UPS电源系统的可用性设计

摘要

    本文从UPS电源系统的可用性概念出发，对UPS内部的设计，UPS系统的配置以及相关配电结构进行分析，给出了UPS系统提升可用性的方法。

    前言

    UPS电源是工业领域用来对负载进行断电保护的关键设备。对于断电保护，针对不同的负载应用，又有两种类型。一种是普通的电脑类设备，当断电发生时，UPS电源需要为负载提供几分钟到十几分钟的后备供电时间。在这段后备时间之内，负载设备会进行数据存储等动作以防数据丢失，之后负载就会关机。在UPS达到后备时间之后负载仍然会断电，但这不会导致经济损失。另外一种是在数据中心，以及工业应用之类的场合，对UPS的要求就是真正的不断电，UPS系统必须提供整年每天24小时的连续供电。本文对可靠性与可用性的讨论就是针对这种情况。

    电源系统的可靠性通常可以使用MTBF（平均故障间隔时间，或者平均无故障工作时间，以小时表示）来表示，此外还有一个更加容易理解的指标AFR（年失效率）。AFR和MTBF成反比关系，也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越长，则年失效率越低。

    对于可维修的系统来说，还有一个可用性的指标，其定义是

A = MTBF / (MTBF + MTTR)

    其中A是一个百分比指标，MTTR值得是平均故障修复时间。如果系统出现故障时可以非常快速的恢复，那么系统的可用性指标就比较高。对于电网这类对象来说，使用可用性指标可以更加直观的衡量其可靠程度。而对于在关键场合经常使用并联冗余配置来说，可用性指标比可靠性指标更具有现实意义。

    可靠性/可用性指标都是统计意义上的概念，一个电源系统的可靠性/可用性与构成系统的各个模块的可靠性/可用性之间也存在统计意义上的关联。

    假设电源系统中存在两个电源模块，而这两个模块是并联工作的，其中一个和另外一个是互相独立的，见下面图中所示

    那么考察这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可用性A1与A2的关系就有

Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)

    另外一种可能是系统中这两个模块是串联的，见下面图中所示

    那么这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可靠性A1，A2的关系就有

Asys = A1×A2

    由于可用性肯定是处于0～1之间的数值，因此两个并联模块的总体可用性要高于各自的可用性，而两个串联模块的可用性要低于各自的可用性。

    UPS电源的可靠性

    从单个UPS的设计来说，可以把整个产品按照模块进行划分，下面图中是一个典型的UPS系统结构图

    从图中可以看到，UPS各个模块之间的依赖关系比较复杂，但是还是可以分出串并联的关系如下

    辅助电源与所有其他模块都是串联的，因此辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的最高可用性等级；

    控制模块与除辅助电源之外的其他模块也都是串联的，因此控制模块的可用性也会直接影响到系统总体可用性设计；

    对于负载端来说，能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块，而这两个模块是并联的；

    PFC/整流模块与电池升压模块是并联的，之后再与逆变模块串联；

    从能源提供者来讲，这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源，而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储，实际上也无法实现正常的UPS功能，因此市电—充电模块—电池也是串联的。这样可以画出整个UPS系统的可用性串并联路径图

    从这一路径关系里可以看到，总共存在3条并联的路径，而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样，辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的，因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有最多的模块数量，也是可用性最低的一条路径。

    要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点，如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案：一种是改进设计，提升MTBF；一种是对辅助电源也适用并联冗余设计，提升可