簡述UPS電源系統(tǒng)的可用性設(shè)計

前言

程控交換機、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)、計算機、通信基站、安防監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備在運行中要求交流供電系統(tǒng)不能停電，為了提高這些設(shè)備工作的可靠性和可維護性，很多企業(yè)都對其配備了UPS電源系統(tǒng)。UPS(即Uninterruptible Power )電源系統(tǒng)由整流器、儲能裝置、逆變器和靜態(tài)開關(guān)等幾部分組成。目前，國內(nèi)外市場上有很多種類的UPS系統(tǒng)，其主要功能與原理基本相同。

UPS主要由整流系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、變換系統(tǒng)和開關(guān)控制系統(tǒng)四個部份組成，在電力供電系統(tǒng)供電時整流系統(tǒng)就是一個將交流電(AC)轉(zhuǎn)化為直流電(DC)的裝置，經(jīng)濾波穩(wěn)壓后供給逆變器或者給儲能系統(tǒng)充電，起到充電器的作用。儲能系統(tǒng)是UPS用來儲存電能的裝置，它由若干個蓄電池串聯(lián)而成，電池容量的大小決定了其維持放電(供電)的時間。儲能系統(tǒng)的主要功能是在電力供電系統(tǒng)正常時，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存在電池內(nèi)部;在電力供電系統(tǒng)故障時，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負載。變換系統(tǒng)是一種將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯電路和濾波電路組成。

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(fù)時間。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以非?？焖俚幕謴?fù)，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(shè)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)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(shè)計，提升MTBF;一種是對輔助電源也適用并聯(lián)冗余設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)，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(dǎo)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

使用UPS電源系統(tǒng)時，不僅要定期對各主要元件進行檢查，還要對UPS電池組的各個電池單元端電壓與內(nèi)阻進行檢測。若發(fā)現(xiàn)其電池組的某個電池單元的端電壓差值>0.4 V或者內(nèi)阻>0.08Ω的時候，就應(yīng)該斷開工作異常的電池單元與電池組的連接導(dǎo)線，使用外置的獨立充電器對工作異常的電池單元進行單獨充電，將其充電電壓(對12V蓄電池而言)保持在13.5~13.8 V之間，充電時間控制在10~12h.需要注意的是，UPS電源在使用過程中，電池組內(nèi)的各個電池單元的充電會不一致，可能產(chǎn)生電池單元端電壓以及電池內(nèi)阻的不平衡。這些是無法依靠UPS電源系統(tǒng)內(nèi)部充電回路對其充電而得到消除和校正的，若不及時對不平衡電池單元進行脫機均衡充電的話，可能導(dǎo)致上述問題更加嚴重。

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(yīng)，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。[!--empirenews.page--]

在UPS應(yīng)用的另外一個分支是目前正在興起的直流UPS系統(tǒng)。直流系統(tǒng)的思路是出于提高效率的目的，減少電源系統(tǒng)中間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，電力分配部分由原來的交流轉(zhuǎn)換成直流。一個理想的直流UPS系統(tǒng)服務(wù)器應(yīng)用從市電到12V終端的應(yīng)用結(jié)構(gòu)見下圖。

可以看出，理想的直流UPS系統(tǒng)由于把交流系統(tǒng)中UPS的逆變環(huán)節(jié)與服務(wù)器電源中的PFC環(huán)節(jié)使用一個隔離型DC/DC環(huán)節(jié)來取代，從而可以改善效率。不過在直流UPS系統(tǒng)里面由于電池電壓的變動范圍是比較大的，為了取得更優(yōu)化的效率曲線，在后級的服務(wù)器電源中也有可能使用兩級結(jié)構(gòu)。也就是通過一個簡單的轉(zhuǎn)換，減小服務(wù)器電源隔離DC/DC轉(zhuǎn)換級的輸入范圍，以得到更好的節(jié)能效果。此時的結(jié)構(gòu)見下圖

在這種直流UPS體系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一個市電到電池回路，這個回路也兼有充電器的作用。因此從單個UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路只有兩條，其中一條是兩級變換加上輔助電源與控制板，另外一條是電池，見下圖所示

與交流UPS相比，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路，少了一個提升可用性的回路。但是電池是直接給負載供電的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供電系統(tǒng)有得有失。但是另一個方面直流系統(tǒng)比交流UPS更容易進行并聯(lián)，從而可以利用增加并聯(lián)臺數(shù)的方式增加可用性。

配電系統(tǒng)的可用性

對于一般的UPS系統(tǒng)應(yīng)用來說，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機熱備份，見下圖所示

這種配置方式下兩臺UPS是完全并聯(lián)工作的。基于前面可用性的原理，第二種配置方式比第一種會有更高的可用性。

這里就反映了可用性與可靠性的一個明顯不同。對于兩臺并聯(lián)冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出現(xiàn)故障的概率也會增高，因此從統(tǒng)計意義上來講整個系統(tǒng)的MTBF會下降。但是由于其中一臺出現(xiàn)故障之后仍然有一臺在工作，只要出故障的UPS能夠很快修復(fù)，負載就仍然處在有效的保護之中，可用性是提升的。從負載的角度衡量，評估系統(tǒng)的可用性比可靠性更加有意義。

在可用性的定義中，電源系統(tǒng)恢復(fù)的時間越短，則可用性也會越好。因此把電源系統(tǒng)設(shè)計為模塊化易更換的結(jié)構(gòu)，可以大大減小維護時間，從而使得可用性顯著改善。

對于機房應(yīng)用的場合，雙總線的概念應(yīng)用十分廣泛。對于關(guān)鍵的服務(wù)器負載，一般都提供兩組電源輸入。相應(yīng)的，在配電部分就也可以對應(yīng)采用兩組獨立的電源總線。結(jié)合UPS本身就支持雙總線輸入，實際上可以構(gòu)造出很多種組合形式。對不同方式進行比較后，比較推薦的一種典型的結(jié)構(gòu)見下圖所示

這里把兩組獨立市電都供給兩套UPS系統(tǒng)，然后每一套UPS系統(tǒng)作為一條總線來使用，可以充分發(fā)揮市電雙總線，UPS內(nèi)部雙總線以及負載雙總線高可用性的優(yōu)勢。

結(jié)論

本文對UPS內(nèi)部設(shè)計，UPS系統(tǒng)以及配電系統(tǒng)的可用性進行分析，給出了提升UPS電源系統(tǒng)可用性的思路。通過分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在UPS中采用旁路與市電獨立的電源，加入多CPU監(jiān)控，加入電池監(jiān)控等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方面在系統(tǒng)層次上，選擇模塊化的結(jié)構(gòu)，縮短維修更換時間，更多使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，也可以明顯提升可用性。