信息网络时代UPS供电系统的可靠性和可利用率

1 能否确保信息网络的数据安全是衡量UPS供电系统的设计是否合理的关键指标之一

　　在当今的市场经济条件下, 人们对信息网络的依赖程度是如此之高,以致于任何公司/企业如果长期游离于”网络经济”之外,它将极易在激烈的市场竞争中被淘汰. 在此背景下,越来越多的公司为获得最大化的利润，高市场占有率和增强对市场的快速响应能力。政府机构为提高管理水平及办事效率而大力推进电子政务等。所有这一切都需要利用信息网络来及时、准确地处理/交换/分享的信息资源. 众所周知: 对于当今的社会和经济生活来说, 对由”信息网络”所处理的种种信息资源的”准确度”和”时效性”的要求是加此之高. 那怕是仅”几批数据”的错误传送或仅几秒钟的”网络瘫痪”事故的发生,均会给相关的企业及其用户的正常经营/业务活动带来不应有的损失. 从某种意义上讲,信息就是办事效率/财富/金钱. 近年来, 由于”网络瘫痪”而引发的种种”商业纠纷”和”顾客投诉”等不幸事故、时有发生。例如，对于金融、证券/电信行业/工业自动化生产线等重要用户而言，那怕是出现0.5—1小时的”网络瘫痪” 的事故时，就有可能造成从几十万到几百万元的经济损失。 其中，由于”电源问题”给信息网络的安全运行所可能帶來的典型故障隐患有：
　　(a) 明显的”网络瘫痪”故障：
　　 由于长时间”供电中断”所造成的信息网络设备关机(宕机);
　　 由于在供电电源的上出现”瞬态高压浪涌”或”瞬间供电中断”故障而导致在信息网络的运行中、产生偶发性的”开机自检”误启动操作;
　　 因电源”干扰”或”零线对地线电位”过高所造成的网络设备的”死机”故障(注：对于此时的网络设备而言，它既没有出现过”硬件损坏”事故，也没有出现过”停电”事故)。
　　显而易見：在信息网络的运行中、一旦遇到上述故障之一时,都会因网络的操作系统遭到破坏而导致出现”网络瘫痪”故障。
　　(b) 隐型的”网络瘫痪” 故障：
　　因供电系统的干扰过大、”零线对线地”的电位偏高、接地系统设计/布线不合理而导致网络设备的”误码率”增高,并进而导致信息网络出现逻辑操作错、运行速率下降和数据”吞吐量”减小等弊端。由此所带来的恶果是:造成工作效率的下降/公司利润的减少。
　　由于普通的市电电源存在市电停电、过压/欠压、频率突变、高能瞬态浪涌、各种电磁干扰等电源问题，它难于确保信息网络的安全运行。正因为如此, 当今的信息网络几乎毫无例外地都选用UPS来作为IT设备的供电电源，以便为信息网络能高速、可靠、不间断地运行创造出优良的运行环境。在此条件下,有时会产生这样一种误解:只要选用UPS电源/”N+1”型UPS冗余供电系统就能确保不会发生”网络瘫痪”/数据丢失的事故. 然而,事实并非完全如此。如果由于UPS机供电系统的设备选型不当,设计方案和接地系统考虑欠妥、仍会而留下的种种”网络瘫痪”故障隐患。 为了能合理地规划、设计和配置出具有高”可利用率”的UPS供电系统，有必要充分地理解它的平均无故障工作时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR) 和可利用率(Avialability),以便尽可能地设计出具有最佳性价比的UPS供电系统。

2 何正确地理解UPS供电系统的可靠性和”可利用率”

2.1 PS单机的平均无故障工作时间(MTBF)

　　在UPS供电系统中，我们常用平均无故障工作时间(MTBF)来评价UPS电源的可靠性。它代表的物理含义是:从UPS投入运行起，直到因UPS供电系统中的某个关键器件”出故障”,并最终导致在其输出端出现”停电”故障时为止的平均工作时间。显而易见, UPS的MTBF值越大越好。其大小不仅受控于UPS中的各种元件和部件的失效率(λ),还受控于UPS设计方案和制备工艺。这就意味着：即使UPS厂家釆用的是相同的元器件。然而，由于设计方案和制造工艺的不同、也会导致不同的UPS具有不同的失效率(λ)的情况发生。
　　平均无故障工作时间(MTBF)与失效率(λ)之间的关系为:
　　　　 MTBF=1/λ
　　如图1所示，在最常用和最可靠的带”输出隔离变压器”的双变換、在线式UPS电源中、有如下3条供电通道:

　　 逆变器供电通道：由输入交流电源、整流器(电池)、逆变器、输出隔离变压器、输出静态开关/断路器开关等所组成的UPS逆变器供电通道;
　　 交流旁路供电通道：由输入交流电源和旁路”静态开关”等所组成的UPS交流旁路供电通道
　　 维修旁路供电通道：由输入交流电源和手动维修旁路开关所组成的UPS维修旁路供电通道。
　　因此，对于1台UPS单机电源来说，它有两个平均无故障工作时间(MTBF)值:
　　(a) UPS逆变器的MTBFI： 它代表当UPS被置于”不帶交流旁路”工作状态下运行时，从UPS投入正常工作时起、到因故致使UPS的逆变器进入”自动关机”，并造成UPS输出”停电”时的平均无故障工作时间。
　　从某种意义上讲、对于不允许出现”网络瘫痪”故障的关键性网络来说(例如:政府的电子政务和军事网控系统、电信企业的收费系统、石化和IC生产线、银行的交易和营业系统、交通管理和售票系统等), 是不允许它们所用的UPS进入”交流旁路(包括交流静态旁路和维修旁路)”工作状态的。这是因为：在此条件下，一旦在不输入电源出现过”瞬间供电中断”时间超过20毫秒以上的”闪断”故障时、就会造成”网络瘫痪”故障的发生。因此，对于信息网络时代的UPS而言，这个MTBFI参数是判断UPS选型是否合理的最重要的指标之一。
　　(b) UPS单机的MTBF(它意味着：此时的UPS是运行在“帶交流旁路”的工作状态下): 它表示在UPS因故进入”逆变器自动关机”状态时、并被自动切換到交流旁路工作状态后，又遇到输入电源因故出现”停电”事故或因旁路”静态开关”失效而导致UPS电源进入”输出停电”故障的平均无故障工作时间。显然，这个MTBF值大小不仅与UPS的质量高低有关，还与市电电网的”停电几率”密切相关。
　　对于那些能容忍出现”网络瘫痪”故障的用户来说, 当出现因UPS输出停电而导致出现”网络瘫痪”故障时，一般它仅会给用户带来”时间的浪费”和工作效率的下降。它既不会给用户带来巨大的经济损失、也不会造成社会生活的局部混乱(例如：供学生練习用的网络、个人浏览用的PC机平台等)。也就是说，仅对”非关键性”的信息网络用户来说、才宜于把这个UPS单机的MTBF参数、作为判断UPS的选型是否合理/产品质量高低的技术指标來使用。
　　对于UPS逆变器电源来说，它的总失效率λ逆变器应该是位于逆变器电源供电通道内所有元器件的失效率之和：
　　λ逆变器=∑λS(i)* A(i);
式中： λS(i)是：第i个元器件的失效率； A(i)是：因第i个元器件”出故障”而可能导致UPS逆变器”自动关机”，并转入”交流旁路供电状态”的几率；它意味着：并非位于逆变器供电通道中的仼何部件”出故障”都一定会导致产生”逆变器自动关机”的故障的。
　　1台UPS单机的失效率λ的数字仿真和计算分析流程图被示于图 2中。
　　如该图所示，UPS的MTBF=1/λ受控于逆变器逻辑控制PC板、整流器逻辑控制PC板、静态开关逻辑控制PC板、逆变器驅动模块、直流辅助电源、风扇等部件的失效率。在这里需说明的是：在UPS中、並非在仼何元件”发生”失效”故障时、都一定会导致UPS的故障率增大。例如：为确保位于UPS中的各种控制电路都能获得具有高”容错”功能的直流辅助电源供应，在高级UPS中、常釆用由UPS的交流输入电源及逆变器输出的交流电源所构成的多路AC/DC变換式直流电源和由蓄电池所产生DC/DC变換式直流电源所共同组成的冗余式直流辅助电源设计方案。显然，对于这种UPS来说，只有在上述AC/DC及DC/DC变換式直流电源同时”出故障”时、才会造成直流辅助电源的”消失”。因此，从计算程序上、它具有类似”与门”的逻辑关係。因此，在分析UPS的失效率时，不宜简单地釆用总失效率=各元部件的失效率的”叠加和”或失效率的”乘积”的计算办法。