1 .模块化结构UPS产生的背景 

         近年来N+X冗余模块式UPS发展很快,很多UPS制造商也都看重这种结构方式,为什 么会出现这样的局面呢? 这不得不追溯到IT技术的发展和普及,信息技术已经深入到人们的 日常生活,电信、金融、教育、交通、气象等,无一不和人们的日常生活紧密相连。除枢纽式 的大型数据中心外,还有遍布城乡的小型计算中心,用电容量不大,但很重要,比如高速公路 的收费站、自选商场的柜员机、银行的自动取款机等,都不允许供电的片刻中断,这就向供电 电源提出了与以往不同的可靠性与可用性要求。

       (1)提高小功率 UPS可靠性的困难。当然,保证各种数据中心可靠供电的设备莫过于 UPS。大的数据中心可采用UPS并联冗余的方法来提高可靠性,但像一些小的地方由于资金 和容量的限制就不可能采用具有并联冗余功能的大容量UPS,而小容量的UPS又恰恰大都不 能并联,尽管有几种具有冗余并联功能的小容量UPS,仍是由于价格或相关问题,使用户无法 承受。串联热备份性能又不理想,于是就陷入了进退两难的境地。当时还没有 “边投资边成 长”的概念,因为一般计算机房的供电大都是 “大马拉小车”,容量有足够的富裕。而像地铁、 金融等大工程一般都是一次到位,“边投资边成长”的解决方案在这里一般就不适用。 

      (2)可靠性与可用性的需要。由于小容量UPS单机无后备系统,一旦出现故障,就失去 了供电的保障,所以要求供电的可用性比较高。为了说明问题,现将可用性公式表示如下 

式中: A 是系统的可用性,是一个小于或等于1的数值; MTBF 是系统在指定时间段的平均无 故障时间,h; MTTR 是系统在指定时间段内故障的平均修复时间,h。 

       从式 ( 1-14)可看出,当系统故障后,修复时间非常重要。如果使用单机UPS供电,一 旦出现故障,修复时间就无法保证,少则几个小时,多则数日,如果市电还存在,只好由市电 直接供电,使设备长时间处于不安全的环境下。因此,设备必须在指定运行时间段内保证一定 的正常供电时间比例,是保证90%的时间还是99 .9%的时间能正常供电,这就是可用性的含 义。而可靠性则是指供电的硬件设备在多长时间间隔内不出故障,一旦出了故障,多长时间后 又回复正常供电,已不属于它负责的范畴。因此,可用性是一个更能全面表示有效供电的概念。 

       2 .模块化结构的两种方案

       由于上述这些原因,在20世纪90年代后期有些UPS制造商就推出了小功率N+X模块冗 余式UPS。比如PK(单体模块为1kVA)、I ema l(单体模块为3kVA)、Symme t r y(单体模块为4kVA)、9170(单体模块为3kVA)等产品就开始陆续上市。随着 “边投资边成长”概念的 推出,单元容量开始升级。比如 “英飞”单模块容量就由2、3、4kVA升至10kVA甚至更高, Newa v e由10kVA升至100kVA,PK由1kVA升至12kVA,ARRAY由4kVA升至15kVA和 30kVA,伽玛创力是单一的10kVA模块等。图1-26示出了部分 N+X模块式冗余 UPS的 外貌。

   N+X模块式冗余UPS的推出给用户又赋予了很多新的概念,比如模块化N+X组合概 念、冗余概念、可扩展性概念、可维护性概念、安全与环保概念,并给数据中心带来了美的享 受,给工作人员以舒适的环境,所以这种产品一问世就赢得了用户的重视。 

       从电路结构上说有两种解决方案———功率模块并联法和UPS单体并联法。这两种解决方 案可有千秋,下面进行简单介绍。

      (1)功率模块并联法。 

      1)可靠性。这种结构的优点在于能使各功率模块的输出电流平均分配,再不用外加任何 并联电路环节,所以控制电路设计起来比较简单,降低了造价和避免了由并联电电路带来的监 测和控制调整上的麻烦。另外由于功能分离,既减小了质量,搬动比较容易,又提高了备份利 用率,比如备份构成单机的一个功率模块和一个电池模块就可以分别更换,为用户节约了 投资。 

        其不足是:①各功率模块不能独立逆变工作;②在任何时候都不允许控制电路模块发生故 障,即使在1+4的情况下,尽管可以允许4个功率或电池模块同时发生故障,尽管控制电路 模块只有两个,也不允许它们有任何闪失,在一定意义上,这也是一种 “瓶颈”效应。 

        图1-27示出了这种结构方案的电源方框图。这种结构的可靠性和可用性到底有多高呢? 为了有一个数量的关系,不妨根据以往的该类产品可靠性指标进行一些计算。 

        一般UPS单机的平均无故障时间 ( MTBF )为100000~200000h,在这里将 “功率模块 +电池模块”在3年内的平均无故障时间取最大值500000h,为了计算的方便,将控制电路的 MTBF 也取最大值500000h,那么个单元模块的可靠性 r 可根据式 ( 1-15)算出   
 式中: r 为单元模块的可靠性; α 为单元模块的故障率,是平均无故障时间的倒数; t 是机器运 行的时间段,这里是3年,即3×8760h=26280h。

    以上计算尚未计入机柜、布线和接插件带来的不利影响。这种结构UPS的可靠性会随着 负载的减小而增大,因此,再来算一下2+3冗余时的可靠性。仍利用 上 述 的 数 据 代 入 图1-29,即可列出下面的表示式,再代入上述数据,得

在4+1情况下的平均无故障时间同样可以算出

 2)可用性。从上面的分析可以看出,即使 功率模块和控制模块的平均无故障时间为50万 h,其整机的可靠性也难于达到99 .9%,所以必 须依靠可用性中的 MTTR 。当然,模块式结构 的特点就是修复时间快,有的说 MTTR =5mi n, 并以此为根据来说明可用性是如何高。在实际情况下这个指标是难以实现的,5mi n是在特定 条件下得到的,一般都是将备用模块放在手边,一计时就马上操作,但实际中哪有如此好的条 件,尤其是一般用户很少购买备用模块,所以有的拖几个小时甚至几天的事情并非少见。因此 将 MTTR 定位2h已是很先进了。就以2h为例,根据可用性公式 ( 1)计算,此时的2+3和 4+1配置的可用性分别为 

   仅从最低配置也可看出,这种N+X模块冗余式UPS确实为用户解决了很多困难。 

        ( 2)UPS单体并联法。除了上述控制电路与功率模块分离式结构以外,UPS厂家又推出 了一种功能集中式N+X冗余并联结构UPS。这种结构的特点是每一个模块就是一个功能完整 的UPS,如Newa ve、ARRAY、伽玛创立等。这种结构的优点就在于每一个模块就是一台独立 的UPS单机,即使不放置在原来的机柜内也可单独使用,换言之,备用模块在备用期间也可 拿来单独作为UPS使用,提高了备用器材的利用率,由于控制电路和功率模块在一个机壳内, 降低了因连接不牢而导致故障的概率,在冗余模块配置允许的范围内没有最低故障模块类型的 限制。其不足之处是相对于上述功能分离式备份无法分开,即必须备份整机单元,也不可以拆分更换。

        1)可靠性。如果 做 和 上 面 同 样 的 假 设,模 块 单 元 在 三 年 内 的 平 均 无 故 障 时 间 也 是 500000h,其可靠性也是0 .9488,在这个数值下为了比较的方便,其配置也采用4+1模块冗 余式,其可靠性模型如图1-30(b)所示，具体为