UPS平均无故障时间MTBF计算

UPS平均无故障时间MTBF计算
实现UPS系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故障或间断的可能。

50年代，第一台静态UPS系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构成。

逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单独维持）。

这种简单的UPS电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。

逆变器的故障将直接导致负载失效。

而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。

在60年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载切换至备用电网供电电源。

尽管备用电网供电电源远不如UPS那么可靠，但发生逆变器故障时，它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。

这一新的结构，切实提高了总体可靠性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。

带静态开关的新型UPS的可靠性，取决于备用电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。

此外，本文（第4页）还阐述了，MTBFMAINS和` MTTRUPS对于UPS整体可靠性的影响。

近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠UPS配置的需求已成千真万确的事实。

特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的UPS这样的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用UPS的供电配置，正在成为当今的标准要求。

本文阐述各种不同UPS配置的可靠性。

整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其它部件的可靠性指标，源于资料MIL-HDBK-217 F (Not.2 1995) 中列举的可靠性数据。

以下计算，在NEWAVE CONCEPTPOWER（概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。

可惜，因NEWAVE公司的规定，不能公布这些统计资料。

1.无静态旁路切换开关（SBS）的UPS单机
无静态旁路切换开关的UPS单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠性（见图1中的电气原理框图）
例：逆变器发生故障时，负载装置即失效。

UPS系统的可靠性
公式中所用的变量说明：
MTBFSU：无静态旁路的单UPS装置，两次故障之间的平均时间
λUPS：无静态旁路开关单UPS装置的故障率
λRECT：整流器的故障率
λBATT：电池的故障率
λINV：逆变器的故障率
无旁路UPS系统的MTBF（即MTBFSU）的计算：
MTBFUPS = 1/λUPS
λUPS =λRECT +λBATT+λINV ……………………(E.1)
若按NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，λRECT = 20·10-6 [小时-1]；λBATT = 10· 10-6 [小时-1]；λINV = 20·10-6 [小时-1]，代入方程（E.1），则无静态旁路UPS系统的故障平均间隔时间（MTBFUPS）MTBFUPS =20,000 [小时]
2.带静态旁路切换开关（SBS）的单UPS
引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主UPS电源连接，就能大大提高单UPS的可靠性。

例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。

负载将无间断地转接至电网供电电源。

公式中所用的变量说明：
MTBFUPS+SBS：带静态旁路开关（SBS）的单UPS装置，两次故障之间的平均时间
MTBFM：电网供电电源，两次故障之间的平均时间
λUPS+SBS: 带静态旁路开关的单UPS系统的故障率
λSBS：含控制电路的静态旁路开关的故障率
λPBUS：并联总线的故障率（仅适用于并联系统）
λM：电网供电电源的故障率
UPS系统的可靠性
μSU:静态旁路开关的修复率（μSU = 1/ MTBFUPS）
μM:电网供电电源的修复率（μM = 1/ MTBFM）
MTTRSBS: 静态旁路开关的平均修复时间
MTTRM:电网供电电源的平均修复时间
注意，所有的计算，都采用以下的常数进行：
MTBFM = 50 [小时]，该指标表示“优质”的电网供电电源
MTTRUPS = 6 [小时]
MTTRM = 0.1 [小时]
此外，根据NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电子线路引起的静态旁路开关故障率，取下列数值：λSBS = 2·10-6 [小时-1]
带静态旁路开关的UPS系统的MTBF（即MTBFSU+SBS）的计算： MTBFUPS+SBS = 1/λUPS+SBS
λUPS+SBS =λUPS//λM+λSBS ……………………(E.2)
λUPS+SBS =λUPS//λM+λSBS = 6·10-6 [小时-1]+ 2·10-6 [小时-1] = 8·10-6 [小时-1]
MTBFUPS+SBS = 125,000 [小时]
注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的UPS系统的可靠性（即MTBFSU+SBS）取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS的MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。

其关系曲线示于图3中。

3.带静态旁路切换开关（SBS）的并联冗余的备用UPS
引入并联冗余配置，能够大大地提高单个UPS 的可靠性。

图4 （n+1）并联冗余UPS配置的电气原理框图和可靠性框图。

UPS系统的可靠性
(n+1)并联冗余UPS系统的MTBF（即MTBF(n+1)UPS+SBS）的计算：
我们将从计算故障率的公式着手：
λ(n+1)UPS+SBS
=(λUPS1//λUPS2…λUPS(n+1))+(n+1)λPBUS+(λSBS1//λSBS2…//λSBS(n+1)) (E.3) 故障率：λ(n+1)UPS+SBS ～(n+1)λPBUS (E.4)
可靠性： MTBF(n+1)UPS+SBS = 1/λ(n+1)UPS+SBS (E.5)
利用率： A(n+1)UPS+SBS = MTBF(n+1)UPS+SBS / MTBFUPS+SBS +MTTRUPS (E.6) （译者注：公式（E.6）有误，分母上似乎应加括号。

原文如此）
(n+1)并联冗余UPS系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行总线是唯一的单点故障。

在并联冗余UPS系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。

这里，将采用下列常数，对并联冗余UPS系统进行一些计算：
MTBFM = 50 [小时]，该指标表示“优质”的电网供电电源
λPBUS = 0.4·10-6 [小时-1]
表1 （n+1）冗余配置的MTBF及故障率，n=1,2,3,4 和5
结论
在单UPS电路结构（整流器，电池及逆变器）的情况下，UPS的可靠性主要取决于逆变器的可靠性。

通过引入静态旁路开关，即备用的电网供电电源，假如电网供电电源的MTBF为50小时（优质），而UPS的MTTR为6小时，则可靠性将提高6倍。

可惜这一可靠程度仍然不足，因为它仍在很大程度上取决于电网原先的可靠性，依赖于售后服务的质量（回应客户的速度，交通耗时，修理时间等）。

现代紧要的用电设备，对于可靠性的要求极其苛刻，不能受制于电网质量和修理时间。

为克服原始电网的制约，我们建议采用（n+1）并联冗余UPS配置。

传统的独立（n+1）并联冗余UPS配置，有一个缺点，即UPS的修理时间较长(通常6-12小时)。

采用了模块化可带电更换的（n+1）并联冗余UPS系统，要求苛刻的负载设备就完全不受电网影响：不必将其余UPS模块转接到原始电网，就能更换故障UPS（带电更换）。

而且，更换模块最多只需0.5小时。

这与传统的并联系统相比，极大地减少了修理时间。

UPS系统的可靠性
以下将介绍一个例子，对几种不同的UPS配置进行比较，它说明，正确选择系统/配置，对于可靠性和利用率，会带来多么大的影响。

举例：传统的独立（1+1）冗余UPS配置与模块化（4+1）冗余UPS配置，在利用率方面的比较
图5给出了两种冗余UPS配置的框图。

左面的系统为，由传统独立UPS组成的（1+1）冗余配置，而右面的系统为，由模块化可带电更换UPS组成的（4+1）冗余配置。

评价UPS配置的可靠性时，利用率(A)是一个重要的参数。

A的定义如下：
UPS系统的可靠性
由公式（E.7）可见，一个UPS的可靠性，取决于：MTBFUPS = 某一UPS配置，两次故障之间的平均时间 MTTRUPS = UPS的平均修复时间。

表2所示，为图5中的两种UPS配置，利用率之间的比较。

注意，这里考虑两种情况：
情况1：两种UPS配置，具有相同的平均修复时间：MTTRUPS = 6 [小时]
情况2：对传统独立UPS配置：MTTRUPS = 6 [小时]，而可带电更换模块化UPS 配置：MTTRUPS = 0.5 [小时]
说明：
情况1：在两种冗余配置MTTR相同的情况下，（1+1）冗余配置的利用率高于（4+1）冗余配置。

之所以如此明显，是由于（1+1）冗余配置的MTBF高于（4+1）冗余配置。

情况2：具有较长MTTR的（1+1）冗余配置的利用率，可能低于具有较短MTTR的（4+1）冗余配置。

结论
从上述情况可见，为达到高利用率，参数MTTR有多么重要。

要是上述某一冗余配置中，有一个UPS发生故障就不再存在冗余度（低利用率状态），那么就必须尽快修理/更换损坏的另件/模块，以便重建冗余度（高利用率状态）。

使用瑞士Newave公司的CONCEPTPOWER-模块化UPS，就能够达到最短的MTTR数值，从而达到最高的利用率，甚至在大量的模块并联配置的情况下也一样。