UPS冗余供电系统如何正确配置

UPS 冗余供电系统如何正确配置

梅兰日兰电子(中国)有限公司 张广明

在UPS 供电系统中，模块化冗余配置是可同时提高系统可用性、可维护性、可扩充性的最有效的措施。但是在实际应用中由于存在着盲目的设备堆积、忽视可靠性瓶颈、设备使用不当等问题，系统的可用性并没有实现预期的目标，又由于系统的复杂性增加，不仅增加了一次性投入成本，维护成本和维护难度也明显地增加了。本文将针对与冗余系统配置有关的错误观念和在实践中已发生过的问题进行讨论。 一、模块化冗余系统对提高系统可用性的贡献

对于UPS 供电系统，越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识：UPS 系统经过多年发展，在其性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下，真正能为用户带来价值的是其可用性。供电系统可用性在概念上包含了设备的可靠性、可管理性和可维护性。可靠性高、便于管理、故障后可快速修复等，都意味着给用户更多的正常使用时间，把故障后不可用时间降到最低限度。

系统可用性A (t )的定义为：电子系统在使用过程中(尤其在不间断连续使用的条件下)，可以正常使用的时间与总时间之比。系统可用性可用平均无故障时间MTBF(是设备失效率λ的倒数)和平均维修时间MTTR 表示，即：

MTTR

MTBF MTBF A(t)+=

(1)

由公式(1)可以看出，要提高系统的可用性，最根本的两项措施是提高设备的可靠性和降低系统故障修复时间。

要提高设备的可靠性，通常的做法是：采用先进的主电路结构和控制技术，对整机做专门的可靠性设计，包括控制电路的可靠性设计、功率电路和功率器件的可靠性设计、提高功率器件的规格和档次并降容使用、热可靠性设计、耐环境可靠性设计、电磁兼容可靠性设计、安全性可靠性设计、严格生产工艺、加强质量管理等。但是，组成UPS 主机的上千个元器件和几千个接点，在可靠性模型图上是串连的，整个系统的可用性是这些器件和接点可靠性的乘积，所以以上措施对提高设备的可靠性虽然是有效的，但效果是有限的。

鉴于以上情况，UPS 厂商开始在UPS 系统配置方案上探讨提高系统可用性的途径，虽然UPS 产品本身的可靠性设计是提高可用性的关键，但是合理的UPS 系统配置和使用方法也可大大提高整个UPS 供电系统的可用性。所以系统配置方案也是UPS 可用性设计的一个重要内容。在这方面最大的技术突破是UPS 的模块化冗余并机技术。如图1所示。

这里要说明的是，模块化冗余系统的定义应该是：系统中，一个设备整机或者一个完整的功能模块可以在不影响系统正常运行的情况下维护或更换，则这个系统就叫模块化冗余系统。

UPS 冗余并机应具备的条件是：输出可直接并联，在系统容量备份情况下可脱机维护。 UPS 整机在具备了以上条件时，就可组成图1所示的模块化冗余并机系统，整机本身在系统中就是一个模块，但是故障后脱机维护的时间(MTTR)可能很长，甚至还包括厂商对故障反映的时间和备件储备发运的时间。

把一台整机按功能分割成几个完整的模块，然后组成一个完整的UPS 整机系统，这就

（a ）1+1模块化冗余并机 （b ）n+1模块化冗余并机 图1模块化冗余并机系统

是当前已被用户认可并广泛应用的“模块化UPS ”，与整机并机系统相比，它的最大的优点是可用插拔的方法把故障脱机维护时间(MTTR)缩到最短，在用户现场有备件的情况下，可将此时间缩短到1小时。

仅就UPS 冗余并机环节，用图1的可靠性模型就可看出模块化冗余系统对提高系统可用性的贡献。

图1(a)两台都故障时则系统故障， 可用性模型如图2所示

A 1、A 2分别是UPS1 和UPS2的可用性， 则系统的可用性：

()()21111A A A -⨯--= 当A 2=A 1时

()2

111A A --= (2)

图1(b)在满负荷时任意两个模块发生故障，则系统故障，可用性模型如图3所示

由图3可以看出，4+1冗余并机系统相当于10个1+1冗余并机系统的串联，如果每个UPS 的可用性都相同并都等于A 1时，系统的可用性为：

()[]

10

211A

A --=

(3)

假定UPS 单机(或模块)的MTBF=10万小时，平均维护时间MTTR=8小时，而模块化可插拔

可用性则与负载量有关，75%负载时系统变成3+2，50%负载时系统变成2+3，所以可 用性随负载量减小而变高。可插拔模块系统的可用性除了与负载量有关外，还因为故 障修复时间可降到1小时，所以系统可用性更高。

图4是不可用性(1-A)与MTBF 和MTTR 的关系的计算曲线，更明显地显示了MTTR 和MTBF 对可用性的影响。

图2、 1+1冗余并机可用性模型

图3、4+1冗余并机可用性模型

二、市电冗余和UPS 双输入问题

在新建和改建的计算机供电系统中，大都不同程度地采用了UPS 模块化冗余并机方案，但是在已投入运行的系统中，却存在着一些需要讨论的观念和问题。双市电冗余输入(或市电加油机)与UPS 双输入的方案就值得讨论。如图5所示。

图5(a)中，UPS 是双转换电路结构，主电路和静态旁路可以分开输入，市电2为主电路供电，市电1为静态旁路供电。主电路逆变器工作频率跟踪旁路市电。此系统在结构上是可行的，但从冗余功能来看,却明显地存在着以下几个问题：

(1)、如图5(b)所示，当市电1故障掉电时，UPS 主电路继续工作，但系统失去了转旁

路的功能。要知道，可靠性MTBF 是在UPS 在带转旁路功能的情况下得出的，UPS 主电路与静态旁路是冗余配置，失去转旁路功能会大大降低

UPS 系统的可靠性，典型的数据是，如果带转旁路功能的UPS 的MTBF 值为15万小时，不带转旁路功能时仅有3万小时；

(2)、如图5(c)所示，当市电2故障掉电时，UPS 主电路会转电池逆变工作，在系统有双路市电输入的情况下，电池的备用时间通常都在10-30分钟范围内，如果电池放电结束而市电2仍未恢复，则UPS 就转旁路由市电1供电。其结果一是负载直接由质量不高的市电供电，二是UPS 因电池放电终结而失去不停电供电功能。在整个过程中UPS 只相当一个可延时不间断转换的静态转换开关STS 。

总之，两路市电本来是冗余的，但任何一路掉电都会使系统工作不正常，甚至使UPS 系统失去不停电供电功能。

MTTR=0.5h

MTTR=1h MTTR=2h MTTR=4h

MTTR=8h

MTTR=10h

图4、系统不可用性（1-A ）与MTBF 和MTTR 的关系的计算曲线

(a)UPS 双输入接法

(c) 交流输入2掉电时的系统状态

图5，UPS 双输入连接和市电冗余问题

市电输入市电输入（d ）双路市电的正确接法