基于UPS電源供電系統(tǒng)可用性的概念，分析了不間斷電源的內(nèi)部設(shè)計(jì)、不間斷電源系統(tǒng)的配置以及相關(guān)的配電結(jié)構(gòu)，并給出了提高不間斷電源系統(tǒng)可用性的方法。
不間斷電源是工業(yè)領(lǐng)域負(fù)載斷電保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)于電源故障保護(hù)，不同的負(fù)載應(yīng)用有兩種類型。一個(gè)是普通的電腦設(shè)備。停電時(shí)，UPS電源需要為負(fù)載提供幾分鐘到十分鐘的備用供電時(shí)間。在這個(gè)備份時(shí)間內(nèi)，加載設(shè)備會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等動(dòng)作，防止數(shù)據(jù)丟失，然后加載會(huì)關(guān)閉。UPS達(dá)到備份時(shí)間后，負(fù)荷仍會(huì)被切斷，但這不會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。另一種是在數(shù)據(jù)中心、工業(yè)應(yīng)用等場合，對(duì)UPS的要求是真正的不間斷供電，而UPS系統(tǒng)必須提供全年24小時(shí)不間斷供電。本文對(duì)可靠性和可用性的討論就是針對(duì)這種情況。
電源的可靠性通常可以用MTBF(平均故障間隔時(shí)間，或平均故障間隔時(shí)間，以小時(shí)表示)來表示，還有一個(gè)更容易理解的指標(biāo)AFR(年故障率)。AFR與MTBF成反比關(guān)系，即AFR=8760/MTBF。因此，MTBF越長，年故障率越低。
對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng)，還有另一個(gè)可用性指數(shù)，定義為A=MTBF/(MTBF MTTR)，其中A是百分比指數(shù)，MTTR是修復(fù)故障的平均時(shí)間。如果系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)能夠非常快速地恢復(fù)，那么系統(tǒng)的可用性指數(shù)會(huì)更高。對(duì)于電網(wǎng)這樣的對(duì)象，利用可用性指數(shù)可以更直觀地衡量其可靠性。然而，對(duì)于關(guān)鍵場合經(jīng)常使用的并聯(lián)冗余配置，可用性指標(biāo)比可靠性指標(biāo)更實(shí)用。
可靠性/可用性指標(biāo)都是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的概念，電力系統(tǒng)的可靠性/可用性和構(gòu)成系統(tǒng)的每個(gè)模塊的可靠性/可用性之間也存在統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。
假設(shè)電源系統(tǒng)中有兩個(gè)電源模塊，由并聯(lián)，操作，其中一個(gè)單獨(dú)于另一個(gè)，如下圖所示。
然后，如果我們檢查結(jié)合這兩個(gè)模塊的系統(tǒng)的可用性Asys與每個(gè)模塊的可用性A1和A2之間的關(guān)系，則存在Asys=1 (1AFR 1)(1AFR 2)。另一種可能是系統(tǒng)中的兩個(gè)模塊串聯(lián)，如下圖所示。
那么在這兩個(gè)模塊的組合系統(tǒng)的可用性Asys和每個(gè)模塊各自的可靠性A1和A2之間存在關(guān)系。
Asys=A1A2因?yàn)榭捎眯员仨毥橛?和1之間，所以兩個(gè)并聯(lián)模塊的總體可用性高于它們各自的可用性，而兩個(gè)系列模塊的可用性低于它們各自的可用性。
不間斷電源的可靠性
從單個(gè)UPS的設(shè)計(jì)來看，整個(gè)產(chǎn)品可以分為多個(gè)模塊。下圖是典型的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
從圖中可以看出，不間斷電源各模塊之間的依賴關(guān)系是復(fù)雜的，但并聯(lián)之間的關(guān)系仍然可以劃分如下：
輔助電源與所有其他模塊串聯(lián)，因此輔助電源的可用性直接限制了系統(tǒng)能夠達(dá)到的更高可用性水平；
控制模塊與輔助電源以外的其他模塊串聯(lián)，因此控制模塊的可用性將直接影響系統(tǒng)的整體可用性設(shè)計(jì)。
對(duì)于負(fù)載側(cè)，只有旁路模塊和逆變器模塊可以直接連接，這兩個(gè)模塊來自并聯(lián)
PFC/整流器模塊和電池升壓模塊為并聯(lián)，然后與逆變器模塊串聯(lián)；
從能源提供商的角度來看，旁路電源和商用電源是兩個(gè)單獨(dú)的電源，電池能量由商用電源通過充電模塊提供。如果充電模塊出現(xiàn)故障，電池將沒有儲(chǔ)能，實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)正常的UPS功能，所以市電-充電模塊-電池也是串聯(lián)的。這樣就可以畫出整個(gè)UPS系統(tǒng)可用性串的并聯(lián)路徑圖。
從這個(gè)路徑關(guān)系中，我們可以看到并聯(lián)，總共有三條路徑，每條路徑都由幾個(gè)模塊串聯(lián)起來。就像前面的分析一樣，輔助電源和控制模塊的可用性在所有路徑上都是串聯(lián)的，所以如果兩者的設(shè)計(jì)都有缺陷，那么UPS的可用性不可能很高。電池回路串聯(lián)模塊數(shù)量更多，也是可用性更低的路徑。
要提高系統(tǒng)的可用性，首先要提高關(guān)鍵路徑的可用性。從路線圖可以看出是控制模塊和輔助電源。輔助電源是整個(gè)不間斷電源的關(guān)鍵。如果輔助電源不工作，整個(gè)UPS就會(huì)癱瘓。提高輔助電源可用性的方法有很多：一是提高設(shè)計(jì)和MTBF；一是將并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)應(yīng)用于輔助電源，以提高可用性；另一種是對(duì)UPS的三種可用路徑使用不同的輔助電源，相當(dāng)于將原來完全串聯(lián)的路徑改為并聯(lián)，這些方法可以在UPS設(shè)計(jì)中混合使用。由于以上三個(gè)可用性通道均來自并聯(lián)，而旁路通道本身是可用性更高的一個(gè)，所以更推薦的設(shè)計(jì)是優(yōu)先提高旁路，的可用性，單獨(dú)為旁路使用一套輔助電源，并且盡量使用簡單的設(shè)計(jì)讓這個(gè)電源具有高M(jìn)TBF。
控制模塊也是影響所有路徑的關(guān)鍵點(diǎn)，必須具備高可用性。參考輔助電源的處理方法，相對(duì)單獨(dú)的旁路路徑也可以配備單獨(dú)的控制模塊，配合其他控制功能，可以達(dá)到高可用性。同樣，旁路上的控制模塊應(yīng)該盡可能簡單，以提高可靠性。推薦的方法是，旁路控制模塊不斷檢查不間斷電源主控制模塊的狀態(tài)，如果找到主控制模塊，它將自動(dòng)切換到旁路模式。此外，對(duì)于主控模塊，還可以通過冗余提高可用性，比如采用雙MCU結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)MCU檢測到另一個(gè)MCU出現(xiàn)故障時(shí)，可以接管另一個(gè)MCU的功能，或者采取旁路等應(yīng)急措施，保證負(fù)載不間斷。對(duì)于UPS來說，電池是保證UPS在市電或旁路停電時(shí)能夠繼續(xù)維持供電的關(guān)鍵，但串聯(lián)環(huán)節(jié)更多，這恰恰是可用性更弱的環(huán)節(jié)。一般電池規(guī)格會(huì)注明充電電流不要超過0.15CC，也就是說UPS完全放電后電池需要多次充電。從這個(gè)意義上說，它的可用性一般在20%以下。但由于電池不連續(xù)工作，只要完前市電源放電后電池恢復(fù)，再充電時(shí)不停電，就不會(huì)影響負(fù)載。從這個(gè)角度來看，即使只有短暫的停電，電池的可用性仍然很高。
重新檢查電池電路的可靠性，電池和電源之間有充電器模塊連接。如果充電器損壞，電池一次放電后無法充電，導(dǎo)致下次市電停電。但充電器只在電池需要充電時(shí)才工作，因此如果能及時(shí)監(jiān)測充電器的狀態(tài)，并在充電器出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，就可以避免充電器故障帶來的問題，從而提高整個(gè)UPS的可用性。電池也是如此。電池在多次使用后也會(huì)面臨容量下降和失效的問題。但如果通過電池狀態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)電池故障并及時(shí)更換，也能有效提高UPS的可用性。
不間斷電源系統(tǒng)的可靠性
因?yàn)閁PS不是一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用系統(tǒng)，需要結(jié)合其他環(huán)境因素，所以這些外部因素也必須考慮在內(nèi)。如前所述，UPS電池的待機(jī)時(shí)間是有限的。如果斷電時(shí)間比較長，導(dǎo)致電池完全放電，負(fù)載仍然會(huì)斷電。因此，不間斷電源的可用性會(huì)受到市電長期斷電概率的影響。
為了解決這個(gè)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)不需要快速響應(yīng)，但在長期停電的情況下可以持續(xù)供電，燃油發(fā)電機(jī)組是更適合的選擇。因此，可以在不間斷電源系統(tǒng)配置中增加一個(gè)自動(dòng)切換裝置，以便在市電故障后切換到發(fā)電機(jī)組。這樣可以明顯提高UPS系統(tǒng)在長期停電情況下的可用性。那么不間斷電源系統(tǒng)的可用路徑就變成了
雖然在可用性路徑中串聯(lián)了一個(gè)用于在市電和發(fā)電機(jī)之間切換的附加ATS，這增加了單調(diào)路徑中的故障概率，但對(duì)于相對(duì)長期的電源故障所導(dǎo)致的可用性問題來說，這是值得的。
不間斷電源應(yīng)用的另一個(gè)分支是正在興起的DC不間斷電源系統(tǒng)。DC系統(tǒng)的思路是以提率為目的，減少供電系統(tǒng)中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，配電部分由交流轉(zhuǎn)換為DC。一個(gè)理想的DC 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)如下圖所示。為了比較，下圖顯示了相應(yīng)的交流應(yīng)用結(jié)構(gòu)。
可以看出，理想的DC UPS系統(tǒng)可以通過將交流系統(tǒng)中UPS的逆變器鏈路替換為服務(wù)器電源中的PFC鏈路，再替換為隔離的DC/DC鏈路，從而提高其效率。但是在DC UPS系統(tǒng)中，由于電池電壓的范圍比較大，為了獲得更優(yōu)化的效率曲線，后期在服務(wù)器電源中也可以采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。即通過簡單的轉(zhuǎn)換，縮小服務(wù)器電源隔離DC/DC轉(zhuǎn)換級(jí)的輸入范圍，獲得更好的節(jié)能效果。此時(shí)的結(jié)構(gòu)如下所示。
在這個(gè)DC不間斷電源系統(tǒng)中，交流不間斷電源中沒有旁路電路，只有一個(gè)到電池回路，的主電源，這個(gè)電路也用作充電器。因此，考慮到單臺(tái)UPS的可用性和可靠性，DC UPS可靠性環(huán)節(jié)只有兩個(gè)，一個(gè)是兩級(jí)轉(zhuǎn)換加輔助電源和控制板，另一個(gè)是電池，如下圖所示。
與交流不間斷電源相比，DC不間斷電源缺少交流不間斷電源的旁路電路和提高可用性的電路。但電池直接給負(fù)載供電，其可用性高于交流UPS。因此，就可用性而言，DC供電系統(tǒng)有利有弊。然而，另一方面，DC系統(tǒng)比交流不間斷電源更容易并聯(lián)，因此它可以通過增加并聯(lián)單元的數(shù)量來增加可用性。
配電系統(tǒng)的可用性
對(duì)于一般的UPS系統(tǒng)應(yīng)用，常見的配置模式有兩種，一種是雙機(jī)熱備份，如下圖所示。
正常情況下，電源由UPS1提供。如果UPS1的逆變器/整流器部分損壞，仍有UPS2供電。第二種配置模式是雙并聯(lián)冗余，如下圖所示。
在這種配置下，兩個(gè)UPS完全是并聯(lián)-operated.的基于之前的可用性原則，第二種配置方式比另一種配置方式具有更高的可用性。
這反映了可用性和可靠性之間的明顯差異。對(duì)于兩個(gè)冗余并聯(lián)配置的UPS，由于組件數(shù)量翻倍，故障概率會(huì)增加，因此整個(gè)系統(tǒng)的MTBF會(huì)統(tǒng)計(jì)性下降。但由于其中一臺(tái)發(fā)生故障后仍在工作，只要故障UPS能夠快速修復(fù)，負(fù)載仍處于有效保護(hù)之下，可用性提高。從負(fù)載的角度來看，評(píng)估系統(tǒng)的可用性比可靠性更有意義。
在可用性的定義中，電力系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間越短，可用性越好。因此，將電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊化且易于更換的結(jié)構(gòu)可以明顯減少維護(hù)時(shí)間，從而顯著提高可用性。
對(duì)于機(jī)房的應(yīng)用，雙總線的概念被普偏使用。對(duì)于關(guān)鍵的服務(wù)器負(fù)載，通常提供兩組電源輸入。因此，兩組單獨(dú)的電源總線也可以相應(yīng)地用于配電部分。結(jié)合UPS本身，支持雙總線輸入，其實(shí)可以構(gòu)造很多組合。對(duì)比不同方式后，對(duì)比推薦的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。這里兩套單獨(dú)市電供電兩套UPS系統(tǒng)，然后每套UPS系統(tǒng)作為一條總線，可以充分發(fā)揮UPS 雙總線，內(nèi)部雙總線和負(fù)載雙總線市電高可用的優(yōu)勢
結(jié)論
本文對(duì)UPS電源的內(nèi)部設(shè)計(jì)、不間斷電源系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的可用性進(jìn)行了分析，并給出了提高不間斷電源供電系統(tǒng)可用性的思路。通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用單獨(dú)旁路和市電的電源，增加多CPU監(jiān)控和電池監(jiān)控，可以明顯提高UPS的可用性。另一方面，在系統(tǒng)層面，選擇模塊化結(jié)構(gòu)，縮短維護(hù)和更換時(shí)間，使用更多的并行結(jié)構(gòu)，也可以顯著提高可用性。
