浅析模块化UPS的高可靠性

2014-05-10刘克雷

通信电源技术 2014年1期

刘克雷，舒州

（华为技术有限公司，广东深圳518129）

0 引言

模块化UPS概念从20世纪90年代后期开始推出，其产品特性符合用户对供电系统可靠性、可用性、可维护性、可扩展性的需求。同时各种应用技术的成熟，促使国内外传统UPS厂商纷纷推出了各种模块化UPS产品。目前模块化UPS的主流厂家有华为、APC、艾默生、伊顿、能威、伽玛创力等。

随着数据中心云计算、虚拟技术的广泛运用，能源成本持续增加，以及用户对数据中心可用性、易维护、灵活性、节能性要求的需求越来越高，模块化UPS正逐渐成为用户需求的主流。

1 模块化UPS的定义

模块具有以下属性：a.机械上具有独立的框架结构；b.具有完整独立的功能；c.模块之间应能协同工作。

模块化不间断电源系统由输入配电部分、输出配电部分、功率模块、监控模块等组成。其中：

（1）功率模块：包括括整流、逆变、充电（可选）、功率因数校正和相关控制电路，功率模块是UPS系统的主要模块，UPS系统正常工作模式下具有热插拔和并联冗余工作功能。

（2）监控模块：其负责实时监视UPS系统工作状态、采集和存储UPS系统运行参数，故障记录存储和故障诊断，应具有热插拔功能。

2 模块化UPS架构的高可靠性保障

2.1 模块化UPS的系统架构设计保障系统应用高可靠性

UPS行业中经常说UPS可靠性非常关键，其实是在讲可用性。简单的说，UPS可靠性是指UPS所有部件及功能不发生任何故障，而UPS可用性是指UPS在任何情况下都不能造成客户端断电，即便是UPS运行中出现了某个小问题，也不会导致问题扩大化。一句话概况就是客户端永不断电。在这一点上，模块化UPS的系统架构就具备先天的优势。

那么，模块化UPS是如何从架构设计做到高可靠性的呢？

模块化UPS的可通过多种冗余架构设计避免单点故障，如：a.功率模块冗余：通过模块化冗余并联达到功率冗余；b.集中控制器冗余：系统除功率模块和旁路模块有控制器控制各自模块工作外，系统集中控制器还可以做到双备份冗余；c.通讯信号冗余：重要通讯信号通过双设计做到双备份冗余。

笔者利用可靠性Markov模型对模块化UPS推导分析，得到UPS系统的平均无故障时间、平均维修时间、宕机时间和可用度的可靠性指标。通过对比数据可知，模块化UPS的平均无故障时间略高于传统塔式机，模块化UPS平均维修时间明显短于传统塔式机，模块化系统宕机时间明显短于传统塔式UPS，模块化UPS总体可用度要比塔式UPS可用性高。

模块化UPS可靠性模型如图1。传统塔式UPS可靠性模型如图2。

图1 模块化UPS可靠性分析原理图

图2 传统塔式UPS可靠性分析原理图

以200 kVA系统容量的模块化UPS和塔式机对比，模块化UPS配置5个功率模块。对研究模型做如下假设：

（1）各模块之间失效和修复相互独立；

（2）各模块有恒定的失效率和修复率，不同模块依串联、并联、逻辑关系构成高一级模块的等效失效率和等效修复率也假设恒定；

（3）各模块的失效率≪修复率；

（4）AC／DC和DC／AC采用S中取T 的配置，即S个AC／DC和DC／AC模块中至少有T个工作才满足对负载供电的要求，否则定义为供电失败（可根据实际情况选择相应的S值和T值）；

（5）修复时间含响应时间和实际修理／换件时间；

f.AC INPUT、CHARGER、BPU、AC／DC、BATTERY、DC／AC、SYS、ECU、OUTPUT 分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9，其对应的失效率和修复率分别记为λi和μi。

根据如下公式进行推算：

公式3：R（t）＝e－λt＝e－t／MTBF，式中，R（t）为可靠性函数，λ为产品失效率；

推算出可靠性相关数据见表1。

表1 模块化UPS与传统塔式UPS可靠性相关数据

2.2 模块化UPS的故障隔离设计保障系统应用高可靠性

传统塔式UPS电源系统并联运行，并机环流和同步问题是衡量并联系统安全的最重要指标。传统并联模式并机数量越多，环流和同步问题越难控制，所以传统UPS电源并联数量越多，可靠性降低越多。这些问题是由于单机UPS的控制器能力和电路决定的。传统的模拟控制，控制电路会随着温度和时间的变化发生漂移；传统的数字控制，CPU的处理能力不够，不能实施准确的检测系统故障状态。

随着控制芯片技术的发展，及新技术在模块化UPS上的应用，使得模块化UPS各个模块可以实时监测和上报模块内的状态指标。如图3所示，模块化UPS功率模块内均有独立DSP控制电路（如整流DSP，整流CPLD，逆变DSP，逆变CPLD）、检测电路和驱动电路。系统上电初始，每个模块的DSP会逐一监测整流器、逆变器、充电器等各子功能器件的开路、短路状态，进行模块健康度检查。如有异常，系统将告警并隔离异常模块。系统运行中各模块控制器亦实时检测功率模块内的状态指标，并上报集中控制器，由集中控制器实时协调系统各模块间的工作。模块化UPS系统的监测和控制力均大大高于传统塔式UPS。

图3 高性能DSP快速识别系统异常

每个功率模块的输入端和输出端配置了保险丝，逆变输出端配备了继电器，这些措施都可用保证异常情况下，故障模块与系统安全脱离，避免故障扩大化。即便一个功率模块故障，其它功率模块还可以正常运行，不影响客户输出端。传统塔式UPS最多只能做到单机故障隔离，一旦内部有功率器件短路，输出端就会断电，对客户端影响巨大。

2.3 模块化UPS的固有特点保障系统应用高可靠性

2.3.1 模块化UPS易维护

模块化UPS固有热拔插功能及特点，可以在不中断客户端供电，以及确保维护人员人身安全的前提下更换模块。这样的维护将变得简单、方便，维护成本低，见图4。

图4 模块化UPS易维护，而传统塔式机维护困难

模块化对于人类学习最突出的贡献莫过于降低操作专业化门槛，减少人为错误。减少人为错误体现了系统的一个最大的收益 ——提高可用性。

2.3.2 模块化UPS易扩容

模块化UPS固有易扩容的特点。传统UPS通常在部署时是一次性部署到位，由于系统不仅要满足当前的需求，还要为未来的发展预留空间，初期投入大于实际使用，浪费严重。而模块化UPS支持边使用边扩容，大大降低了初期投资成本，扩容时即无需断电，又不需要厂家专业人员参与，就可以实现扩容。UPS易扩容的特点保证了客户端使用的可靠性。

2.3.3 模块化UPS智能休眠功能

模块化UPS固有的模块化特点使得模块化UPS相对于传统塔式UPS具有功率模块智能休眠功能（图5）。此功能可以在UPS负载率较低的情况下交替休眠少部分功率模块（可以设置），在保证客户端不断电的前提下，减少设备使用率，减少故障发生概率。此时UPS也提升了低负载率下的系统效率，为客户节约用电成本。