作者：克里斯-萊夫勒（Chris Loeffler）

伊頓公司刀片UPS及數據中心應用領域產品經理

    執行摘要

    UPS（不間斷電源系統）在確保IT可靠性方面扮演著至關重要的角色。因此，它們自身的可靠性也同樣是一個關鍵的考量因素。一旦UPS發生故障，則執行關鍵任務的電力負載可能會有風險。

    那么，對于優化UPS可用性，企業要采取哪些措施？根據本白皮書的內容，對此問題的常見回答并非是最佳選擇。歸根結底，UPS的可靠性更多地有賴于電源系統的整體設計，而并非UPS本身的設計（如UPS是否采用在線互動式或雙轉換技術）。而最終，提高UPS可用性的辦法無疑就是將包括UPS和整個電源保護方案在內的整體修復時間縮至最短，將冗余擴至最大。

    此外，在本白皮書中，我們也將顛覆“零部件越多則故障可能性越高”這一傳統的觀念，闡述何以模塊化UPS設計能夠提供出眾可靠性的原因。

    平均無故障時間（MTBF）之惑

    一直以來，MTBF（平均無故障時間）是UPS生產商用來測量和說明UPS可靠性的關鍵度量標準。不過，用MTBF來預測UPS的可用性實際上卻難具說服力。

    為了說明這一點，我們來舉一個例子，假設一臺UPS的MTBF是200,000小時，非專業人士可能簡單地以為該設備可以無故障運行200,000小時（約為23年）。但是，事實上UPS生產商不可能也不會對產品進行為期23年的無故障運行測試。相反，他們只是根據UPS組件的預計使用壽命先行計算出一個MTBF值。然后，在其出貨量增長到具有統計學意義時，會根據這批設備實際的性能數據替換到某些初步的預估值。盡管這些修正后的數據可能存在誤導性。比如，假如2,500臺UPS在5年的研究期內運行良好，那么得到的MTBF值可能會相當高。但是，如果這些系統中有一個組件的使用壽命只有6年，那么在5年研究期過后的一年，它們中的90%可能會發生故障。

    而且，MTBF的測量至今還沒有一個通用的標準。多年來，許多的政府機構不斷要求生產商根據最新版的MIL-HDBK-217F手冊提供計算數據，但是許多的商業客戶卻采用Telcordia (Bellcore) SR-332標準流程。近期，經技術行業總結發現，這些測量方法雖然頗有用處，卻并非是制造商評定產品可靠性的唯一方法。也因此，如今的生產商逐漸將注意力放在了可靠性設計（DFR）上。過往標準主要關注單個電氣組件及其與產品設計中采用的電路之間的關系，而DFR則側重于產品在各種條件下的預定或預期用途。

    不過，最終還是沒有對測量供電負載的UPS運行情況給出一個標準方案。也因而，將一家生產商的UPS與另一家的UPS就MTBF數值進行比較時仍很難實現。

    用可用性來測量關鍵電源后備系統更加具有實質意義。鑒于UPS在數據中心所占據的重要作用，能否快速更換舊零件或故障零件就顯得至關重要。可用性表示的是MTBF與另一度量單位MTTR（平均故障修復時間）相互之間的關系。MTTR（平均故障修復時間）是指從發現故障、給予響應到完全修復所需的耗時。

    可用性的數值一般由多個數字9構成的百分比數表示，表明特定系統在一年使用期限內正常運行的時間比例。舉例說明，一臺UPS的MTBF是500,000小時，MTTR是4小時，那么，它的可用性為0.999992或者99.9992%（500,000 ÷ 500,004）。這也就是說，該臺UPS每年的預期宕機時間是4.2分鐘。

    然而，單獨來講，盡管可用性比MTBF更能說明UPS的可靠性，但是在一些重要方面仍存在不足。具體來說，可用性無法說明例行保養的耗時。如果一個系統每年都必須安排進行檢查、重新校準或常規維護，它實際的運行可用性會比上面公式得出的數值來的低。

    UPS設計和內部電源通路

    盡管UPS內電源通路數量的增多會使成本增加，但是這可以確保一旦某些系統組件（譬如整流器、逆變器或內部備用電池）發生故障，關鍵負載的供電免于中斷。

    UPS從設計類型上基本分為四類：

    ·         當UPS檢測到停電故障時，后備式UPS可以切斷IT設備（ITE）的市電供電，為系統提供電源保護。不過，一些備用電源系統會在過壓或欠壓時提供局部的電源保護，對電池電源的使用較為有限。可見，雖然后備式UPS可提高效率和降低成本，但有時提供的電源保護并不全面。

    ·         在線互動式UPS通常視情況適度調節電壓之后，再對受保護設備供電。不過，在線互動式UPS必須使用電池電源來防止各種頻率異常現象和停電情況。

    ·         雙轉換UPS可以將關鍵負載與市電電源完全隔絕，從而確保為IT設備提供潔凈、可靠的電力。雙轉換UPS比后備式UPS和在線互動式UPS更耗能，因此它們在數據中心或設備間內的散熱量更高。

    ·         帶有多運行模式的雙轉換UPS通常在高效模式下運行，既省錢又節能。在保證供電質量后，它們會自動切換至雙轉換模式的更高電源保護級別。此外，大多數帶有多運行模式的雙轉換UPS使用模塊化標準部件設計，通過縮短執行維護和維修的用時來提高系統的可用性。

    這些UPS設計的不同之處在于其內部的電源通路。后備式UPS通常有兩條電源通路，由一個電源開關同時控制。因此，如果電源開關故障，那么IT設備便會斷電。大多數的備用電源系統功率在2 kVA以下，因此故障只會對一部分的IT設備造成影響。

圖1：使用標準后備式UPS供電，一旦電源開關故障，則IT設備便會斷電。

    在線互動式UPS通常有兩條完全獨立的電源通路，其中一條通路使用電源接口。如果電源接口發生故障，則UPS將由電池供電以確保將所有連接的設備從容關閉。部分頂級的在線互動式系統也會包含一個靜態旁路通路，可以自動旁路UPS中發生故障的組件，將IT設備直接連接至市電電源。

圖2：標準在線互動式UPS的電源通路

    大多數的雙轉換UPS有兩條電源通路，一條由市電電源或發電機供電，一條則由電池電源供電，此外UPS內還包括：

    ·         自動靜態旁路開關可以旁路發生故障的整流器或逆變器，并由市電電源直接供電IT設備

    ·         手動維護旁路設備允許技術人員在不中斷受保護負載供電的情況下對系統進行維修

圖3：標準雙轉換UPS的電源通路

    一些帶有多運行模式的雙轉換UPS除了具備標準雙轉換UPS的兩條電源通路之外，還包括一個自動維護旁路設備，可在UPS進行維修或維護時自動旁路逆變器。此外，如果在模塊化冗余設計中使用帶有多運行模式的雙轉換UPS，它可以自動選擇是否要將負載連接旁路，確保在執行維護時由UPS的備用電源供電系統。如此可以縮短MTTR，并降低維護和維修期內宕機或意外斷電的風險。

圖4：帶有多運行模式的高效雙轉換UPS的電源通路

    提高UPS電源通路可用性的策略

    提高UPS電源通路的可靠性的方法有很多：

    ·         添加并聯電池組：使用單組串聯電池的UPS其無法正常供電負載的風險會大大加強。舉例來說，一臺大型的UPS有40個電池串聯連接（即一個電池的正極與相鄰電池的負極相連）。如果這些電池其中一個出了問題，那么整串電池組就會故障，從而導致UPS無法正常供電。如果在UPS上再額外并聯一串由40個電池正負級串聯連接的電池組的話，假設其中一串電池組發生故障，那么UPS仍可由另一串正常的電池組供電一段時間，從而有時間連接備用發電機供電或者從容關閉負載設備。

圖5：有兩串并聯電池組供電的UPS其因電池故障導致UPS無法正常供電的可能性會有所降低

    ·         安裝發電機：電池供電只能解決一時的燃眉之急。如果面臨長時間的斷電情況，即使使用了最長時效的電池組可能也是“有心無力”。因此，在長時間的停電情況下，使用發電機最為備用供電電源較為理想。

圖6：配有應急發電機的UPS電源通路

    ·         確保UPS包含一個自動靜態旁路開關：在UPS內部出現故障時或者由UPS供電的負載出現嚴重過載或短路情況時，UPS的自動靜態旁路開關會旁路整流器和逆變器，由市電電源或發電機直接向IT設備供電。在故障情況下，靜態旁路開關切換供電電源僅耗時3-8毫秒，因此不會影響IT設備的正常供電。

圖7：內置靜態開關的UPS電源通路

    通過并聯安裝UPS提高可用性

    冗余的設計邏輯，不僅適用于電源保護方案，同樣亦適用于UPS設計。在電源設計中構建多條電源通路能夠從根本上提高系統的可靠性。

圖8：系統和子系統可靠性。資料來源：美國國防部

    從圖8中，我們可以歸納出兩個簡單卻十分重要的觀點。第一點，串聯連接的電源通路組件（比如子系統A、子系統C和子系統D），削弱了系統的整體可靠性；第二點，并聯冗余的電源通路組件（比如子系統B），增強了整體可用性。這是因為，如果子系統A、子系統C或者子系統D有一個發生故障，整條電源通路便無法正常工作。相反，由3個組件并聯的子系統B，如果其中一個故障，則另外兩個組件進行“接手”，確保整個系統如常運行。

    換言之，“短板效應”同樣適用于此：電源供應鏈的最終性能受限于其最弱的一環。因此，在供應鏈的每一點上添加多個冗余可以提高其整體的可靠性。因此，最可靠的輸電系統通常包括了從總電源至用電負載的多條相互獨立的電源通路，相互盡可能避免重疊。采用冗余配置的電源系統，當組件發生故障或者進行例行維護時都不會導致IT設備關閉。

圖9：市電電源到UPS間分支出多條電源通路供電IT設備，從而通過增加冗余來提高系統的可靠性

    并聯UPS架構

    在UPS行業領域，系統并聯部署的方式有很多。最常見的兩種方式是串并聯組合部署的架構或者是全冗余并聯部署的架構。

圖10：正常運行（上）和存在故障運行（下）的串并聯組合部署的系統架構

    當需要使用兩個不同型號或者是由兩個不同廠商生產的UPS系統支持基本負載時，有時會使用串聯冗余的配置架構，它們無法在冗余配置中并聯。但是使用串并聯組合部署的架構可以幫助你克服這種限制。

    不過，采用串并聯組合部署架構的系統提供的冗余十分有限，同時還要求有幾件關鍵事件發生才能在故障期間為負載提供保護。這些事件包括：

    1.)     故障系統必須檢測到發生的故障

    2.)     故障系統必須能夠安全切換到系統內置的靜態開關

    3.)     故障系統必須將故障組件從輸出電源總線上斷開

    4.)     備用電源系統必須能夠應（負載供電）要求立即支持滿負載運行

    此外，若采用串并聯組合部署架構的系統，用戶還需承擔無負載UPS的運行和維護費用。

    一般來說，全冗余并聯架構具備的可靠性更高，不過這也取決于其實施的形式。某些UPS聲稱具有并聯架構，但實際上只是有限的幾個組件進行并聯。這也就是說，雖然在一個類似的零件出現故障時系統可以提供一定的冗余，但是系統中沒有獨立的子系統。一旦子系統發生故障，那么整個UPS便需要關閉進行維修。

圖11：部分內置冗余的并聯架構

    其它的UPS設計還包括帶有獨立子系統的UPS和帶有點對點并機能力的UPS，就是說由UPS自身進行控制，而不是使用主控制器，這就賦予了UPS最高的可靠性級別。并聯架構的設計旨在不增加降低設計復雜程度的情況下盡可能地消除單點故障。因此，并聯架構可以使用獨立子系統和點對點控制，提供最少故障點最高可靠性的系統設計。 

圖12：每個UPS帶有點對點控制和獨立子系統的并聯冗余架構

    當然，組件數量和連接點較多的并聯冗余UPS配置其潛在的故障點也更多，因而MTBF較短。也因此，IT經理時常會認為，如果并聯架構中UPS的數量越少，那么系統的可靠性也就越高。雖然向UPS架構不斷增加組件，終究會達到回報趨減的一個點，但是，相對于配置較少UPS的系統，一個設計謹慎、包含更多UPS的系統必然會提供更高的可用性。

    為了說明這一點，我們假定兩個采用并聯冗余設計的系統架構樣本為60 kW負載提供保護。第一個架構包含2個傳統的60 kW的UPS，第二個使用的是6個由模塊化標準組件構成的12 kW的UPS。

    現在我們假設下，如果發生硬件故障，這會對這兩種配置有何影響：

    ·         采用兩個60 kW UPS為負載提供保護的架構僅可由受過培訓的專業人員進行維修。即使專業的維修人員可以承諾在4小時內到達現場，系統宕機的總耗時可能也將達到6-8小時。而且，如果維修人員隨身未帶有需要更換的零部件，那么宕機時間可能就會延長至24小時。在這段時期內，由于缺少UPS冗余，IT設備的風險指數就會很高。

    ·         反觀使用6個12 kW UPS的系統，其使用熱插拔電子組件和電池模塊，假設最終用戶手上有可更換的零部件的話，他們便可在幾分鐘內自行更換故障的組件。

圖13：兩個使用并聯冗余為60 kW負載提供電源保護的系統架構

    電池方面的考量進一步提供了佐證。一般UPS電池的使用壽命是4年。因而，采用60 kW UPS配置的系統架構可能會因為電池相關問題每四年至少有6個小時未能提供冗余。但是對于采用12 kW UPS配置的系統架構，其每四年可能約只有1個小時未能提供冗余。

    對電池是如此，對風機、電容器等的電子機械組件同樣也是如此，所要考慮的一般都是UPS內磨損零件或是消耗品。使用熱插拔件設計的UPS產品很少會發生宕機。因此，即使采用6個12 kW UPS配置的系統架構比采用2個60 kW UPS配置的系統架構的零件故障MTBF更短，但是它的MTTR也相對較短，因而最終的可用性還是相對較佳。

    電池如何影響可靠性

    UPS的設計理念決定了其使用電池電源的頻率，而電池使用頻率又與電池的運行時間和使用壽命直接相關。

    后備式UPS會頻繁切換至電池供電模式，這會減少電池的運行時間并縮短使用壽命。而且，在頻繁切換供電模式的過程中會存在短暫的斷電，可能會使IT系統關閉。同時，輸出電壓調整范圍較寬，會導致IT電源關閉。

    在線互動式UPS比后備式UPS能夠更好地提供電源異常保護，然而當在正常模式和調節模式之間進行轉換時或者為應對發動機啟動時的電壓不穩定，必須依靠電池進行供電。

    雙轉換UPS的電池使用則更為適度。在較寬的輸入電壓容限范圍內，UPS整流器和逆變器會共同調節輸出電壓，而不需要借助于電池進行供電。此外，從正常供電模式轉換至電池供電模式的切換時間很短，因此不必擔心IT系統會出現供電中斷的情況。

    帶有多運行模式的新型高效雙轉換UPS，其使用電池的時間和頻率與雙轉換UPS相似，在某些情況下可能要來得更低。而且，這些UPS在正常運行模式下效率可高達99%。效率更高就相當于電池的運行時間更長，運行溫度更低，這兩點都有助于延長電池的使用壽命。

圖14：不同UPS設計的標準電源使用模式

    總結：電源系統可用性最大化的六個關鍵步驟

    1.       高品質UPS的標準化設計：選擇資歷出眾、擁有諸多成功案例的業界廠商。UPS的設計應當包括內置關鍵組件冗余，采用多條電源通路，使用性能優越的組件，同時在生產過程中對質量進行嚴格把關。

    2.       選擇內置有多條電源通路的UPS：良好的UPS設計應當能提供多條電源通路進行額外冗余，包括靜態旁路開關，手動維護旁路或自動維護旁路。

    3.       尋找可滿足您IT設備需求的UPS：一些UPS的價格雖低，但卻無法正常支援用電負載，這就會導致IT設備被重置、數據被破壞甚至設備被關閉。帶有多運行模式的高效雙轉換UPS可以在IT設備和工業設備容許的電壓和頻率范圍內對電源進行很好地凈化。

    4.       部署冗余并聯UPS：如此可以對電源通路、電子組件和電池模塊進行冗余，從而提供最高的可靠性保護。

    5.       注重可以縮短MTTR的各種特性：選擇模塊化系統設計，UPS應使用便于維修的零部件，比如熱插拔電池和電子組件。從根本上來說，MTTR比MTBF對可用性的影響更大。

    6.       選擇使用電池可能性最小的UPS：頻繁使用電池供電的UPS，其電池的運行時間和使用壽命會相對縮減。帶有多運行模式的高效雙轉換UPS使用電池的可能性更小，有助于延長電池的使用壽命。■