信息网络时代UPS供电系统的可靠性和可利用率

　　为说明此问题，现以UPS逆变器电源的平均无故障工作时间MTBFI为例来说明此问题：有关逆变器模块中的部份”控制元件”的失效率及其影响统计值被列于表1中。从该表可见：
　　 在UPS逆变器供电通道中、故障率最高的部件是：IBGT功率模块、IGBT管的驱动电路及微处理器/DSP芯片。在UPS逆变器电源的总失效率中、其中52.3%的故障是由IGBT管的驱动电路+ IBGT功率模块的”失效”所造成的、10.8%的故障来自微处理器/DSP芯片的失效/误动作。从这样的统计数据可见：当我们在设计和选用UPS电源时、提高UPS可靠性的最大潜力到底在何处?
　　 当位于逆变器供电通道中的微处理器、旁路接口、UPS输出检测、DC总线电压检测、直流辅助电源、三相负反馈调控电路、IGBT模块等关键部件发生故障时,它们的确会导致UPS逆变器”自动关机”、并转入交流旁路供电状态,从而造成UPS的MTBFI值的下降。然而，在逆变器供电通道中、当遇到”退耦电容”失效、DC总线电流检测、交流旁路电压检测电路等”出故障”时，虽然它有可能会导致UPS发出报警信号、但并不会导致UPS进入交流旁路供电状态。当然，也不会造成UPS产生输出”停电”的故障。
　　 从图1和2可见：位于UPS供电通道中的各部件、并非都处于”串联”工作状态。对于UPS的逆变器供电通道与交流旁路供电通道来说，由于它们是处于”并联”工作状态的。因此，只有在逆变器”自动关机”/逆变器的输出静态开关”失效”、输入电源停电/交流旁路静态开关”失效”等故障同时出现时、才有可能造成UPS输出停电。因此，UPS单机的可靠性(MTFB值)必然是高于UPS逆变器的可靠性(MTBFI值)。
表1: 逆变器供电通道中的部份”控制元件”的失效率及其影响

　　下面举例说明，目前的大型UPS的MTBF值所能达到的水平：
　　 UPS逆变器的平均无故障工作时间(MTBFI)=48,200小时;
　　 UPS单机的平均无故障工作时间(MTBF)=383,400小时(注：市电电网的MTBF是按1000小时来计算的)。
　　 “1+1”型冗余并机系统的MTBF=2,315,100小时。
　　由上式可见：
　　(a)最能反映UPS可靠性的指标应该是逆变器电源的MTBFI值，而不是带“帶交流旁路”的UPS单机的MTBF值。这是因为在UPS单机的MTBF值的计算中，即使它们的逆变器具有相同的MTBF值，也会因所采用的市电电网MTBF值和UPS的平均修复时间的不同而使得同样的一台UPS单机的实际MTBF值相差较大，从而削弱了各种UPS单机的MTBF值的”可比较性”。
　　(b) 采用”N+1”型冗余并机配置设计方案后，可以大大提高UPS供电系统的MTBF值。大量的运行实践证明：这的确是提高UPS冗余供电系统”可靠性”的行之有效的技术手段。
　　此外，大量的UPS运行实践表明：所选用的UPS单机的额定输出功率越大，它的可靠性也越高(MTFB值越大)。UPS单机的额定输出功率越大，每KVA的平均价格也越低、配电系统所用的电缆数量越少。因此，当我们在规划、设计IDC机房/电信机房时，应尽可能地选用单台大容量UPS和釆用集中供电设计方案。这是因为它具有较好的性价比的缘故。
　　#8226; 0.7--10 kVA UPS的MTBF=4--10万小时;
　　#8226; 15--40 KVA UPS的MTBF=9--22万小时;
　　#8226; 50--1000　KVA UPS的MTBF=20--40万小时。
　
2.2 PS 电源的可利用率Va

　　它表示在UPS运行中，其正常工作时间与总工作时间的比值。一套UPS 供电系统的”可利用率”Va值的大小同时受控于UPS的平均无故障工作时间(MTBF)和它的平均修复时间(MTTR)。
　　Va=MTBF/(MTBF+MTTR)
　　由上式可见: 其中的MTBF值反映的是UPS的可靠性的高低，而它的MTTR值则代表：从UPS供电系统发生故障起、直到维修人员赶到现场，将其修好，并重新将UPS投入正常运行所需的平均修复时间。显而易见, 这个MTTR值的高低不仅取决于UPS的机柜设计是否具有优良的”可维护性”。而且，还与”維修人员”的技术水平的高低及能否及时地赶到事故现场,备品、备件的供应是否充分等因素密切相关。它并不是能”毫无限制地”被缩短的。显而易见：UPS的Va值越大，其”可利用率”则越高。为了提高UPS的”可利用率”，我们釆取下述几种技术途经：
　　(a) 从改进UPS的设计及制备工艺着手来提高UPS的可靠性,以便提高UPS逆变器电源的MTBFI值和UPS单机的MTBF值。
　　(b) 从提高输入电源的供电”可靠性”入手、以降低在UPS的输入端上出现的停电”几率”的办法来消除UPS在因故转入”交流旁路供电”状态时,所可能发生的”输出停电”故障隐患。常用的技术措施有：
　　 选用高质量的市电供电电源/”双总线”冗余输入供电系统;
　　 设计具有”选择性跳闸功能”的输配电供电系统，防止在由多级断路器开关所组成的配电系统中发生”越级跳闸”或同时”跳闸”事故;
　　 在配电系统中、正确地选配”防雷击、抗浪涌”抑制器等。
　　(c) 从缩短UPS的”停机检修时间”着手來降低它的MTTR值,以便在UPS出故障后,能在尽可能短的时间内、使它重新恢复正常工作。
　　(d) 釆用”N+1”或”N+X”冗余并机系统设计的办法来提高UPS供电系统的”容错”功能。 其中，前三种技术措施被用于提高UPS单机的”可利用率”Va。后一种技术措施被用于提高UPS冗余并机系统的”可利用率”Va并机。

2.3 高UPS 电源的”可利用率”Va的技术途径

　　表2是UPS单机的可利用率(Va)同平均无故障工作时间(MTBF)和平均修理时间(MTTR)之间的关係表,从该表可見,提高UPS的Va的技术途径有：
　　 通过提高UPS的平均无故障工作时间(MTBF)来提高UPS的可利用率Va：
　　在UPS具有相同的平均修复时间(MTTR)的条件下，如果能将它的平均无故障工作时间(MTBF)提高10倍，则可将UPS单机的”可利用率”Va增加一个9。例如：在MTTR=4小时相同的条件下，当UPS单机的MTBF值从4千8小时增加到4万8千小时，它的”可利用率”可从99.9167% 提高到99.9916%。
　　 通过提高UPS的平均修复时间(MTTR)来提高UPS的可利用率Va：
　　从表2可見：通过降低UPS的平均修复时间(MTTR)值的办法，可以使原来具有较低MTBF值的UPS获得受较高的”可利用率”。例如：对于MTBF值仅为4千8小时的UPS来说,如果将能它的MTTR值从4小时缩短到15分钟的话，就可将它的”可利用率” 从99.9167% 提高到99.9948%。
表2: UPS单机的可利用率(Va1)同平均无故障工作时间MTBF和平均修理时间MTTR的关係