不間斷電源可靠性和可維護性的探究

李明祥

【摘 要】不間斷電源（UPS）供電系統(tǒng)是能夠提供持續(xù)、穩(wěn)定、可靠電源供應的重要外部設備。其作為民航空中交通管制的附屬設備，其穩(wěn)定性、可靠性決定著民航業(yè)的發(fā)展。隨著民航空管數(shù)據(jù)處理量以及主體設備的增多，UPS供電系統(tǒng)也日漸形成大的規(guī)模，其影響面已經(jīng)擴大至整個民航空中交通管制系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障就會導致不可估量的損失。目前市面上的不間斷電源供電系統(tǒng)品種繁多、供電方案多樣，如何衡量不間斷電源在供電系統(tǒng)的關鍵指標。本文通過對不間斷電源可用性的探究，分析不間斷電源的可靠性與可維護性，為不間斷電源的合理應用提供借鑒與參考。

【關鍵詞】不間斷電源；可靠性；可維護性；可用性

1 可靠性的基本概念

在這個迅速發(fā)展的科技時代，任何企業(yè)或個人都不希望自己所使用的設備出現(xiàn)故障。但那時絕不可能的，設備也有其壽命，故障的出現(xiàn)只是時間長短的問題，如何去規(guī)避設備出現(xiàn)故障，減少損失。因此我們就得掌握設備出故障的概率到底有多少。于是人們提出了“可靠性” 的概念，并逐步用一些計算量來表示。

1.1 可靠性

我們把元器件或系統(tǒng)在設定的時間段t內無損壞的概率定為該元件或系統(tǒng)的“可靠性”?？煽啃晕覀冇煤瘮?shù)P（t）表示[1]，則可靠函數(shù)與時間t的關系如圖1所示。由圖可見，當時間為0時，系統(tǒng)的可靠性很高，隨著時間的推移，系統(tǒng)的可靠性呈指數(shù)函數(shù)下降，直至最后有可能出現(xiàn)故障。

圖1 可靠性隨時間變化曲線

1.1.1 平均無故障時間（MTBF，Mean Time Between Failures）

不間斷電源“平均無故障時間”描述的是不間斷電源供電系統(tǒng)能夠正常運行多長時間才發(fā)生一次故障。這是衡量UPS可靠性的重要參數(shù)，平均無故障時間越長，則可靠性越高。因為可靠性函數(shù)P（t）是時間的概率分布，所以平均無故障時間T為：

由此可見，平均無故障時間在數(shù)值上等于可靠性曲線與橫坐標軸所限定的面積，如圖2陰影部分所示。

1.1.2 故障率

在單位時間內（一般以年為單位），產(chǎn)品的故障總數(shù)與運行的產(chǎn)品總量之比叫“故障率”（Failure rate），常用λ表示[2]。例如某單位運行了100臺不間斷電源系統(tǒng)，一年之內出了2次故障，則該不間斷電源系統(tǒng)的故障率為0.02次/年。當產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時，其故障率的倒數(shù)就叫做平均故障間隔時間（MTBF），即：

T=MTBF=1 ？姿（2）

例如某壽命服從指數(shù)分布的不間斷電源的MTBF時間約為9萬小時，9萬小時約為10年，并不是說該不間斷電源系統(tǒng)能工作10年不出故障。而是由T=MTBF=1 ？姿可知，？姿=1 T=1 10=0.1，即該不間斷電源系統(tǒng)平均年故障率約為10%，也就是說一年內，平均100臺該不間斷電源有10臺會出故障。

1.1.3 不同供電方案的可靠性的分析

隨著科技的發(fā)展，不間斷電源供電方案也得到穩(wěn)步的發(fā)展。如：單機供電方案、熱備份串聯(lián)供電、N+1并聯(lián)供電等。不同的供電方案，其系統(tǒng)可靠性也不一樣，如表1所示（假設每臺不間斷電源的可靠性P為0.99）。

表1 不同供電方案的可靠性分析

2 可維護性的基本概念

在電源供電系統(tǒng)中，設備出現(xiàn)故障時，需要維護。而維護時間的長短同時也決定著供電設備的可用性。因此就引入了平均維護時間（MTTR，Mean Time To Repair）和維修率μ的感念。此二者的關系為：

？滋=1 MTTR（3）

據(jù)統(tǒng)計不間斷電源系統(tǒng)維護過程中出現(xiàn)故障的概率占總故障概率的10%，也就是說一個不間斷電源系統(tǒng)的維護性同時影響著可靠性。很多用戶在選擇不間斷電源系統(tǒng)的時候只考慮可靠性與經(jīng)濟條件，而忽略了可維護性?？删S護性越高，說明UPS在維護過程中不間斷時間越短。

2.1 不間斷電源供電系統(tǒng)可維護性的分析

第一代動態(tài)UPS。其利用機械慣性儲能以及電動機、發(fā)電機的能量傳輸機制以提供短時間的不間斷供電，使用起來噪聲大。

第二代工頻UPS。有任何故障或者異常都只能依靠原廠家維修，運維人員操作性差，耽誤大量正常運行時間，對業(yè)務影響大。

第三代高頻UPS。高頻機從功能模塊上提升了維護性，縮短了MTTR時間，可在數(shù)小時內完成修復。但是，隨著科技的發(fā)展，各種先進元器件推陳出新：故障修復時間是否可以更大的去縮短？是否可以達到簡便的自行維護？

第四代模塊化高頻UPS。模塊化高頻UPS在可維護性方面揭開了歷史新篇章，維護技術門檻也大幅下降。對于單模塊容量50KVA以下的小系統(tǒng)模塊化UPS，采用模塊熱插拔技術運維人員可以自行在線維護和擴容，故障修復時間和擴容時間也縮短至分鐘級，對于單模塊容量200KVA以上的模塊化UPS，采用模塊隔離技術，雖然重量較重無法熱插拔，但運維人員可以自行在線分、合模塊來維護和查找故障，大幅度縮短修復時間，同時剩余模塊自行保證用戶的容量可用性[3]。

3 可用性概述

不間斷電源系統(tǒng)在供電方案選擇、機型選擇時，用戶都需要根據(jù)其重要性提出一個類似可靠性的一個概率值要求，即在規(guī)定時間內系統(tǒng)被有效利用的百分比，叫系統(tǒng)的可用性A。比如要求為99.99%或99.999%等?？捎眯缘挠嬎愎綖椋?/p>

A=MTBF （MTBF+MTTR）=？滋 （？滋 + ？姿 ）（4）

也就是說系統(tǒng)的可用性與系統(tǒng)的可靠性與可維護性有關。目前比較重要的數(shù)據(jù)中心要求可用性A不能低于0.9999，也就是說，一年中機器的不可用時間S不能大于規(guī)定時間。S的計算式如下：

3.1 可用性的分析

隨著UPS技術的越來越成熟，UPS高可用性的供電方案從單機系統(tǒng)逐漸演變成單機雙總線系統(tǒng)、單機三總線系統(tǒng)、并機雙總線系統(tǒng)等。為了研究方便，這里假設一些標準模塊，應用這些標準模塊可以建立各種供電系統(tǒng)的模型。標準模塊數(shù)據(jù)如表2所示。

3.1.1 UPS并聯(lián)冗余單路輸出可用性

圖3示出了并聯(lián)冗余單路輸出的供電模型。該模型中只有UPS并聯(lián)在電路中，其它模塊串聯(lián)在電路中。就利用創(chuàng)建的這個模型的故障和維修率數(shù)據(jù)來估算可用性。

根據(jù)這個要求分配的各模塊的故障率、維修率和可用性如表2所示，然后計算出該系統(tǒng)的總可用性為：

每年可能的故障時間為：T=365*24*（1-0.9936）=56.064小時。

3.1.2 UPS雙總線輸出可用性

圖4示出了UPS雙總線輸出的供電模型。該模型源于在實際數(shù)據(jù)中心有的負載需要雙路輸入電源接口，因此要求雙路供電。當一路電源故障時，傳輸電路會自動的將另一路接通。

如依舊利用上述的數(shù)據(jù)，則此時整個供電系統(tǒng)的可用性為：

每年可能的故障時間為：T=365*24*（1-0.99993）=36.729分鐘?？梢娫黾恿艘恍┰O備后，宕機時間從56小時降低到37分鐘。

4 結語

我國民航業(yè)與大數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，在航班流量大幅增加的同時，空管基礎設施設備尤其是電力系統(tǒng)越發(fā)重要，電力系統(tǒng)的不間斷決定著民航的安全。本文通過對不間斷電源的可靠性和可維護性的探究。得出了這樣一個結論：并聯(lián)是提高可靠性的有效途徑，模塊化是提升可維護性的有利因素。因此，在實際數(shù)據(jù)中心建設的工作中，一定要根據(jù)數(shù)據(jù)中心特點與要求，采用合理的不間斷電源供電方案與型號，提升數(shù)據(jù)中心整體的可用性。

【參考文獻】

[1]王其英，何春華.新型UPS工作原理與實用技術及選購指南[M].人民郵電出版社，2006（7）.

[2]http：//wenku.baidu.com/view/fe35c10d6c65ec3a87c2c500.html[DB/OL].

[3]王其英.高健.構建高可用UPS供電系統(tǒng)[J].應用實踐，2014（10）.

[責任編輯：田吉捷]