UPS的可靠性更多有賴于電源系統(tǒng)的整體設(shè)計，而并非UPS本身的設(shè)計(如UPS是否采用互動式或雙變換技術(shù))。而最終，提高UPS可用性的辦法無疑就是將包括UPS和整個電源保護方案在內(nèi)的整體修復(fù)時間縮至最短，將冗余擴至最大。
1 平均無故障時間(MTBF)之惑
一直以來，MTBF(平均無故障時間)是UPS生產(chǎn)商用來測量和說明UPS可靠性的關(guān)鍵度量指標(biāo)。不過，用MTBF萊預(yù)測UPS的可用性實際上卻難具說服力。
為了說明這一點，我們來舉一個例子，假設(shè)一臺UPS的MTBF是200，0OOh，非專業(yè)人士可能簡臺UPS的MTBF是200，0OOh，非專業(yè)人士可能簡單地以為該設(shè)備可以無故障運行200，000h(約為23年)。但是，事實上UPS生產(chǎn)商不可能也不會對產(chǎn)品進行為期23年的無故障運行測試。相反，他們只是根據(jù)UPS組件的預(yù)計使用壽命先行計算出一個MTBF值。然后，在其出貨量增長到具有統(tǒng)計學(xué)意義時，會根據(jù)這批設(shè)備實際的性能數(shù)據(jù)替換到某些初步的預(yù)估值，這些修正后的數(shù)據(jù)可能存在誤導(dǎo)性。比如，假設(shè)2，500臺UPS在5年的研究期內(nèi)運行良好，那么得到的MTBF值可能會相當(dāng)高。但是如果這些系統(tǒng)中有一個組件的使用壽命只有6年，那么在5年研究期過后的一年，它們中的90%可能會發(fā)生故障。
用可用性來測量關(guān)鍵電源后備系統(tǒng)更加具有實質(zhì)意義。鑒于UPS在數(shù)據(jù)中心所占據(jù)的重要作用，能否快速更換舊零件或故障零件就顯得至關(guān)重要。可用性表示的是MTBF與另一度量單位MTTR(平均故障修復(fù)時間)相互之間的關(guān)系。MTTR是指從發(fā)現(xiàn)故障、給予響應(yīng)到完全修復(fù)所需的時間。
可用性A=MTBF/(MTBF+MTTR)
然而，單獨來講，盡管可用性比MTBF更能說明UPS的可靠性，但是在一些重要方面仍存在不足。具體來說，可用性無法說明例行保養(yǎng)的時間。如果一個系統(tǒng)每年都必須安排進行檢查、重新校準(zhǔn)或常規(guī)維護，它實際的運行可肘性會比上面公式得出的數(shù)值來得低。
2 UPS設(shè)計和內(nèi)部電源通路
盡管UPS內(nèi)電源通路數(shù)量的增多會使成本增加，但是這可以確保日某此b系統(tǒng)組件(譬如整流器、逆變器或內(nèi)郡備用電池)發(fā)生故障，關(guān)鍵負載的供電免于中斷。UPS從設(shè)計類型上基本分為三類:
(1)后備式UPS的電源通路如圖1所示。
圖1 后備式UPS的電源通路
當(dāng)UPS檢測到停電故障時，后備式UPS可以切斷IT設(shè)備(lTE)的市電供電，為系統(tǒng)提供電源保護。不過，一些備用電源系統(tǒng)會在過壓或欠壓時提供局部的電源保護，對電池電源的使用較為有限。可見，雖然后備式UPS可提高效率和降低成本，但有時提供的電源保護并不全面。
(2)互動式UPS通常視情況適度調(diào)節(jié)電壓之后，再對受保護設(shè)備供電。不過，互動式UPS必須使用電池電源來防止各種頻率異常現(xiàn)象和停電'清況，如圖2所示。
圖2 互動式UPS的電源通路
(3)雙變換式UPS可以將關(guān)鍵負載與市電電源完金隔絕，從而確保為IT設(shè)備提供潔凈、可靠的電力。雙變換式UPS比后備式UPS和互動式UPS更耗能，因此它們在數(shù)據(jù)中心或設(shè)備司內(nèi)的散熱量更高，如圖3所示。
圖3 雙變換式UPS的電源通路
這些UPS設(shè)計的不同之處在于其內(nèi)部的電源通路。后備式UPS通常有兩條電源通路，由一個電源開關(guān)同時控制。因此，如果電源開關(guān)故障，那么lT設(shè)備便會斷電。
互動式UPS通常有兩條完全獨立的電源通路，其中條通路使用電源接口。如果電源接口發(fā)生故障，則UPS將由電池供電以確保將所有連接的設(shè)備從容關(guān)閉。郡分頂級的互動式系統(tǒng)也會包含一個靜態(tài)旁路通路，可以自動旁路UPS申發(fā)生故障的組件，將lT設(shè)備直接連接至市電電源。
大多數(shù)的雙變換式UPS有兩條電源通路，一條由市電電源或發(fā)電機供電，一條則由電池電源供電。此外UPS內(nèi)還包括:
(1)自動靜態(tài)旁路開關(guān)可以旁路發(fā)生故障的整流器或逆變器，并由市電電源直接供電給IT設(shè)備。
(2)手動維護旁路設(shè)備允許技術(shù)人員在不中斷受保護負載供電的情況下對系統(tǒng)進行維修。
3 提高ups電源通路可用性的策略
提高UPS電源通路可靠性的方法有：
(1)添加并聯(lián)電池組:使用單組串聯(lián)電池的UPS對正常供電負載的風(fēng)險會大大增強。如果串聯(lián)申的電池其申一只出問題，就會影響整串電池組放電，從而導(dǎo)致UPS無法正常供電。如果在UPS上再并聯(lián)一串電池組的話，假設(shè)其中一串電池組發(fā)生故障，那么UPS仍可由另一串正常的電池組供電一段時間，從而有時間連接備用發(fā)電機供電或者從容關(guān)閉負載設(shè)備。
(2)安裝柴油發(fā)電機:電池供電只能解決一時的燃眉之急。如果面臨長時間的斷電情況，即使使用了最長時效的電池組可能也是"有心無力"。因此，在長時間停電的情況下，使用柴油發(fā)電機作為備用供電電源較為理想力口圖4所示。
圖4 配有應(yīng)急電機的UPS電源通路
4 通過并聯(lián)安裝UPS提高可用性
冗余的設(shè)計邏輯，不僅適用于電源保護方案，同樣亦適用于UPS設(shè)計。在電源設(shè)計申構(gòu)建多條電源通路能夠從根木上提高系統(tǒng)的可靠性。
電源供應(yīng)鏈的最終性能受限于其申最弱的一環(huán)。因此，在供應(yīng)鏈的每一點上添加多個冗余可以提高其整體的可靠性。因此，最可靠的輸電系統(tǒng)通常包括從總電源至用電負載的多條相互獨立的電源通路，相互盡可能避免重疊。采用冗余配置的電源系統(tǒng)，當(dāng)組件發(fā)生故障或者進行例行維護時郡不會導(dǎo)致IT設(shè)備關(guān)閉，如圖5所示。
圖5 并聯(lián)冗余UPS供電系統(tǒng)
5 冗余UPS架構(gòu)
在UPS行業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)并聯(lián)郡署的方式有很多。最常見的兩種方式是串并聯(lián)組合部署的架構(gòu)或者是全冗余并聯(lián)部署的架構(gòu)。
(1)串聯(lián)冗余系統(tǒng)
當(dāng)需要使用兩個不同型號或者是由兩個不同廠商生產(chǎn)的UPS系統(tǒng)支持基本負載時，有時會使用串聯(lián)冗余的配置架構(gòu)，它們無法在冗余配置中并聯(lián)。但是使用串聯(lián)組合部署的架構(gòu)可以幫助克服這種限制，如圖6所示。
圖6 串聯(lián)組合系統(tǒng)架構(gòu)
(2)并聯(lián)冗余系統(tǒng)
一般來說，全冗余并聯(lián)架構(gòu)具備的可靠性更高，不過這也取決于實施的形式。
a.不完全冗余方式
某些UPS聲稱具有并聯(lián)架構(gòu)，但實際上只是有限的幾個組件進行并聯(lián)。這也就是說，雖然在一個類似的零件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以提供一定的冗余。但是如果系統(tǒng)中設(shè)有獨立的子系統(tǒng)，一旦子系統(tǒng)發(fā)生故障，那么整個UPS便需要關(guān)罰進行維修，如圖7所示。
圖7 部分內(nèi)置冗余的并聯(lián)架構(gòu)
b.具有獨立子系統(tǒng)并聯(lián)冗余方式
有的UPS設(shè)計還包括帶有獨立子系統(tǒng)的UPS和帶有點對點并機能力的UPS，這就是說由UPS自身進行控制，而不是使用主控制器，這就賦予了UPS高的可靠性級別。并聯(lián)架構(gòu)的設(shè)計旨在不增加設(shè)計復(fù)雜程度的情況下盡可能地消除弟點故障。因此，并聯(lián)架構(gòu)可以使用獨工子系統(tǒng)和點對點控制，提供最少故障點和最高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計，如圖8所示。
圖8 每個UPS帶有點對點控制和獨立子系統(tǒng)的并聯(lián)冗余模塊化系統(tǒng)
c.“N十l”并聯(lián)冗余模塊化系統(tǒng)
6個12kW UPS系統(tǒng)，使用熱插拔電子組件和電池模塊，如果用戶手上有可更換的零部件的話，他們便可在幾分鐘內(nèi)自行更換故障的組件，"5十1"并聯(lián)冗余方式如圖9所示。
圖9 “5+1”并聯(lián)冗余模塊化系統(tǒng)
6 電池如何影晌可靠性
UPS的設(shè)計理念決定了使其用電池供電的頻率，而電池使用頻率又與電池的運行時間和使用壽命直接相關(guān)。
后備式UPS會頻繁切換至電池供電模式，這會減少電池的運行時司并縮短使用壽命。而且，在頻繁切換供電模式的過程中會存在短暫的斷電，可能會使IT系統(tǒng)關(guān)罰。同時，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，會導(dǎo)致IT電源關(guān)閉。
互動式UPS比后備式UPS能夠更好地提供電源異常保護，然而當(dāng)在正常模式和調(diào)節(jié)模式之間進行轉(zhuǎn)換時或者為應(yīng)對發(fā)電機起動時的電壓不穩(wěn)定，必須依靠電池進行供電。
雙變換UPS的電池使用則更為適度。在較寬的輸人電壓容限范圍內(nèi)，UPS整流器和逆變器會共同調(diào)節(jié)輸出電壓，而不需要借助于電池進行供電。此外，從正常供電模式轉(zhuǎn)換至電池供電模式的切換時間很短，因此不必擔(dān)心IT系統(tǒng)會出現(xiàn)供電中斷的情況。
帶有多運行模式的新型高效雙變換UPS，其使用電池的時間和頻率與雙轉(zhuǎn)換UPS相似，在某些情況下可能要來得更低。而且，這些UPS在正常運行模式下效率可高達99。效率更高就相當(dāng)于電池的運行時司更長，運行溫度更低，這兩點都有助于延長電池的使用壽命。
7 結(jié)束語
電源系統(tǒng)可用性最大化的六個關(guān)鍵步驟：
(1)高品質(zhì)UPS的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計:選擇資歷出眾、擁有諸多成功案例的業(yè)界廠商。UPS的設(shè)計應(yīng)當(dāng)包括內(nèi)置關(guān)鍵組件冗余，采用多條電源通路，使用性能優(yōu)越的組件，同時在生產(chǎn)過程中對質(zhì)里進行嚴(yán)格把關(guān)。
(2)選擇內(nèi)置有多條電源通路的UPS:良好的UPS設(shè)計應(yīng)當(dāng)能提供多條電源通路進行額外冗余，包括靜態(tài)旁路開關(guān)，手動維護旁路或自動維護旁路。
(3)尋找可滿足您叮設(shè)備需求的UPS:一些kUPS的價格雖低，但卻無法正常支援用電負載，達就會導(dǎo)致IT設(shè)備被重置、數(shù)據(jù)被破壞甚至設(shè)備被關(guān)閉。帶有多運行模式的高效雙變換式UPS可以在IT設(shè)備和工業(yè)設(shè)備容許的電壓和頻率范圍內(nèi)對電源進行很好地凈化。
(4)部署冗余并聯(lián)UPS:可以對電源通路、電子組件和電池模塊進行冗余，從而提供最高的可靠性保護。
(5)注重可以縮短MT丁R的各種特性:選擇模塊化系統(tǒng)設(shè)計，UPS應(yīng)使用便于維修的零部件，比如熱插拔電池和電子組件。從根本上來說，MTTR比MTBF對可用性的影響更大。
(6)選擇使用電池可能性最小的UPS:頻繁使用電池供電的UPS，其電池的運行時間和使用壽命會相對縮減。帶有多運行模式的高效雙變換UPS使用電池的可能性更小，有助于延長電池的使用壽命。
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