，且输出母线有基本保持同频率、相位要求。 UPS一段母线故障或需要维护操作时亦需保障双电源负载供电。单电源负载有自动切换的双路供电要求。
正常情况下，两台 UPS独立输出为双电源负载提供两路电源，两台 UPS通过输出母线各自承担双电源负载，单点源负载由经过STS选择后的输出母线供电；当系统中 1 台 UPS处于旁路检修状态下，依然能保证 1 路 UPS输出和另 1 路 UPS旁路输出为双电源负载提供两路电源，此时输出母线前面的 STS 自动开关并不切换；当其中一台 UPS输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含 UPS旁路)，对于双电源负载，继续由另一台 UPS 输出母线供电，避免了单机 UPS输出母线为单点故障隐患的问题；对于单电源负载，若需退出运行的 UPS（含 UPS 旁路）是单电源负载母线的主供电源，则静态开关 STS会自动将单电源负载母线切换到另一侧母线上，负载由另 1 台 UPS输出母线为负载继续供电，直至退出运行的 UPS恢复正常(否则静态开关 STS不做切换，系统保持原状态运行）。
2.4 需要说明的一些问题(1)各供电方案中，隔离变要根据工程需要（考虑电气隔离、消谐、隔离直流分量、降低短路电流的需要）、工作频率要求进行选配。
(2)高可靠性要求场所优先推荐设备选型工频机方案。(3)UPS装置多个电源进线引入时应考虑不同母线段，主电源应高可靠性母线段优先。(4)UPS提供商负责落实供电方案中使用静态切换开关时，UPS配置外同步模块的必要性。(5)根据相关标准和专业需求，确定配出区增加防雷装置。(6)不间断电源输出端的中性线（N极），必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。
结束语在 UPS的选用上，所有 UPS供电方案的设计和选择，核心是满足 UPS负载的要求和 UPS设备的管理维护。在油气田集输工程、长输管道工程中有各种不同运行案例存在，每种方案都有正常工作模式和应急工作措施。在 UPS选用中要根据行业中用供电的自动控制、监测、仪表、通信等系统的负载特性和不同的用电需求等具体情况进行分析，并结合相关的标准规范及上文提到的典型应用方案，通过技术经济方面的计算比选最终确定最优化的解决方案。
《中国不间断电源（UPS）市场竞争格局及竞争策略研究报告（2013-2017）》由中国报告网不间断电源（UPS）行业分析专家领衔撰写，主要分析了不间断电源（UPS）行业的市场规模、发展现状与投资前景，同时对不间断电源（UPS）行业的未来发展做出科学的趋势预测和专业的不间断电源（UPS）行业数据分析，帮助客户评估不间断电源（UPS）行业投资价值。
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