淺析模塊化UPS的高可靠性

劉克雷，舒 州

（華為技術有限公司，廣東 深圳518129）

0 引 言

模塊化UPS概念從20世紀90年代后期開始推出，其產品特性符合用戶對供電系統可靠性、可用性、可維護性、可擴展性的需求。同時各種應用技術的成熟，促使國內外傳統UPS廠商紛紛推出了各種模塊化UPS產品。目前模塊化UPS的主流廠家有華為、APC、艾默生、伊頓、能威、伽瑪創力等。

隨著數據中心云計算、虛擬技術的廣泛運用，能源成本持續增加，以及用戶對數據中心可用性、易維護、靈活性、節能性要求的需求越來越高，模塊化UPS正逐漸成為用戶需求的主流。

1 模塊化UPS的定義

模塊具有以下屬性：a.機械上具有獨立的框架結構；b.具有完整獨立的功能；c.模塊之間應能協同工作。

模塊化不間斷電源系統由輸入配電部分、輸出配電部分、功率模塊、監控模塊等組成。其中：

（1）功率模塊：包括括整流、逆變、充電（可選）、功率因數校正和相關控制電路，功率模塊是UPS系統的主要模塊，UPS系統正常工作模式下具有熱插拔和并聯冗余工作功能。

（2）監控模塊：其負責實時監視UPS系統工作狀態、采集和存儲UPS系統運行參數，故障記錄存儲和故障診斷，應具有熱插拔功能。

2 模塊化UPS架構的高可靠性保障

2.1 模塊化UPS的系統架構設計保障系統應用高可靠性

UPS行業中經常說UPS可靠性非常關鍵，其實是在講可用性。簡單的說，UPS可靠性是指UPS所有部件及功能不發生任何故障，而UPS可用性是指UPS在任何情況下都不能造成客戶端斷電，即便是UPS運行中出現了某個小問題，也不會導致問題擴大化。一句話概況就是客戶端永不斷電。在這一點上，模塊化UPS的系統架構就具備先天的優勢。

那么，模塊化UPS是如何從架構設計做到高可靠性的呢？

模塊化UPS的可通過多種冗余架構設計避免單點故障，如：a.功率模塊冗余：通過模塊化冗余并聯達到功率冗余；b.集中控制器冗余：系統除功率模塊和旁路模塊有控制器控制各自模塊工作外，系統集中控制器還可以做到雙備份冗余；c.通訊信號冗余：重要通訊信號通過雙設計做到雙備份冗余。

筆者利用可靠性Markov模型對模塊化UPS推導分析，得到UPS系統的平均無故障時間、平均維修時間、宕機時間和可用度的可靠性指標。通過對比數據可知，模塊化UPS的平均無故障時間略高于傳統塔式機，模塊化UPS平均維修時間明顯短于傳統塔式機，模塊化系統宕機時間明顯短于傳統塔式UPS，模塊化UPS總體可用度要比塔式UPS可用性高。

模塊化UPS可靠性模型如圖1。傳統塔式UPS可靠性模型如圖2。

圖1 模塊化UPS可靠性分析原理圖

圖2 傳統塔式UPS可靠性分析原理圖

以200 kVA系統容量的模塊化UPS和塔式機對比，模塊化UPS配置5個功率模塊。對研究模型做如下假設：

（1）各模塊之間失效和修復相互獨立；

（2）各模塊有恒定的失效率和修復率，不同模塊依串聯、并聯、邏輯關系構成高一級模塊的等效失效率和等效修復率也假設恒定；

（3）各模塊的失效率?修復率；

（4）AC／DC和DC／AC采用S中取T 的配置，即S個AC／DC和DC／AC模塊中至少有T個工作才滿足對負載供電的要求，否則定義為供電失敗（可根據實際情況選擇相應的S值和T值）；

（5）修復時間含響應時間和實際修理／換件時間；

f.AC INPUT、CHARGER、BPU、AC／DC、BATTERY、DC／AC、SYS、ECU、OUTPUT 分別編號為1、2、3、4、5、6、7、8、9，其對應的失效率和修復率分別記為λi和μi。

根據如下公式進行推算：

公式3：R（t）＝e－λt＝e－t／MTBF，式中，R（t）為可靠性函數，λ為產品失效率；

推算出可靠性相關數據見表1。

表1 模塊化UPS與傳統塔式UPS可靠性相關數據

2.2 模塊化UPS的故障隔離設計保障系統應用高可靠性

傳統塔式UPS電源系統并聯運行，并機環流和同步問題是衡量并聯系統安全的最重要指標。傳統并聯模式并機數量越多，環流和同步問題越難控制，所以傳統UPS電源并聯數量越多，可靠性降低越多。這些問題是由于單機UPS的控制器能力和電路決定的。傳統的模擬控制，控制電路會隨著溫度和時間的變化發生漂移；傳統的數字控制，CPU的處理能力不夠，不能實施準確的檢測系統故障狀態。

隨著控制芯片技術的發展，及新技術在模塊化UPS上的應用，使得模塊化UPS各個模塊可以實時監測和上報模塊內的狀態指標。如圖3所示，模塊化UPS功率模塊內均有獨立DSP控制電路（如整流DSP，整流CPLD，逆變DSP，逆變CPLD）、檢測電路和驅動電路。系統上電初始，每個模塊的DSP會逐一監測整流器、逆變器、充電器等各子功能器件的開路、短路狀態，進行模塊健康度檢查。如有異常，系統將告警并隔離異常模塊。系統運行中各模塊控制器亦實時檢測功率模塊內的狀態指標，并上報集中控制器，由集中控制器實時協調系統各模塊間的工作。模塊化UPS系統的監測和控制力均大大高于傳統塔式UPS。

圖3 高性能DSP快速識別系統異常

每個功率模塊的輸入端和輸出端配置了保險絲，逆變輸出端配備了繼電器，這些措施都可用保證異常情況下，故障模塊與系統安全脫離，避免故障擴大化。即便一個功率模塊故障，其它功率模塊還可以正常運行，不影響客戶輸出端。傳統塔式UPS最多只能做到單機故障隔離，一旦內部有功率器件短路，輸出端就會斷電，對客戶端影響巨大。

2.3 模塊化UPS的固有特點保障系統應用高可靠性

2.3.1 模塊化UPS易維護

模塊化UPS固有熱拔插功能及特點，可以在不中斷客戶端供電，以及確保維護人員人身安全的前提下更換模塊。這樣的維護將變得簡單、方便，維護成本低，見圖4。

圖4 模塊化UPS易維護，而傳統塔式機維護困難

模塊化對于人類學習最突出的貢獻莫過于降低操作專業化門檻，減少人為錯誤。減少人為錯誤體現了系統的一個最大的收益 ——提高可用性。

2.3.2 模塊化UPS易擴容

模塊化UPS固有易擴容的特點。傳統UPS通常在部署時是一次性部署到位，由于系統不僅要滿足當前的需求，還要為未來的發展預留空間，初期投入大于實際使用，浪費嚴重。而模塊化UPS支持邊使用邊擴容，大大降低了初期投資成本，擴容時即無需斷電，又不需要廠家專業人員參與，就可以實現擴容。UPS易擴容的特點保證了客戶端使用的可靠性。

2.3.3 模塊化UPS智能休眠功能

模塊化UPS固有的模塊化特點使得模塊化UPS相對于傳統塔式UPS具有功率模塊智能休眠功能（圖5）。此功能可以在UPS負載率較低的情況下交替休眠少部分功率模塊（可以設置），在保證客戶端不斷電的前提下，減少設備使用率，減少故障發生概率。此時UPS也提升了低負載率下的系統效率，為客戶節約用電成本。

圖5 模塊化UPS通過功率模塊休眠，降低故障率，提升系統效率

3 總 結

現階段模塊化UPS的可靠性已經超過了傳統塔式UPS的可靠性。早期模塊化UPS故障率高于塔式機的印象已經發生逆轉。隨著技術的發展，模塊化UPS的可靠性必將越來越高。

隨著800 kVA大功率模塊化UPS的問世，傳統塔式UPS將逐步被模塊化UPS替代而退出市場，如同現在的開關電源都是模塊化一樣。

隨著數據中心云計算、虛擬技術的廣泛運用，能源成本持續增加，以及用戶對數據中心可用性、易維護、靈活性、節能性要求的需求越來越高，唯有模塊化UPS才能更好更全面地滿足用戶的不間斷交流供電需求。