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维谛UPS运行模式及蓄电池风险管理

咸阳机场公司信息系统飞速发展,信息系统的数据量以20%逐年递增,标志着咸阳机场公司已经朝着数字时代企业逐渐转型升级。航站区管理部电力站以精细化管理为手段,以管理清单化、清单事项化、事项规范化、规范体系化为工具,总结出机房的电源、空调、防雷接地系统以及信息系统的重要载体(服务器、存储磁盘阵列、交换机、光模块等)四大领域。系统性的分析了信息系统支撑的平台。在这里,我们要解决的主要问题是机房的一个领域:不间断电源(UPS)。

  如果把机房四大领域比喻成人体器官,电源就是人体的“消化系统”,为整个人体提供可靠的能量支撑。而电源主要包括电源主机以及后备电池等两个部分。而这两部分又可拆分成近千个技术指标,航站区管理部电力站以问题为导向,以精细化管理为工具,梳理出以下技术管理经验分享。


一  电源主机


1电源供电模式选择

  
  根据现有机场公司建设设计要求,UPS供电模式参差不齐,对于供电模式选择均有不同的模式,应用的场景也均有不同,航站区管理部电力站通过精细化管理方式,梳理出以下几种模式:
  
  1)双总线单机运行UPS供电系统:2套同步运行的UPS两路输出,形成A、B路双总线供电,并分别连接至两套相互独立的负载侧配电柜。
  
  2)UPS并联冗余运行模式:指的是两台及以上UPS单机或模块并联同步输出供电。当采用“1+1”并机模式时,任何一部UPS的单机或模块均应具备承担100%负载的能力。
  
  3)单线路UPS供电系统:一台UPS单独输出,直接接入负载设备。(可靠性按照顺序编号依次降低)。因此,在电源配置时,建议根据负载重要性选择不同的供电模式以供选择。

2电源设备维护周期

  
  UPS内部结构主要以主控、整流器、逆变器、静态开关、通讯模块、散热装置等零部件为主,这些单元内部有着复杂的逻辑关系以及集成系统。一是因UPS为7×24小时不间断运行,且部分机房地理位置及外部因素限制(包括温度、湿度、粉尘及负载率等),导致不同机房的UPS内部元器件寿命稍有差异,但主要因素还是考虑整体使用年限,其中UPS风扇建议更换周期为6年,UPS电容建议更换周期为6~8年,UPS主控板建议更换周期为8年;二是UPS主要核心作用是为下端供电设备设施提供可靠的供电运行保障,即在常规运行中,当外界出现电网波动和电网中断等情况下,可以保证下端设备设施的连续性运行。因此对UPS试验主要应分三种方式,包括中断市电、中断电池开关和切换静态旁路等,确保UPS主机的可靠性,防止在重要时间节点上电网波动对下端设备造成影响。

3电源设备应急处理

  
  当UPS出现异常情况时(包括故障报警、过载、寿命到期、电池失效等等),能够迅速恢复下端电源,通过了解设备的运行状态,迅速隔离故障点。现存部分UPS(容量在20kVA以下(含))未设置手动维修旁路,也就意味着当出现故障时UPS无法短时间退出运行。因此,为了保证故障应急处理的时效性,经电力站专业技术人员研讨论证,对此类UPS加装旁路开关,可确保在紧急状态下迅速退出设备,保证电源的连续性,经实际测试,此类UPS在故障时恢复时间可由40min缩短至5min。

二  后备储能装置(电池)


1蓄电池选型及更换标准:

  
  1)锂电池和铅酸电池的对比分析:蓄电池作为储能的核心装置,以内部属性分类法主要是:锂电池(典型的以磷酸铁锂电池为主)、铅酸蓄电池(典型的以VLAN电池为主,胶体电池是VLAN电池的升级版本)、镍氢电池等。以电压等级分类常见的主要是:2V、12V、24V、48V电池为主(跟内部结构有关)。目前航站区内的电池最常见的以12V的VLAN(阀控式铅酸蓄电池为主),选择的优点:其一,VLAN电池的能量密度相对较小,安全性受到外界干扰的影响性相比磷酸铁锂电池受到外界的干扰小。其二,满足现有机房的物理条件,且12V电池串联选择提供的后备时间较长。其三,在同等能量密度时,同等充放电循环次数下,铅酸蓄电池成本优势更加明显。
  
  2)电池的更换标准:通过查阅大量资料文献及标准,包括国家标准(GB)、电力行业标准(DL)、通讯行业标准(YD)等标准,以及注明电池检测仪表厂家(福禄克、日置)等,其中各种标准说法不一,其原因主要是因为市面上生产电池厂商品牌不一,难以进行统一,其中具有代表性的以电池容量为指标,日置仪表检测厂商以内阻检测值的1.5倍为指标,而在实际的生产运行过程当中,蓄电池的负荷能力只是蓄电池检测过程当中一项指标,其中尤为重要的安全风险问题在各类标准中又未曾提及,而安全风险问题对于航站区内等地点又是坚决不能接受的。
  
  电池的表象及风险演化结果如表1。结合航站区内实际现场原因及情况,对电池观测及检查增加了难度,因此主要判断依据应做相应的标准结合,判断出故障电池、落后电池及良好电池。其中故障电池是应当进行立即更换的,落后电池是可以通过均衡进行维护的。提出以下几个建议供选择:
  
  其一,新电池一致性比较好,更换个别电池虽然会对整组电池有影响,但相对影响较小。旧电池组一致性本身较差,更换个别电池时对整组电池影响相对会大些。
  
  其二,电池设计寿命一般8-12年,根据电池制作工艺以及内部质量而定,在设计寿命期间内如果配有自动均衡维护系统,都可以个别更换故障或落后电池。超过设计寿命的电池组建议及时整组更换。
  
  其三,目前修复电池的技术主要有三种:大电流充放电循环激活,尖峰脉冲除硫激活,补充电解液或蒸馏水。这些技术对蓄电池容量恢复有一定效果,主要用于动力电池或启动电池的容量修复,但对电池的安全性能方面没有改善,甚至会影响电池的安全性能,不建议在应急后备电源蓄电池组使用,否则容易发生事故。
  
  电池的管理及维护标准建议:针对现有咸阳机场公司航站区实际情况,总结出电池管理及维护主要包括以下几个方面:
  
  1)认真了解每一个UPS的电池配组原则,对电池准确进行编号及配色,方便检测;  
  2)按照电池安装说明书使用力矩扳手进行适当紧固螺丝;  
  3)日常巡检过程中注意2.1.2中现象;  
  4)在对电池进行核对性容量放电时注意电池放电压降,同组电池放电过程当中压降明显低于平均值的即可判断电池故障。

2电池配件的选择

  
  1)电池支撑架(电池箱):依据《蓄电池施工及验收规范》GB-50172-2012中4.1.3所描
  
  述,“蓄电池放置的基架及间距应符合设计要求;蓄电池放置在基架后,基架不应有变形;基架应接地”,由此可知,蓄电池在放置时以出图设计为验收标准。但在实际的使用过程当中,因蓄电池在维护过程中众多的检查事项与标准,蓄电池架的安装至少还须符合可以直接目视到电池等因素,因此更换的电池架配置标准至少应为敞开式,具备观测功能的电池架。
  
  2)电池开关:
  
  其一,电池开关的选择,电池属于直流开关,因此电池开关选型应为DC型开关;  
  其二,电池开关的选择,应符合电池组串联的最高电压等级,即耐压等级必须高于N×13.8V(N为每组串联电池个数);  
  其三,电池开关选择3P还是4P?对于直流开关来讲,3P开关一般应用为单级开关,4P开关一般应用为正负极开关,中间应当选用汇流排,如果UPS电池正极对地电压为电池串联个数,负极具有良好的接地,为对地等电位点,则应选用3级开关,具体方式如图1所示:
    3)电池放电开关:放电开关主要为蓄电池放电时的便捷性、安全性,设置方式与电池开关原则一致。但应考虑放电开关的容量以及绝缘性能,仅须按照电池开关布置,选择对应的型号。
  
  4)电池连接线及线鼻子选择:蓄电池连接线及线鼻子作为连接汇流排的核心导体,应具备可靠的导电性能及载流性能,载流能力计算公式为:
  
  Q(UPS容量)÷√3÷380×η(逆变器转换效率)=V(串联直流电压)×组数×I(直流电流)
  
  即电池连接线经选择应大于计算值I对应值一个级别。

三  信息化应用(检测系统)


1UPS在线监测

  
  UPS自问世以来,已从最初的动态式,发展到现在采用全控功率器件产品。UPS在使用过程中运行状态如图2所示:
  
  在实际的使用过程当中,当UPS运行状态改变时的风险远大于正常运行时的风险,运行状态的改变指的是图2中的一种模式到另外一种模式的转变。因此,按照现行机场电网运行规律,在进行设备试验时,一般为计划性工作,时间与风险时可控的,即是故障情况下,人员具有应急措施,立即发现问题;而在电网波动或故障时,UPS的运行状态从市电状态到电池工作模式的转变,时间一般为50~3000ms,因敷设点位问题,如无UPS监控设备,将无法在第一时间判断UPS是否在此过程当中出现故障。因此UPS监控设备在于核心机房的UPS监控过程中的遥测与遥信功能必不可少。

2电池在线监测

  
  航站区目前电池总数为3719块,经过3年时间的历史数据资料积累,及检测标准的复杂性与多样性。人力检查时对专业技术要求比较高;电池数量基数大,在检测过程当中的纰漏;部分检测手段无法达到相应的检测要求。
  
  因此借鉴于企业平台化管理的核心思路,通过信息化及数据化的应用,解决人力所不能达到的新高度。电池在线监控系统的核心主要以三大技术参数作为指标,一是电压及内阻的检测精度,确定检测精度应当以DL/T1397.5-2014中检测方式作为依据。二是具备核心风险点的告警功能。三是具备均衡维护等手段以及完整的信息链路传递。
  
  综上所述,UPS运行模式及蓄电池风险管理立足于技术的分析与研判,通过细致到每一个节点的技术问题进行分析,根据需求选取相关的标准在机房的电源管理当中发挥着正向的激励作用。


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