UPS系統的可用性進行內部設計分析

本文從UPS電源系統的可用性概念出發，對UPS內部的設計，UPS系統的配置以及相關配電結構進行分析，給出了UPS系統提升可用性的方法。

前言

UPS電源是工業領域用來對負載進行斷電保護的關鍵設備。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，負載設備會進行數據存儲等動作以防數據丟失，之后負載就會關機。在UPS達到后備時間之后負載仍然會斷電，但這不會導致經濟損失。另外一種是在數據中心，以及工業應用之類的場合，對UPS的要求就是真正的不斷電，UPS系統必須提供整年每天24小時的連續供電。本文對可靠性與可用性的討論就是針對這種情況。

電源系統的可靠性通?？梢允褂肕TBF（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。如果系統出現故障時可以非?？焖俚幕謴?，那么系統的可用性指標就比較高。對于電網這類對象來說，使用可用性指標可以更加直觀的衡量其可靠程度。而對于在關鍵場合經常使用并聯冗余配置來說，可用性指標比可靠性指標更具有現實意義。

可靠性/可用性指標都是統計意義上的概念，一個電源系統的可靠性/可用性與構成系統的各個模塊的可靠性/可用性之間也存在統計意義上的關聯。

假設電源系統中存在兩個電源模塊，而這兩個模塊是并聯工作的，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的可用性Asys與每個模塊各自的可用性A1與A2的關系就有

Asys = 1 – （1 – AFR1）×（1 – AFR2）

另外一種可能是系統中這兩個模塊是串聯的，見下面圖中所示

那么這兩個模塊組合起來的系統的可用性Asys與每個模塊各自的可靠性A1，A2的關系就有

Asys = A1×A2

由于可用性肯定是處于0～1之間的數值，因此兩個并聯模塊的總體可用性要高于各自的可用性，而兩個串聯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，可以把整個產品按照模塊進行劃分，下面圖中是一個典型的UPS系統結構圖

從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關系比較復雜，但是還是可以分出串并聯的關系如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯的，因此輔助電源的可用性直接限制了系統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的，因此控制模塊的可用性也會直接影響到系統總體可用性設計；

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的；

PFC/整流模塊與電池升壓模塊是并聯的，之后再與逆變模塊串聯；

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，實際上也無法實現正常的UPS功能，因此市電—充電模塊—電池也是串聯的。這樣可以畫出整個UPS系統的可用性串并聯路徑圖

從這一路徑關系里可以看到，總共存在3條并聯的路徑，而每一條路徑各自又是由數個模塊串聯起來的。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。電池回路串聯有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。