數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性分析

文｜中國(guó)電源學(xué)會(huì) 王其英

1 概述

有些用戶在規(guī)劃數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)時(shí)有幾個(gè)誤區(qū)：認(rèn)為設(shè)備越多系統(tǒng)越可靠，即花錢越多越可靠，可靠性是用錢堆起來(lái)的；認(rèn)為變壓器可以抗干擾，UPS若不帶變壓器就不可靠，認(rèn)為高頻機(jī)UPS沒變壓器，所以不可靠；并對(duì)零地電壓談虎色變，認(rèn)為零地電壓是用電設(shè)備故障的主要來(lái)源；認(rèn)為UPS是帶電容性負(fù)載的，不能帶電感性負(fù)載，甚至認(rèn)為以前的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等數(shù)字計(jì)算設(shè)備是電容性的負(fù)載。而且這些誤區(qū)至今還在不少人的腦海中根深蒂固，影響了UPS的選型，造成了損失。是不是這么回事？可以說(shuō)一般電源變壓器不抗干擾，這個(gè)問(wèn)題不用爭(zhēng)論，可以用一臺(tái)雙蹤示波器一測(cè)便知，高頻機(jī)UPS也有變壓器，是今后的電磁變壓器的替代品；至于UPS機(jī)是針對(duì)感性負(fù)載設(shè)計(jì)的，以前的計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等數(shù)字計(jì)算設(shè)備都是電感性的負(fù)載。所以UPS帶感性負(fù)載不是什么特點(diǎn)，而是它的本職工作；至于零地電壓對(duì)于用電設(shè)備來(lái)說(shuō)根本就不是干擾源，也加不到用電設(shè)備上去，何談干擾？

2 可靠性與可用性

（1）可靠性的含義與表達(dá)方式

可靠性是指機(jī)器的可靠程度，一般用小于1的可靠度表示，比如0.99、0.999等。

可靠度的表達(dá)式為：

式中T為平均無(wú)故障時(shí)間，以小時(shí)（h）計(jì)，一般用MTBF表示。所謂平均無(wú)故障時(shí)間指的是在規(guī)定機(jī)器運(yùn)行時(shí)間t內(nèi)出了n次故障，兩個(gè)故障之間的運(yùn)行時(shí)間不一樣，比如第一次運(yùn)行了T1小時(shí)，第二次運(yùn)行了T2小時(shí)，......第n次運(yùn)行了Tn小時(shí)，所以其平均無(wú)故障時(shí)間就是：

可靠度與平均無(wú)故障時(shí)間的關(guān)系就可表達(dá)為：

（2）可用性的含義與表達(dá)方式

上面的可靠性是對(duì)硬件而言，平均無(wú)故障時(shí)間指的是機(jī)器平均多長(zhǎng)時(shí)間不出問(wèn)題。一旦出現(xiàn)問(wèn)題怎么辦？不論是更換還是修復(fù)都要有一個(gè)時(shí)間的概念，即其在指定時(shí)間內(nèi)壞了n次就必須修復(fù)n次，當(dāng)然每次的修復(fù)時(shí)間也不一樣，修復(fù)時(shí)間Tr也有Tr1，Tr2，......，Trn之分別，所以也要有一個(gè)平均修復(fù)時(shí)間MTTR，其表達(dá)式為：

因此得可用性A的表達(dá)式：

所以可用性的含義就是：在指定的機(jī)器運(yùn)行時(shí)間t內(nèi)，無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間是整個(gè)運(yùn)行時(shí)間t的百分之多少？是99.9%，還是99.99%......

3 供電系統(tǒng)可靠性的分配

一個(gè)供電系統(tǒng)包括好多環(huán)節(jié)：防雷器、電纜、開關(guān)柜、后備發(fā)電機(jī)、UPS、電池組、PDU、連接器等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)應(yīng)著一定的可靠性，而且它們之間的可靠性指標(biāo)相差很大。就像圖1中所示的木桶結(jié)構(gòu)一樣，構(gòu)成木桶的木板條長(zhǎng)短不一，眾所周知，木桶盛水的多少取決于最短的那個(gè)木板條。就像一個(gè)系統(tǒng)的可靠性取決于可靠性最低的那個(gè)環(huán)節(jié)一樣，這就決定了系統(tǒng)可靠性的分配方案。不可忽略的一點(diǎn)是，木桶的盛水除了取決于最短的那個(gè)木板條外，還取決于每個(gè)木板條之間的連接是否密封。具體到一個(gè)電子系統(tǒng)中就是各環(huán)節(jié)之間的結(jié)合是否匹配，比如供電系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的連接處是否牢固，是否匹配。比如10kVA的UPS輸出端應(yīng)配65A的斷路器比較合適，因?yàn)閱蜗?0kVA的額定電流是45A，再加上20%過(guò)載能力，選標(biāo)稱值65A開關(guān)就差不多。如果還有其他考慮則另作別論，這就算匹配。但如果選32A或100A的斷路器就是不匹配，就會(huì)導(dǎo)致故障，或頻繁切斷負(fù)載或在輸出端瞬時(shí)短路而不能保護(hù)電源。因此，它的可靠性指標(biāo)也應(yīng)考慮在內(nèi)。

假如上述各環(huán)節(jié)的可靠性分別為：防雷器rt、電纜rc、開關(guān)柜rs、后備發(fā)電機(jī)rg、UPSru、電池組 rb、PDUrp、連接器 rn......那么系統(tǒng)的可靠性R就是：

為了方便分析這些環(huán)節(jié)有著相同的可靠性指標(biāo)，即：

圖1 木桶理論結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，系統(tǒng)可靠性達(dá)到5個(gè)“9”很不容易，原因是盡管設(shè)備的可靠性很高，但在配電系統(tǒng)中沿路多于三個(gè)開關(guān)或接插點(diǎn)的情況很普遍，有的從電源到負(fù)載甚至達(dá)到了11個(gè)節(jié)點(diǎn)，這就大大降低了供電系統(tǒng)的可靠性。一般都認(rèn)為開關(guān)、電纜和端子排可靠，不會(huì)出問(wèn)題，其實(shí)不然，往往有這樣的情況，一個(gè)三極斷路器有時(shí)其中一個(gè)觸點(diǎn)接觸不良或斷開，電池的接線端開始非常牢固，但經(jīng)過(guò)幾次放電后就松動(dòng)了，接線端子排經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后便松動(dòng)的事例也并非絕無(wú)僅有。

因此，在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行可靠性分配是有益的，這樣可把責(zé)任分擔(dān)到人頭，加強(qiáng)可靠環(huán)節(jié)的責(zé)任感。

比如要求供電系統(tǒng)在三年運(yùn)行中的可靠性為R=0.999，系統(tǒng)有5個(gè)環(huán)節(jié)，如果要求該5個(gè)環(huán)節(jié)有著相同的可靠性，那么這5個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性就為：

從該式可以看出，在構(gòu)成該供電系統(tǒng)的5個(gè)環(huán)節(jié)中，最差環(huán)節(jié)的可靠性也必須在4個(gè)“9”以上，即大于0.9999，當(dāng)然其他環(huán)節(jié)更不能低于此值。根據(jù)可靠性與平均無(wú)故障時(shí)間的關(guān)系式（4），可以得出在三年運(yùn)行時(shí)間中最低可靠性的那個(gè)環(huán)節(jié)MTBF：

由此可以看出，供電系統(tǒng)的可靠性達(dá)到3個(gè)“9”是多么不容易，這需要何等質(zhì)量的設(shè)備，更何況實(shí)現(xiàn)5個(gè)“9”的指標(biāo)，實(shí)際上，更大的用處還是可用性，上述的設(shè)備質(zhì)量已經(jīng)太高，甚至不易實(shí)現(xiàn)，暫且將系統(tǒng)的可靠性降到0.99，這時(shí)最差環(huán)節(jié)的可靠性r=0.997992，其對(duì)應(yīng)的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF=2628000h，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)可靠性0.99的平均無(wú)故障時(shí)間也約為2628000h。如果在這種情況下要求系統(tǒng)在三年的運(yùn)行期間有5個(gè)“9”的可用性，那么就要求平均維修時(shí)間MTTR：

根據(jù)可用性公式整理后得：

從上式可以看出，在目前設(shè)備質(zhì)量（r=0.997992）的情況下，只要保證平均維修時(shí)間小于26小時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)5個(gè)“9”的可用性指標(biāo)。而26h的平均維修時(shí)間是容易保證的，所以不應(yīng)把可靠性與可用性對(duì)立起來(lái)，而是相輔相成。這樣一來(lái)，系統(tǒng)的可靠性分配問(wèn)題就可以解決。

4 供電系統(tǒng)中UPS選擇的原則

4.1 選擇系統(tǒng)效率高的設(shè)備

UPS是供電系統(tǒng)中的主要設(shè)備，應(yīng)重點(diǎn)選擇。不言而喻UPS的可靠性是第一位的。一般電子設(shè)備的天敵就是高溫，根據(jù)阿勒尼烏斯（Arrhenius）準(zhǔn)則，溫度每升高10。C，電子的活躍程度加倍，導(dǎo)致的結(jié)果是器件的壽命減半。由此可見，設(shè)備內(nèi)的溫度越低越好。設(shè)備內(nèi)的溫度除了環(huán)境溫度外，其溫升則是由設(shè)備本身的功率損耗決定的。也就是說(shuō)，設(shè)備本身的功率損耗越低越好，換言之，設(shè)備本身的效率越高越好。

圖2 同樣輸入指標(biāo)下工頻機(jī)和高頻機(jī)UPS結(jié)構(gòu)原理圖

哪一種UPS的效率最高? 這要從工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種UPS的電路結(jié)構(gòu)比較來(lái)看。圖2顯示出了同樣輸入和輸出指標(biāo)下工頻機(jī)和高頻機(jī)UPS結(jié)構(gòu)原理圖。所謂“同樣輸入指標(biāo)”指的是目前一般用戶所要求近于線性的輸入指標(biāo)，即輸入功率因數(shù)大于0.95。一般工頻機(jī)UPS輸入在200kVA以下時(shí)由于價(jià)格關(guān)系大都采用6脈沖整流，其輸入功率因數(shù)僅有0.8左右；即使在大功率UPS中采用了12脈沖整流，也難于達(dá)到0.95以上的輸入功率因數(shù)，有的也得加諧波抑制器。而高頻機(jī)UPS由于前面的輸入電路是高頻整流器，不用加任何環(huán)節(jié)就可使輸入功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。這樣一來(lái)，工頻機(jī)UPS就比高頻機(jī)UPS在輸入端多了一級(jí)消耗功率的環(huán)節(jié)，且不說(shuō)增加造價(jià)和占地面積，其消耗功率也不低于2%～3%。

另一方面，由于工頻機(jī)UPS的輸出逆變器絕大多數(shù)都采用了全橋電路，從實(shí)用的角度看就必須加隔離變壓器；而高頻機(jī)UPS的逆變器幾乎都采用了半橋電路，所以不需要輸出變壓器隔離。因此，工頻機(jī)UPS又比高頻機(jī)UPS多出2%～3%的變壓器損耗?？梢钥闯龉ゎl機(jī)UPS比高頻機(jī)UPS的系統(tǒng)效率一般要低5%。這5%的功耗就會(huì)使機(jī)器內(nèi)部的溫度升得高，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率增加和壽命縮短。因此高頻機(jī)UPS的功耗降低了，供電可靠性提高了。

4.2 選擇噪聲低的設(shè)備

過(guò)分的噪聲不但會(huì)干擾其他設(shè)備，也會(huì)影響機(jī)器操作者的情緒，從而導(dǎo)致工作效率降低甚至操作出錯(cuò)。由于工頻機(jī)UPS的輸入電路破壞了輸入電壓波形，不但給其他設(shè)備的用電造成干擾，它的電感和變壓器的可聞噪聲也會(huì)使操作者情緒不安；尤其是有些工頻機(jī)UPS的逆變器工作采用了10KHz左右的調(diào)制頻率（一般是6KHz～8KHz，也有的用了15KHz），正好在人耳的敏感區(qū)，嚴(yán)重干擾了人員的工作；而高頻機(jī)UPS的工作調(diào)制頻率都在20KHz以上，已經(jīng)脫出了人耳的相應(yīng)范圍，使工作環(huán)境安靜下來(lái)，提高了工作效率，增強(qiáng)了工作效果。

因此，從供電可靠性的觀點(diǎn)看，選用高頻機(jī)UPS是有益的。當(dāng)然，目前20KHz以上高頻機(jī)UPS的單機(jī)功率還做不到100kVA以上，但高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS卻可做到1200kVA。而且高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS取消了輸出變壓器，已將噪聲最大的部件忽略了，并且節(jié)能效果非常明顯。數(shù)據(jù)中心機(jī)房若達(dá)到1.7以下的能效比，在目前除了用高頻機(jī)UPS別無(wú)他徑。

5 提高供電可靠性與可用性的途徑

選擇了好的供電設(shè)備并不一定能保證有好的供電效果。良好的連接方案加上優(yōu)質(zhì)的設(shè)備才能保證好的供電結(jié)果。

5.1 UPS輸入輸出形式對(duì)供電可靠性的影響

有些用戶對(duì)UPS有兩個(gè)擔(dān)心：

（1）三相輸出的UPS當(dāng)三相負(fù)載電流不平衡時(shí)會(huì)導(dǎo)致三相電壓的不平衡，于是就提出了三進(jìn)單出（3/1）結(jié)構(gòu)的UPS，如圖3所示，以為這樣就可以高枕無(wú)憂了。

（2）擔(dān)心單進(jìn)單出會(huì)造成輸入配電的不平衡

圖3 三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS

當(dāng)今三相輸出的UPS都具有三相負(fù)載100%不平衡的能力，一般三相負(fù)載100%不平衡時(shí)，其電壓不平衡度不會(huì)超過(guò)2%。但三進(jìn)單出（3/1）結(jié)構(gòu)的UPS的確有著不可靠因素，如圖3所示，當(dāng)輸出功率為90kVA，正常時(shí)三相輸入均為30kVA，達(dá)到了平衡的目的。但當(dāng)UPS輸出端過(guò)載、短路或逆變器故障時(shí)，為了給負(fù)載的供電不間斷，旁路Bypass開關(guān)S就會(huì)自動(dòng)閉合，從圖中可以看出，原來(lái)提供30kVA的這一路此時(shí)就必須給出90kVA。一般的市電配電開關(guān)Si都不具有300%的余量，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)載跳閘。結(jié)果沒有達(dá)到供電繼續(xù)的目的，反而造成負(fù)載全面斷電。

為了不使上述的局面出現(xiàn)就必須做兩件事：

一件事是將輸入電路增容至原來(lái)的3倍，比如輸入開關(guān)Si的容量規(guī)格增至270kVA（每相90kVA）；另一件事是將輸入端（比如供電局）要求增容至原來(lái)的3倍。這其中多出的180kVA也可能幾年都用不上，這又存在一個(gè)如何向上游（供電局）交代的問(wèn)題。三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS容量越大，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重。

根據(jù)目前的情況，三進(jìn)單出結(jié)構(gòu)的UPS一般用在30kVA以下比較合適。這一方面由于容量不大，通常容量等級(jí)本系統(tǒng)就可解決；尤其是用于第二代N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)最為合適，這主要是由于并聯(lián)UPS各單機(jī)模塊在并聯(lián)情況下具有統(tǒng)一轉(zhuǎn)旁路的特點(diǎn)，而且故障模塊可以得到及時(shí)更換，所有模塊同時(shí)因出問(wèn)題而轉(zhuǎn)旁路的概率又非常小，這就將轉(zhuǎn)旁路的危險(xiǎn)性降低到最小限度，提高了供電的可靠性。

5.2 冗余供電方案的可靠性

（1）雙電網(wǎng)供電連接方式的可靠性

一般在重要的數(shù)據(jù)中心都要求雙電網(wǎng)供電，這固然是一個(gè)好的構(gòu)思，但也存在一個(gè)雙電網(wǎng)如何連接的問(wèn)題，如果連接方法不得當(dāng)，也會(huì)降低供電的可靠性。圖4列出了當(dāng)前4種電網(wǎng)與UPS的連接方案。哪一種連接方式最為可靠？先分別討論。

圖4（a）所示是將雙路市電接在同一臺(tái)UPS上的方法。將一路市電接在UPS的旁路開關(guān)上，另一路接到UPS的輸入整流器輸入端。這種連接方法在前幾年有一些應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。原因是它打亂了UPS的原來(lái)設(shè)計(jì)思想：UPS的原來(lái)設(shè)計(jì)是將旁路開關(guān)與整流器的輸入端連接在同一路市電上的，后來(lái)的設(shè)計(jì)者都是在這個(gè)基礎(chǔ)上不改變?cè)O(shè)計(jì)思路而繼續(xù)增加功能。UPS原來(lái)的功能是當(dāng)旁路電壓出現(xiàn)異常時(shí)（也意味著整流器輸入端的市電電壓出現(xiàn)異常）電池放電，使輸出供電繼續(xù)下去。但在旁路另接一路市電時(shí)，若此時(shí)旁路電壓出現(xiàn)異常而整流器輸入電壓卻正常，電池就不應(yīng)該放電，和原設(shè)計(jì)發(fā)生了矛盾，于是裝機(jī)者一般都是現(xiàn)場(chǎng)將電池放電功能改為不放電。豈不知此時(shí)此地的信號(hào)更改打亂了原來(lái)的程序，使機(jī)器的控制和測(cè)量處于一種不正常的狀態(tài)，使供電的可靠性大受影響。比如某電視臺(tái)12套電視節(jié)目各接了一臺(tái)60kVA雙市電供電的UPS，且不說(shuō)裝機(jī)時(shí)的繁雜手續(xù)，就該供電系統(tǒng)裝機(jī)以后就一直工作不正常，有時(shí)集體轉(zhuǎn)旁路供電，有時(shí)故障燈閃爍，有時(shí)看不到該看到的測(cè)量信號(hào)等。該電視臺(tái)在無(wú)奈之下只好在節(jié)日期間和重大活動(dòng)場(chǎng)合責(zé)令廠家工程師到現(xiàn)場(chǎng)值班。

該連接的另一個(gè)隱患在于當(dāng)整流器輸入端市電故障時(shí)由電池放電，但一般雙路市電供電時(shí)的電池后備時(shí)間多為30分鐘左右，時(shí)間很短。值得注意的是，一般雙市電供電的場(chǎng)合一般不容易出故障，一旦出了故障又不能即時(shí)恢復(fù)。比如一路出現(xiàn)故障時(shí)，這種故障有可能來(lái)自外電網(wǎng)，這比較好辦，一般時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。萬(wàn)一是本部故障：比如線路老化、主斷路器開關(guān)故障或配電柜大型開關(guān)故障等，在這種情況下，其修理時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30分鐘，有時(shí)甚至花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間。在這30分鐘以后的時(shí)間里用電設(shè)備必須完全依靠旁路的一路自然市電，此時(shí)負(fù)載設(shè)備完全得不到UPS的保護(hù)，只好承受市電帶來(lái)的各種干擾和過(guò)度的波動(dòng)，輕者導(dǎo)致用電設(shè)備故障，重者損壞機(jī)器。所以這種供電的連接方式不可推薦。

圖4 兩路市電向UPS的不同接法

圖4（b）所示是一種兩路市電接在同一臺(tái)UPS上的改進(jìn)型。該電路考慮了圖4（a）所出現(xiàn)的問(wèn)題，將電路重新設(shè)計(jì)并加入了新的功能，即當(dāng)UPS的旁路開關(guān)故障時(shí)，旁路市電也可通過(guò)自設(shè)的開關(guān)S將市電繼續(xù)向負(fù)載設(shè)備提供，對(duì)供電又多了一層保險(xiǎn)。不過(guò)目前這種UPS的容量還只做到30kVA。

圖4（c）所示是兩臺(tái)并聯(lián)的UPS輸入端分別各接一路市電。乍看起來(lái)好像沒有什么問(wèn)題，即使兩路市電的相位和電壓有所差別（這是肯定的），但由于并聯(lián)UPS的特性是最先啟動(dòng)的那臺(tái)UPS就是主機(jī)，其余后來(lái)者均跟蹤主機(jī)，所以在正常情況下不影響運(yùn)行。但也正是并聯(lián)UPS的這種特性也埋下了一個(gè)隱患：并聯(lián)UPS具有同時(shí)轉(zhuǎn)旁路的特點(diǎn)，從圖中可以看出，一旦兩臺(tái)UPS轉(zhuǎn)到旁路供電，除了給負(fù)載RL供電外，也把兩路市電變壓器并聯(lián)在了一起，這時(shí)兩路市電的相位和電壓的差值就會(huì)在兩變壓器之間形成強(qiáng)大的環(huán)流，一直到將環(huán)路中的串聯(lián)環(huán)節(jié)燒斷（或旁路開關(guān)燒斷、或電纜燒斷、或變壓器繞組燒斷），環(huán)流才會(huì)停止。當(dāng)然這種現(xiàn)象不會(huì)輕易出現(xiàn)，但萬(wàn)一出現(xiàn)一次，就會(huì)釀成大的事故。所以此方案不可輕易采用。

最穩(wěn)妥的辦法還是如圖4（d）所示的連接方式，將兩路市電經(jīng)互投柜轉(zhuǎn)化成一路后再送往UPS。這種方法的可貴之處在于不但尊重了UPS的原設(shè)計(jì)思想，而且也使負(fù)載始終處在UPS的保護(hù)之下，是一舉幾得的事情。

（2）UPS冗余供電的可靠性

① UPS熱備份連接時(shí)供電的可靠性

以往的用戶使用單機(jī)供電的比較多。隨著處理數(shù)據(jù)量的增大和用戶對(duì)計(jì)算機(jī)等IT設(shè)備的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，作為IT設(shè)備命脈的電源就成了保證這些用戶正常工作的第一要素。為了提高供電設(shè)備的可用性，單臺(tái)UPS已無(wú)能力確保供電萬(wàn)無(wú)一失，因此不得不借助于群體的力量來(lái)實(shí)現(xiàn)高可用性的目標(biāo)，為此多機(jī)冗余就成了必須之舉。

熱備份連接可用來(lái)提高可靠性。也就是說(shuō)，當(dāng)單臺(tái)UPS已不能保證用戶提出的可靠性要求時(shí)，就可以再接上一臺(tái)同規(guī)格甚至可以不同品牌的單機(jī)UPS來(lái)提高可靠性。兩臺(tái)單機(jī)的連接方法如圖5所示。

圖5 兩臺(tái)UPS熱備份連接圖

這種連接非常簡(jiǎn)單，當(dāng)把UPS1作為主輸出電源而把UPS2作為備用機(jī)時(shí)，只需將備用機(jī)UPS2的輸出與UPS1的旁路Bypass1輸入端相連就可以了，不過(guò)此時(shí)UPS1的旁路Bypass1輸入端一定要與UPS1的輸入端斷開。這樣連接以后的UPS系統(tǒng)的可靠性就提高了。為了有一個(gè)量的概念，圖6給出了單臺(tái)UPS可靠性模型圖。這是UPS的設(shè)計(jì)者為了提高其供電的可靠性而將市電引入旁路作為后備電源。

圖6中PU是不帶旁路時(shí)單臺(tái)UPS主機(jī)可靠性值，設(shè)PU =0.99；PB是旁路（Bypass）的可靠性值，為了便于計(jì)算，也設(shè)PB=0.99（實(shí)際上要高得多）。也就是說(shuō)，此二者的可靠性都是99%，不可靠性值（或稱故障率）是1-0.99=0.01即1%。這兩部分是并聯(lián)冗余的關(guān)系，那麼根據(jù)可靠性并聯(lián)的計(jì)算公式，單臺(tái)UPS系統(tǒng)的可靠性P1就是：

代入數(shù)值0.99，則

圖6 單臺(tái)UPS可靠性模型圖

從上面的結(jié)果可以看出，兩個(gè)可靠性值都為0.99的單元并聯(lián)后，其可靠性增加為原來(lái)的100倍，不可靠性則由原來(lái)的百分之一下降到了萬(wàn)分之一。

以此為基礎(chǔ)，就可以計(jì)算熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性了。圖7給出了熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性模型圖。這個(gè)圖是對(duì)應(yīng)于圖5來(lái)做的。

圖7 熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性模型圖

圖中： PB1和PU1分別對(duì)應(yīng)于UPS1的旁路可靠性和主機(jī)可靠性；PB2和PU2分別對(duì)應(yīng)于UPS2的旁路可靠性和主機(jī)可靠性。

為了便于計(jì)算，仍設(shè)它們有著相同的可靠性，其值都是0.99，那么其可靠性計(jì)算公式如下：

從上式明顯地看出，兩臺(tái)熱備分連接的UPS系統(tǒng)可靠性比單臺(tái)提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種系統(tǒng)的連接方式簡(jiǎn)單易行，即使是不同品牌的機(jī)器，只要規(guī)格容量相同就可以連接，不需再增加另外的設(shè)備。若兩臺(tái)不同容量的UPS相連，其容量按最小的那一臺(tái)計(jì)算。

這種熱備份連接方式也有它的不足之處。由于是同容量串聯(lián)連接，如果一臺(tái)UPS過(guò)載，則轉(zhuǎn)到另一臺(tái)后仍然過(guò)載，即帶載能力沒有加強(qiáng)。在實(shí)際中很少有兩臺(tái)以上UPS串聯(lián)連接的情況，因此應(yīng)用場(chǎng)合受到了限制。

② UPS的冗余并聯(lián)連接及其可靠性

UPS的并聯(lián)冗余連接可以克服上述方法的不足，圖8給出了兩臺(tái)UPS并聯(lián)連接的原理方框圖。

圖8 兩臺(tái)UPS并聯(lián)連接的原理方框圖

這種連接方式從表面上看更為簡(jiǎn)單，只需把兩者的輸出端連到一起就可以。多臺(tái)相連也可以照這樣把輸出端連到一起，相互之間再加一些并聯(lián)所需的措施，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)功能。并聯(lián)后的可靠性模型如圖9所示。

圖9 兩臺(tái)并聯(lián)UPS的可靠性模型

仍采用上面的假設(shè)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)可靠性可根據(jù)下式得出：

從上面的計(jì)算可以看出，熱備份連接的UPS系統(tǒng)比單機(jī)系統(tǒng)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而其并聯(lián)系統(tǒng)又比熱備份連接的UPS系統(tǒng)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這就從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢(shì)是：

并聯(lián)連接的UPS系統(tǒng)不但可靠性提高，而且?guī)лd的能力也在加強(qiáng)。因?yàn)槭遣⒙?lián)，在兩臺(tái)UPS系統(tǒng)中就具有著兩倍的負(fù)載能力，所以在冗余的情況下，系統(tǒng)的過(guò)載和耐沖擊能力比熱備份連接的UPS系統(tǒng)要強(qiáng)得多。在非冗余的情況下，它們的并聯(lián)可以增容，這也是熱備份連接技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。

在并聯(lián)模式1+N的情況下，隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增加其可靠性也相應(yīng)增加，但并聯(lián)臺(tái)數(shù)也不是無(wú)限的，目前最多可并聯(lián)到9臺(tái)，一般不超過(guò)8臺(tái)。在并聯(lián)模式N+1的情況下，隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增加，其可靠性也相應(yīng)降低。

③ 對(duì)并聯(lián)功能的誤解

有一種說(shuō)法：兩臺(tái)冗余并聯(lián)的UPS不如圖10那樣加一個(gè)STS切換開關(guān)可靠性高。

圖10 兩臺(tái)UPS加STS切換結(jié)構(gòu)

在這種思想的策劃下，也有人花高價(jià)接受并實(shí)施了這個(gè)方案。為了說(shuō)明問(wèn)題，將問(wèn)題簡(jiǎn)單化，假設(shè)各個(gè)設(shè)備的可靠性均為0.99，在這種情況下，兩臺(tái)UPS直接并聯(lián)的可靠性根據(jù)式（14）的對(duì)應(yīng)關(guān)系已知是0.9999，故障率是萬(wàn)分之一。由于STS的加入，每臺(tái)UPS都和開關(guān)STS成了串聯(lián)關(guān)系，由此做出了圖11的可靠性模型圖。

圖11 圖10的可靠性數(shù)學(xué)模型

由可靠性公式得出現(xiàn)在這個(gè)系統(tǒng)的供電可靠性R：

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，加了STS后，供電可靠性反而降到3個(gè)“9”，故障率也上升到原來(lái)的4倍，而且兩倍的過(guò)載能力也沒有。更何況STS的價(jià)格要比同容量的UPS貴得多，這也證明了多花錢不一定就有好的結(jié)果。

5.3 N+X模塊化冗余方案供電的可靠性

（1）N+X模塊化冗余簡(jiǎn)介

N+X模塊化冗余方案是在單機(jī)UPS并聯(lián)的思想下發(fā)展而來(lái)的，它的特點(diǎn)是這些小容量的UPS都集中在一個(gè)柜子里進(jìn)行并聯(lián)，由于重量和體積不大，一般一個(gè)人就可以插入和拔出進(jìn)行更換，而且這個(gè)過(guò)程是在不停電的情況下進(jìn)行的，以后又發(fā)展到在一個(gè)柜子中不但有多個(gè)并聯(lián)的UPS模塊，而且又引入配電單元，使一個(gè)柜子兼具供電和配電的功能，如圖12所示。這就大大提高供電的可靠性和可用性。其原因是將原來(lái)需要UPS廠家、配電柜生產(chǎn)廠家和部分安裝工程都?xì)w于一個(gè)廠家生產(chǎn)，增強(qiáng)了這幾部分的連接性和匹配性，也簡(jiǎn)化了用戶的對(duì)口單位。

（2）對(duì)N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)的誤解

①大功率模塊化概念的引入

從前面的介紹可知，N+X模塊化冗余概念是以一個(gè)人的能力可以搬動(dòng)為基礎(chǔ)，而且是一個(gè)柜子中要有多個(gè)相同的模塊并聯(lián)，這樣做的目的就是為了提高可用性，即縮短平均修復(fù)時(shí)間MTTR。但后來(lái)由于數(shù)據(jù)中心使用功率的增大，也打算用模塊化，于是有的廠家就投其所好而推出數(shù)百公斤的“大功率模塊”，實(shí)際上這又回到了開始時(shí)的多單機(jī)UPS并聯(lián)的原始狀態(tài)。那時(shí)是可以8臺(tái)UPS單機(jī)并聯(lián)，現(xiàn)在也是8臺(tái)UPS單機(jī)并聯(lián)；這種擴(kuò)大了的概念已無(wú)法在線維修、在線更換和熱插拔。不過(guò)現(xiàn)在已有的UPS廠家在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)放入兩個(gè)模塊，這些模塊有的是 300kVA、400kVA、550kVA 和 600kVA等，一方面可以代替1+1冗余并聯(lián)，一方面可以做成增容機(jī)型，比如600kVA、800kVA、1100kVA和1200kVA等。不過(guò)這已經(jīng)脫出了N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)的范疇，如圖12所示。

②認(rèn)為N+X模塊并聯(lián)后的冗余供電系統(tǒng)的可靠性不如單個(gè)模塊高

圖12 具有供配電功能的單機(jī)柜N+X模塊化冗余供電系統(tǒng)

持此觀點(diǎn)的根據(jù)是：原來(lái)只有一套電路構(gòu)成的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在卻變成多個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)的理論，當(dāng)然故障點(diǎn)就多，隨之而來(lái)的就是可靠性降低。甚至斷言說(shuō)：當(dāng)并聯(lián)模塊數(shù)多于8個(gè)時(shí)，系統(tǒng)的可靠性還不如單個(gè)模塊高。

其實(shí)不然，多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)的理論是對(duì)的，但關(guān)鍵是結(jié)果，即多出的這個(gè)故障點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果。對(duì)串聯(lián)環(huán)節(jié)而言，任何一個(gè)故障點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障；但如果這多個(gè)環(huán)節(jié)是冗余并聯(lián)的，其冗余度決定了故障點(diǎn)的影響程度。比如系統(tǒng)是N+2，就表明該系統(tǒng)可以允許同時(shí)有兩個(gè)故障點(diǎn)出現(xiàn)而還正常運(yùn)行；如果系統(tǒng)是N+X（X＞2），表明該系統(tǒng)可以允許同時(shí)有X個(gè)故障點(diǎn)出現(xiàn)而正常運(yùn)行。

還可用量的概念來(lái)證明N+X模塊并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性，假如設(shè)單個(gè)模塊的可靠性r=0.99，在一格8模塊系統(tǒng)中，計(jì)算7+1和6+2配置的可靠性R7+1和R6+2：

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，冗余度越大，可靠性越高，換言之，故障率越低，比如R7+1的故障率約為千分之一，R6+2的故障率約為萬(wàn)分之一，而單個(gè)模塊的故障率高達(dá)百分之一。

那么在什么情況下系統(tǒng)的可靠性低于單個(gè)模塊？現(xiàn)在來(lái)討論一下極端情況，即當(dāng)式（19）中的N=∞，X=1時(shí)，則

從這個(gè)結(jié)果可以明顯地看出，在N+X并聯(lián)冗余的情況下，系統(tǒng)的可靠性永遠(yuǎn)大于單個(gè)模塊，只有N趨于無(wú)窮大而X=1時(shí)，系統(tǒng)的可靠性才等于單個(gè)模塊的可靠性，但N趨于無(wú)窮大而X=1的情況是永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)的。

所以N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)是很好的供電形式，而且也是今后發(fā)展的方向。

5.4 雙總線供電方案的可靠性

雙總線供電方案是對(duì)并聯(lián)冗余方案的一種補(bǔ)充。換句話說(shuō)，在并聯(lián)冗余時(shí)的容量已達(dá)不到要求時(shí)，只好用雙總線供電方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）并聯(lián)冗余和雙總線供電方案的目的

保證在市電出現(xiàn)任何狀況時(shí)均能保證用電設(shè)備的電能供應(yīng)不間斷，因此凡是能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的任何方案均可應(yīng)用。能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方案很多，比如串聯(lián)熱備份、并聯(lián)冗余和雙總線等。但事實(shí)上這些方案也有優(yōu)劣之分、性價(jià)比之分和可靠性高低之分，如果不能有選擇地去用就會(huì)事倍功半。

（2）對(duì)雙總線方案的誤解

有一種說(shuō)法，認(rèn)為雙總線供電方案是為了適應(yīng)雙電源服務(wù)器而出現(xiàn)的，言下之意是并聯(lián)冗余方案不能達(dá)到為電源服務(wù)器供電的要求。

① 雙總線供電方案的基本工作原理

一般采用雙總線方案者多為雙市電供電，這里的雙總線供電有兩層意思：一層意思是任何一路都具有提供兩部分全體負(fù)載能量的能力；另一層意思是兩路電源可以同時(shí)向雙電源負(fù)載供電。但在平時(shí)兩路電源又各帶自己的負(fù)載。只有當(dāng)其中一路電源（例如對(duì)應(yīng)市電2的一路）故障時(shí)，另一路電源（例如對(duì)應(yīng)市電1的一路）才通過(guò)靜態(tài)開關(guān)STS2將電能引到對(duì)應(yīng)市電2的一路UPS的負(fù)載上。在此期間雙電源負(fù)載（例如R）也在一直不斷電。即使STS2因失效而不能使對(duì)應(yīng)市電1一路的UPS輸出引到到應(yīng)市電1的一路UPS的負(fù)載上，該雙電源負(fù)載R因仍有電源供給也不會(huì)停機(jī)。

如果當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障的同時(shí)若ATS1也因故障而不能將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到原來(lái)市電1#供電的UPS并聯(lián)組，該組UPS因失掉市電輸入而改為電池供電，待電池電能耗盡前對(duì)應(yīng)市電2一路UPS并聯(lián)組的電壓就經(jīng)過(guò)STS1送到市電1#原來(lái)的負(fù)載上。

應(yīng)當(dāng)注意的是，由于概念的模糊一般對(duì)雙電源負(fù)載用兩路的同一相電壓供電，即比如都用雙總線兩路的A相（或B相或C相）供電，在上述市電1#和ATS1同時(shí)故障的情況下，STS將應(yīng)市電2#一路UPS的電壓引入時(shí)，就形成了雙電壓負(fù)載的兩個(gè)輸入用了同一相電。這就帶來(lái)一個(gè)隱患，一旦這一相UPS輸出因連線松動(dòng)、開關(guān)觸點(diǎn)斷開等原因使電壓無(wú)輸出時(shí)，最為關(guān)鍵的這個(gè)雙電源負(fù)載就會(huì)停機(jī)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖12的Tier 4雙總線UPS冗余供電方案中每一路的UPS不只是一臺(tái)，而是n臺(tái)。這里的n按照現(xiàn)在的并機(jī)水平應(yīng)該不大于8，但絕不是1。

②并聯(lián)冗余方案能不能達(dá)到上述目的？

并聯(lián)冗余方案的目的也是為了實(shí)現(xiàn)在市電出現(xiàn)故障時(shí)仍能保證負(fù)載正常運(yùn)行，這和雙總線方案的目的是一樣的。圖13顯示出了并聯(lián)冗余方案結(jié)構(gòu)原理圖，圖中最多并聯(lián)數(shù)n一般不多于8臺(tái)。不論是多少臺(tái)其目的是一樣的，關(guān)鍵是后面的配電，UPS并聯(lián)后由配電柜向所有負(fù)載供電，對(duì)于雙電源負(fù)載的供電方法也比較簡(jiǎn)單，從三相電源任取兩相電壓分別加到雙電源的兩個(gè)輸入接口上就可以了。

當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障時(shí)，輸入互投配電柜中的轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS就自動(dòng)將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到UPS并聯(lián)組，在切換時(shí)間間隔時(shí)由UPS的電池組放電來(lái)維持負(fù)載的供電不間斷；

當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障的同時(shí)若ATS也因故障而不能將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到UPS并聯(lián)組，但現(xiàn)在有的ATS也考慮到這個(gè)問(wèn)題。有兩種解決辦法：一種是在原來(lái)的ATS上已預(yù)先安裝一個(gè)搖把，一旦該開關(guān)的自動(dòng)功能失效，就可利用此搖把手動(dòng)轉(zhuǎn)接到另一路市電（例如市電2#）；還有的在ATS上并聯(lián)上一個(gè)旁路開關(guān)，其作用也是一旦該開關(guān)的自動(dòng)功能失效，就可以手動(dòng)利用此旁路開關(guān)轉(zhuǎn)接到另一路市電（例如市電2#）。因此，雙電源輸入的并聯(lián)冗余方案從輸入到輸出都完美地解決了不間斷供電問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了雙總線同樣的功能。

并且一旦有一相UPS輸出因連線松動(dòng)、開關(guān)觸點(diǎn)斷開等原因使電壓無(wú)輸出時(shí)，最為關(guān)鍵的這個(gè)雙電源負(fù)載因有另一相電壓仍然在供電，所以就不會(huì)停機(jī)，消除了隱患。

（3）并聯(lián)冗余和雙總線供電方案的可靠性比較

從上面的討論已經(jīng)可以看出并聯(lián)冗余方案在8臺(tái)（以后發(fā)展還可以增多）以內(nèi)完成可以實(shí)現(xiàn)雙總線供電方案的全部功能，而且設(shè)備量要少得多。但由于市場(chǎng)和用戶的基本概念模糊等原因，目前仍有花高價(jià)實(shí)現(xiàn)功能的例子，而且還不在少數(shù)。機(jī)房用電量小于100kVA，但因重要性大，要求冗余。

圖13 并聯(lián)冗余方案結(jié)構(gòu)原理圖

圖14 供電路徑上形成節(jié)點(diǎn)的機(jī)構(gòu)

（4）雙總線供電方案可靠性降低的物理原因

眾所周知，在串聯(lián)電路中多一個(gè)環(huán)節(jié)就多一個(gè)故障點(diǎn)。實(shí)際上，在同一條供電線路上有很多節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)由端子排、匯流排、大小斷路器開關(guān)、保險(xiǎn)絲、PDU等組成。圖14列出了供電路徑上主要幾種形成節(jié)點(diǎn)的機(jī)構(gòu)。比如從圖中的斷路器可以明顯地看出，開關(guān)都有輸入和輸出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，里面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)觸點(diǎn)也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如從小型單相斷路器看得更為清楚，在這個(gè)開關(guān)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開或接觸不良都會(huì)影響電流的通道，就是說(shuō)這個(gè)斷路器的三個(gè)節(jié)點(diǎn)就是三個(gè)故障點(diǎn)。三相開關(guān)也一樣，不過(guò)它有九個(gè)故障點(diǎn)；但如果將輸入三條線并聯(lián)，將輸出的三條線也并聯(lián)，那就只有三個(gè)故障點(diǎn)。所以對(duì)任何一個(gè)開關(guān)來(lái)說(shuō)至少都有三個(gè)故障點(diǎn)。當(dāng)然所謂的故障點(diǎn)不一定就出故障，這是從理論上分析。圖中的匯流排或端子排在一條線上就有兩個(gè)故障點(diǎn)：一個(gè)輸入，一個(gè)輸出。

為了分析的方便，將雙總線和并聯(lián)冗余方案的共有部分，即從輸入一直到UPS供電方案是一樣的，所以節(jié)點(diǎn)情況也是一樣的，不必比較。