UPS系統(tǒng)的可用性進(jìn)行內(nèi)部設(shè)計(jì)分析 - 全文

本文從UPS電源系統(tǒng)的可用性概念出發(fā)，對(duì)UPS內(nèi)部的設(shè)計(jì)，UPS系統(tǒng)的配置以及相關(guān)配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了UPS系統(tǒng)提升可用性的方法。

前言

UPS電源是工業(yè)領(lǐng)域用來(lái)對(duì)負(fù)載進(jìn)行斷電保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于斷電保護(hù)，針對(duì)不同的負(fù)載應(yīng)用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設(shè)備，當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，UPS電源需要為負(fù)載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時(shí)間。在這段后備時(shí)間之內(nèi)，負(fù)載設(shè)備會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等動(dòng)作以防數(shù)據(jù)丟失，之后負(fù)載就會(huì)關(guān)機(jī)。在UPS達(dá)到后備時(shí)間之后負(fù)載仍然會(huì)斷電，但這不會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。另外一種是在數(shù)據(jù)中心，以及工業(yè)應(yīng)用之類的場(chǎng)合，對(duì)UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統(tǒng)必須提供整年每天24小時(shí)的連續(xù)供電。本文對(duì)可靠性與可用性的討論就是針對(duì)這種情況。

電源系統(tǒng)的可靠性通?？梢允褂肕TBF（平均故障間隔時(shí)間，或者平均無(wú)故障工作時(shí)間，以小時(shí)表示）來(lái)表示，此外還有一個(gè)更加容易理解的指標(biāo)AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比關(guān)系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越長(zhǎng)，則年失效率越低。

對(duì)于可維修的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還有一個(gè)可用性的指標(biāo)，其定義是

A = MTBF / （MTBF + MTTR）

其中A是一個(gè)百分比指標(biāo)，MTTR值得是平均故障修復(fù)時(shí)間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以非常快速的恢復(fù)，那么系統(tǒng)的可用性指標(biāo)就比較高。對(duì)于電網(wǎng)這類對(duì)象來(lái)說(shuō)，使用可用性指標(biāo)可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對(duì)于在關(guān)鍵場(chǎng)合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來(lái)說(shuō)，可用性指標(biāo)比可靠性指標(biāo)更具有現(xiàn)實(shí)意義。

可靠性/可用性指標(biāo)都是統(tǒng)計(jì)意義上的概念，一個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性/可用性與構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)模塊的可靠性/可用性之間也存在統(tǒng)計(jì)意義上的關(guān)聯(lián)。

假設(shè)電源系統(tǒng)中存在兩個(gè)電源模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)工作的，其中一個(gè)和另外一個(gè)是互相獨(dú)立的，見下面圖中所示

那么考察這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統(tǒng)的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可用性A1與A2的關(guān)系就有

Asys = 1 – （1 – AFR1）×（1 – AFR2）

另外一種可能是系統(tǒng)中這兩個(gè)模塊是串聯(lián)的，見下面圖中所示

那么這兩個(gè)模塊組合起來(lái)的系統(tǒng)的可用性Asys與每個(gè)模塊各自的可靠性A1，A2的關(guān)系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是處于0～1之間的數(shù)值，因此兩個(gè)并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個(gè)串聯(lián)模塊的可用性要低于各自的可用性。

UPS電源的可靠性

從單個(gè)UPS的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以把整個(gè)產(chǎn)品按照模塊進(jìn)行劃分，下面圖中是一個(gè)典型的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看到，UPS各個(gè)模塊之間的依賴關(guān)系比較復(fù)雜，但是還是可以分出串并聯(lián)的關(guān)系如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯(lián)的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統(tǒng)能夠達(dá)到的最高可用性等級(jí)；

控制模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯(lián)的，因此控制模塊的可用性也會(huì)直接影響到系統(tǒng)總體可用性設(shè)計(jì)；

對(duì)于負(fù)載端來(lái)說(shuō)，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個(gè)模塊是并聯(lián)的；

PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯(lián)的，之后再與逆變模塊串聯(lián)；

從能源提供者來(lái)講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨(dú)立的電源，而電池能源是由市電經(jīng)過(guò)充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲(chǔ)，實(shí)際上也無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯(lián)的。這樣可以畫出整個(gè)UPS系統(tǒng)的可用性串并聯(lián)路徑圖

從這一路徑關(guān)系里可以看到，總共存在3條并聯(lián)的路徑，而每一條路徑各自又是由數(shù)個(gè)模塊串聯(lián)起來(lái)的。正與前面分析的一樣，輔助電源與控制模塊的可用性是串聯(lián)在所有通路上的，因此如果這兩者設(shè)計(jì)有缺陷的話UPS的可用性是無(wú)法做的很高的。電池回路串聯(lián)有最多的模塊數(shù)量，也是可用性最低的一條路徑。

要提升系統(tǒng)的可用性首先要提升關(guān)鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控制模塊與輔助電源。輔助電源是整個(gè)UPS的關(guān)鍵點(diǎn)，如果輔助電源不工作整個(gè)UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升MTBF；一種是對(duì)輔助電源也適用并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，提升可用性；再一種是對(duì)UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當(dāng)于把原來(lái)完全串聯(lián)的路徑改成并聯(lián)。在UPS設(shè)計(jì)中可以混合使用這幾種方式，由于上面三條可用性通路是并聯(lián)的，而旁路通路本身是可用性最高的一條，因此最為推薦的設(shè)計(jì)就是優(yōu)先提升旁路的可用性，對(duì)旁路單獨(dú)使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，以擁有高的MTBF。

控制模塊同樣也是影響到所有路徑的關(guān)鍵點(diǎn)，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對(duì)獨(dú)立的旁路路徑配備單獨(dú)的控制模塊，并且通過(guò)與其余控制功能協(xié)調(diào)工作來(lái)達(dá)到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡(jiǎn)單，以提升可靠性。一種推薦的做法是旁路控制模塊不斷的檢測(cè)UPS主控制模塊的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)主控制模塊，則自動(dòng)切換到旁路方式。此外，對(duì)于主控制模塊來(lái)說(shuō)也可以通過(guò)冗余的方式來(lái)提升可用性，比如采用雙MCU結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)MCU檢測(cè)到另外一個(gè)MCU發(fā)生故障時(shí)可以接管另一個(gè)MCU的功能，或者采取緊急措施如轉(zhuǎn)旁路來(lái)保證負(fù)載不斷電。

對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發(fā)生時(shí)繼續(xù)維持供電的關(guān)鍵，但是串聯(lián)環(huán)節(jié)最多，也恰恰是可用性最為薄弱的環(huán)節(jié)。一般電池規(guī)格書里面會(huì)說(shuō)明充電電流不要超過(guò)0.15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數(shù)倍的時(shí)間才能重新充滿，從這個(gè)意義上講其可用性一般都在20%以下。但是由于電池并不是連續(xù)工作的，只要在電池放完前市電恢復(fù)，在重新充電的過(guò)程中也沒有再發(fā)生斷電，那么負(fù)載仍然不會(huì)受到影響。從這方面來(lái)看，電池的可用性在只會(huì)發(fā)生短時(shí)間的斷電情況下還是很高的。

再重新來(lái)審視電池回路的可靠性，在電池與市電之間還有一個(gè)充電器模塊環(huán)節(jié)。如果充電器損壞則電池在一次放完電之后就無(wú)法再充回，導(dǎo)致下一次市電停電時(shí)負(fù)載斷電。但是充電器只是在電池需要充電時(shí)才會(huì)工作，因此如果能夠及時(shí)對(duì)充電器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)現(xiàn)充電器異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，就能夠避免充電器故障帶來(lái)的問題，從而提升整個(gè)UPS的可用性。對(duì)于電池也有一樣的手段。電池在使用多次之后也會(huì)面臨容量下降和失效的問題，但是如果能夠通過(guò)電池狀態(tài)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)電池失效并及時(shí)更換，也能夠有效提升UPS的可用性。

UPS系統(tǒng)的可靠性

由于UPS并非一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用系統(tǒng)，而是要搭配有其他一些環(huán)境因素在里面，所以這些外部因素也是必須考慮進(jìn)來(lái)的。前面提到過(guò)，UPS電池的備電時(shí)間是有限的，如果斷電時(shí)間比較長(zhǎng)，導(dǎo)致電池電放完，那么負(fù)載就仍然會(huì)斷電。因此UPS可用性會(huì)受到市電發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間斷電概率的影響。

為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統(tǒng)中加入一個(gè)特性和電池互補(bǔ)的備用電源：在市電斷電時(shí)的不需要很快反應(yīng)，但是在長(zhǎng)時(shí)間停電條件下能夠持續(xù)提供電力，燃油發(fā)電機(jī)組就是最為合適的一個(gè)選擇。因此在UPS系統(tǒng)配置上可以加入一個(gè)自動(dòng)切換裝置，在市電停電后切換到發(fā)電機(jī)組。這樣一來(lái)能夠極大的提升長(zhǎng)時(shí)間斷電條件下UPS系統(tǒng)的可用性。如此則UPS系統(tǒng)的可用性路徑就成為

雖然在可用性路徑里面多串聯(lián)了一個(gè)市電與發(fā)電機(jī)切換用的ATS，增加了單調(diào)路徑發(fā)生故障的概率，但是相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間斷電帶來(lái)的可用性問題來(lái)說(shuō)還是值得的。

在UPS應(yīng)用的另外一個(gè)分支是目前正在興起的直流UPS系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的思路是出于提高效率的目的，減少電源系統(tǒng)中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，電力分配部分由原來(lái)的交流轉(zhuǎn)換成直流。一個(gè)理想的直流UPS系統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用從市電到12V終端的應(yīng)用結(jié)構(gòu)見下圖。

可以看出，理想的直流UPS系統(tǒng)由于把交流系統(tǒng)中UPS的逆變環(huán)節(jié)與服務(wù)器電源中的PFC環(huán)節(jié)使用一個(gè)隔離型DC/DC環(huán)節(jié)來(lái)取代，從而可以改善效率。不過(guò)在直流UPS系統(tǒng)里面由于電池電壓的變動(dòng)范圍是比較大的，為了取得更優(yōu)化的效率曲線，在后級(jí)的服務(wù)器電源中也有可能使用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。也就是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，減小服務(wù)器電源隔離DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)的輸入范圍，以得到更好的節(jié)能效果。此時(shí)的結(jié)構(gòu)見下圖

在這種直流UPS體系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一個(gè)市電到電池回路，這個(gè)回路也兼有充電器的作用。因此從單個(gè)UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路只有兩條，其中一條是兩級(jí)變換加上輔助電源與控制板，另外一條是電池，見下圖所示

與交流UPS相比，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路，少了一個(gè)提升可用性的回路。但是電池是直接給負(fù)載供電的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供電系統(tǒng)有得有失。但是另一個(gè)方面直流系統(tǒng)比交流UPS更容易進(jìn)行并聯(lián)，從而可以利用增加并聯(lián)臺(tái)數(shù)的方式增加可用性。

配電系統(tǒng)的可用性

對(duì)于一般的UPS系統(tǒng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機(jī)熱備份，見下圖所示

這種配置方式下兩臺(tái)UPS是完全并聯(lián)工作的。基于前面可用性的原理，第二種配置方式比第一種會(huì)有更高的可用性。

這里就反映了可用性與可靠性的一個(gè)明顯不同。對(duì)于兩臺(tái)并聯(lián)冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出現(xiàn)故障的概率也會(huì)增高，因此從統(tǒng)計(jì)意義上來(lái)講整個(gè)系統(tǒng)的MTBF會(huì)下降。但是由于其中一臺(tái)出現(xiàn)故障之后仍然有一臺(tái)在工作，只要出故障的UPS能夠很快修復(fù)，負(fù)載就仍然處在有效的保護(hù)之中，可用性是提升的。從負(fù)載的角度衡量，評(píng)估系統(tǒng)的可用性比可靠性更加有意義。

在可用性的定義中，電源系統(tǒng)恢復(fù)的時(shí)間越短，則可用性也會(huì)越好。因此把電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊化易更換的結(jié)構(gòu)，可以大大減小維護(hù)時(shí)間，從而使得可用性顯著改善。

對(duì)于機(jī)房應(yīng)用的場(chǎng)合，雙總線的概念應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于關(guān)鍵的服務(wù)器負(fù)載，一般都提供兩組電源輸入。相應(yīng)的，在配電部分就也可以對(duì)應(yīng)采用兩組獨(dú)立的電源總線。結(jié)合UPS本身就支持雙總線輸入，實(shí)際上可以構(gòu)造出很多種組合形式。對(duì)不同方式進(jìn)行比較后，比較推薦的一種典型的結(jié)構(gòu)見下圖所示

這里把兩組獨(dú)立市電都供給兩套UPS系統(tǒng)，然后每一套UPS系統(tǒng)作為一條總線來(lái)使用，可以充分發(fā)揮市電雙總線，UPS內(nèi)部雙總線以及負(fù)載雙總線高可用性的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

本文對(duì)UPS內(nèi)部設(shè)計(jì)，UPS系統(tǒng)以及配電系統(tǒng)的可用性進(jìn)行分析，給出了提升UPS電源系統(tǒng)可用性的思路。通過(guò)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在UPS中采用旁路與市電獨(dú)立的電源，加入多CPU監(jiān)控，加入電池監(jiān)控等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方面在系統(tǒng)層次上，選擇模塊化的結(jié)構(gòu)，縮短維修更換時(shí)間，更多使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，也可以明顯提升可用性。