UPS電源系統(tǒng)的可用性設計

前言

UPS電源是工業(yè)領域用來對負載進行斷電保護的關(guān)鍵設備。對于斷電保護，針對不同的負載應用，又有兩種類型。一種是普通的電腦類設備，當斷電發(fā)生時，UPS電源需要為負載提供幾分鐘到十幾分鐘的后備供電時間。在這段后備時間之內(nèi)，負載設備會進行數(shù)據(jù)存儲等動作以防數(shù)據(jù)丟失，之后負載就會關(guān)機。在UPS達到后備時間之后負載仍然會斷電，但這不會導致經(jīng)濟損失。另外一種是在數(shù)據(jù)中心，以及工業(yè)應用之類的場合，對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小時的連續(xù)供電。本文對可靠性與可用性的討論就是針對這種情況。

電源系統(tǒng)的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障間隔時間，或者平均無故障工作時間，以小時表示）來表示，此外還有一個更加容易理解的指標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，則年失效率越低。

對于可維修的系統(tǒng)來說，還有一個可用性的指標，其定義是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

其中A是一個百分比指標，MTTR值得是平均故障修復時間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以非常快速的恢復，那么系統(tǒng)的可用性指標就比較高。對于電網(wǎng)這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關(guān)鍵場合經(jīng)常使用并聯(lián)冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現(xiàn)實意義。

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

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

那么考察這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可用性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)中這兩個模塊是串聯(lián)的，見下面圖中所示

那么這兩個模塊組合起來的系統(tǒng)的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性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，因此兩個并聯(lián)模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯(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UPS的設計來說，可以把整個產(chǎn)品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關(guān)系比較復雜，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)能夠達到的最高可用性等級；

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直接影響到系統(tǒng)總體可用性設計；

對于負載端來說，能夠直接相連的只有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是并聯(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)；

從能源提供者來講，這里旁路電源與市電電源是兩路獨立的電源，而電池能源是由市電經(jīng)過充電模塊提供的。如果充電模塊故障的話電池就沒有能量存儲，實際上也無法實現(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)個模塊串聯(lián)起來的。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，因此如果這兩者設計有缺陷的話UPS的可用性是無法做的很高的。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UPS的關(guān)鍵點，如果輔助電源不工作整個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：一種是改進設計，提升MTBF；一種是對輔助電源也適用并聯(lián)冗余設計，提升可用性；再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源，相當于把原來完全串聯(lián)的路徑改成并聯(lián)。在UPS設計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，因此最為推薦的設計就是優(yōu)先提升旁路的可用性，對旁路單獨使用一套輔助電源供電，并且這套電源的盡量采用簡單的設計，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，也必須擁有高的可用性。參照輔助電源的處理方法，也可以給相對獨立的旁路路徑配備單獨的控制模塊，并且通過與其余控制功能協(xié)調(diào)工作來達到高可用性的目的。同樣，旁路上的控制模塊也要盡量簡單，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UPS主控制模塊的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)主控制模塊，則自動切換到旁路方式。此外，對于主控制模塊來說也可以通過冗余的方式來提升可用性，比如采用雙MCU結(jié)構(gòu)，當一個MCU檢測到另外一個MCU發(fā)生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉(zhuǎn)旁路來保證負載不斷電。

對于UPS來說，電池是保證UPS能夠在市電或者旁路斷電發(fā)生時繼續(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)格書里面會說明充電電流不要超過0.15CC，這就意味著電池在UPS滿載放電放完之后要用數(shù)倍的時間才能重新充滿，從這個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，在重新充電的過程中也沒有再發(fā)生斷電，那么負載仍然不會受到影響。從這方面來看，電池的可用性在只會發(fā)生短時間的斷電情況下還是很高的。

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

UPS系統(tǒng)的可靠性

由于UPS并非一個單獨的應用系統(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來的。前面提到過，UPS電池的備電時間是有限的，如果斷電時間比較長，導致電池電放完，那么負載就仍然會斷電。因此UPS可用性會受到市電發(fā)生長時間斷電概率的影響。

為了解決這一瓶頸，可以在UPS系統(tǒng)中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應，但是在長時間停電條件下能夠持續(xù)提供電力，燃油發(fā)電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS系統(tǒng)配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電后切換到發(fā)電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下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)了一個市電與發(fā)電機切換用的ATS，增加了單調(diào)路徑發(fā)生故障的概率，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。