1、IT系统
本文出现的IT系统（法语：Isolation Terre）为一种电气供电系统术语，而IT设备（英语：Information Technology）特指计算机设备。
2、零地电压
规范GB 50174-2017《数据中心设计规范》和DL/T 5136-2012《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》的条文说明中，均出现了术语“零地电压”。顾名思义，零地电压就是指的零线与大地之间的电压，其实这是一种错误认知产生的概念。最初在国内计算机行业上出现了“零地电压”的概念，认为其过高对IT设备有影响 [1]，有的地方还要求其不得超过2V或者1V，而后竟然以讹传讹发展到工业自动化。实际上，根据电信公司在江西和湖南两省的122个基站抽查发现，零地电压在10V以内对设备没有任何影响[2]。
在美国，对IT设备供电要求采用TN-S系统。如果电源是TN-S系统，最简单的方法是用万用表检测N和PE的通断。若系统中N线带电，不宜采用蜂鸣档或电阻档，而应用电压档判断N和PE的情况。这大概就是为什么会测量零地电压的原因。
如果一台变压器三相不平衡，一定会有电流从N线中流过，由于N线存在阻抗，就和大地之间就形成了电压降，这就是所谓的“零地电压”。变压器三相不平衡多半由于负荷不平衡造成，负荷重的一相电压低，负荷轻的一相电压高，电压的波动必然会对电子设备不利。不过由于技术的发展，很多电源都是宽范围输入，再加上UPS具备一定的调压能力，一般情况下根本不需要担心电源质量的问题。
从实践来看，无论电源系统是TN-S、TT或者IT，西门子PLC都能够正常使用。在电源正常的情况下，它并不是所谓的“零地电压”可以左右的，甚至经过隔离变压器后的IT系统，有的隔离变零地电压为AC110V，PLC也能正常工作。
3、失电时间
西门子样本要求：为CPU供电，需要符合 IEC 61131-2 标准，缓冲时间至少为 20 ms 的电源模块，而西门子配套的PM电源跨越时间正好为20ms[3] 。可以简单的认为给PM电源模块供电的AC220V系统抖动时间小于20ms，PLC是不会宕机的。
4、UPS
UPS按整流元件可以分为：工频机和高频机两种。一般高频机在数据中心使用，而工厂内的小型UPS多使用工频机。
UPS按工作原理可分为：后备式、在线式以、在线互动式三种。因为后备式和在线互动式存在切换时间、输出波形不好等缺点，所以工厂内一般采用在线式UPS，而且市面上3kVA及以上的UPS几乎都是在线式。
如图1，这是一张常见的在线式单相UPS系统图，不同品牌的UPS和它稍有区别。一般UPS说明书都只是单线图，缺少N线的表达。本图中，蓝色线条为N线。
正常情况断路器QF1、QF2、QF4、QF5合闸，QF3分闸（为了避免误操作，有的时候此开关带了断路器锁）。
在线式UPS工作原理：正常工作时，由整流-逆变回路（QF1-QF4）供电；检测到失电时，瞬间切入电池（QF5-QF4）供电，切换时间为0ms；如果UPS故障或电池即将用尽，则通过自动静态旁路开关切入旁路（QF2）供电，切换时间小于15ms。
在线式UPS的逆变器一直处于工作状态，所以在停电时，UPS能马上将电池的能量通过逆变器转化为交流对负载进行供电，从而达到了输出电压零中断切换。【这个0ms切换只是理论值】
静态旁路开关，也叫STS，主、旁两路电源处于同步情况下( 两路电源的电压幅值、频率、相位偏差在允许范围内) ，自动切换的时间小于5ms (1/4周波) ，最短切换时间小于1ms。主、旁两路电源处于不同步情况下，采取先断后通的切换方式，切换时间小于15ms[4] ，这样的切换就不会产生冲击电流。
如图1所示，有的品牌UPS会将输入电源分为两个回路，一个叫做主电源（接入主回路QF1），另一个叫做旁路电源（接入旁路QF2、QF3）。对于AC220V输入系统，主、旁两路电源一定要保持相序一致，虽然STS能够协调相位和幅值，但是仍然不值得冒险，尤其是无意识手动切入旁路QF3，异相产生的冲击电压可能会毁掉整个控制系统。
对于低压回路属于单母线分段的供电系统，主、旁两路电源也最好不要分别引自两段母线。即使两台变压器参数一样，I段母线的A相和II段母线的A相仍然会有相位差，切入维修旁路QF3仍然会产生冲击电压。
5、隔离变压器
隔离变压器根据位置不同，有不同的名称和功能。一般来说，在没有特殊要求，单相UPS仅配置逆变隔离变压器(Inverter transformer)，图1中的“隔离变压器”就是逆变隔离变压器，它位于逆变器后端，然而很多厂家把它叫做输出隔离变压器，这是一种错误的叫法。
UPS 的逆变器会向输出N线注入超过负载所需的电流，这种“过剩”的电流是逆变器运行的副作用，如果没有隔离变压器，它会通过旁路N线返回到供电系统。该电流在正常情况下可能看起来很小，但在各种负载或电源电压不平衡时可能会变大[5]。这种循环电流虽然对低压系统没什么影响，但也是我们不希望看到的结果，如果上级采用RCD开关供电，必然会跳闸。所以大部分UPS都会自带逆变隔离变压器，用于滤除逆变器产生的环流，阻止其回馈电源。
有的PLC柜进线端会自带一个隔离变压器，如果PLC前端由UPS供电，它的作用就相当于UPS的输出隔离变压器(Output transformer)。隔离变压器可以看做是一个带通滤波器，电源质量十分糟糕的情况下，增加输出隔离变压器可以滤除一部分噪声[6]，但是千万别指望单相UPS滤波，因为谐波可以跟随UPS的N线窜入PLC系统。在PLC柜内增加隔离变压器的利弊，以后在“控制系统独立接地”的文章再详细探讨。
6、供电系统
对于UPS的输入端，其供电必须是TN-S系统。而输出端，如图1所示：UPS为了获得零电位，将输入N线和输出N线在内部导通，即便增加了逆变隔离变压器，输出端也是TN-S系统。【在UPS未送电之前，可以用万用表测试一下】
关于自动旁路开关QF2，有的品牌没有这个开关，有的品牌是1P开关，有的品牌是2P开关。如果是2P开关的话，一旦QF2断开，UPS输出端便成为了悬浮的IT系统。这样的做法是十分危险的！【低压系统不允许随意切换开关导致更改电源的接地系统】
关于手动旁路开关QF3，它的功能比较鸡肋。UPS供给的PLC设备，一般不允许停机，如果UPS坏了，需要人工合闸QF3进行在线维修UPS。在线维修UPS相当危险，原因有二：第一，有可能误操作让QF3短路跳闸，PLC失电停机；第二，在狭小的空间内维修UPS有触电的危险。最好的方式是将手动旁路开关QF3移出UPS本体！如果对在线更换UPS感兴趣，可以阅读其他文章《UPS的机外检修旁路设计》、《工业用UPS的设计与选型要点》。
7、总结
- 在电源正常的情况下，所谓的“零地电压”并不影响PLC工作。
- 在线式单相UPS，其输入和输出都应该是TN-S系统，当然不排除设计不合理的产品。
- UPS自带逆变隔离变压器是十分有必要的。
- 位于UPS的本体手动旁路开关缺点较多，应该取消。
参考文献
[1] 王伟. 科学地认识数据机房UPS的”零地电压”问题[J]. 电源技术应用,2010(12):13-21.
[2] 郑啸,谢琦,余平放. 零地电压对数据通信设备影响的分析[J]. 电信技术,2010(8):23-27.
[3] Siemens AG. S7-1500/ET200MP 自动化系统手册[Z],2017.
[4] 李桢. STS在石化仪表系统供电中的应用[J]. 化工自动化及仪表,2017,44(3):236-238,296.
[5] Neil Rasmussen. The Role of Isolation Transformers in Data Center UPS Systems, White Paper 98[R], 2011.
[6] 王洪瑞,李建平. 1:1隔离变压器的电源滤波作用[J]. 燕山大学学报,1991,(2):159-163.
