简述UPS电源系统的可用性设计 程控交换机, 安防监控, 控制系统, UPS电源, 通信基站

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程控交换机、数据通讯处理系统、计算机、通信基站、安防监控系统等设备在运行中要求交流供电系统不能停电，为了提高这些设备工作的可靠性和可维护性，很多企业都对其配备了UPS电源系统。UPS(即Uninterruptible Power )电源系统由整流器、储能装置、逆变器和静态开关等几部分组成。目前，国内外市场上有很多种类的UPS系统，其主要功能与原理基本相同。
UPS主要由整流系统、储能系统、变换系统和开关控制系统四个部份组成，在电力供电系统供电时整流系统就是一个将交流电(AC)转化为直流电(DC)的装置，经滤波稳压后供给逆变器或者给储能系统充电，起到充电器的作用。储能系统是UPS用来储存电能的装置，它由若干个蓄电池串联而成，电池容量的大小决定了其维持放电(供电)的时间。储能系统的主要功能是在电力供电系统正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部;在电力供电系统故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。变换系统是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置，它由逆变桥、控制逻辑电路和滤波电路组成。
对于可维修的系统来说，还有一个可用性的指标，其定义是
A = MTBF / (MTBF + MTTR)
其中A是一个百分比指标，MTTR值得是平均故障修复时间。如果系统出现故障时可以非常快速的恢复，那么系统的可用性指标就比较高。对于电网这类对象来说，使用可用性指标可以更加直观的衡量其可靠程度。而对于在关键场合经常使用并联冗余配置来说，可用性指标比可靠性指标更具有现实意义。
可靠性/可用性指标都是统计意义上的概念，一个电源系统的可靠性/可用性与构成系统的各个模块的可靠性/可用性之间也存在统计意义上的关联。
假设电源系统中存在两个电源模块，而这两个模块是并联工作的，其中一个和另外一个是互相独立的，见下面图中所示


那么考察这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可用性A1与A2的关系就有
Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)
另外一种可能是系统中这两个模块是串联的，见下面图中所示


那么这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可靠性A1,A2的关系就有
Asys = A1×A2
由于可用性肯定是处于0~1之间的数值，因此两个并联模块的总体可用性要高于各自的可用性，而两个串联模块的可用性要低于各自的可用性。
UPS电源的可靠性
从单个UPS的设计来说，可以把整个产品按照模块进行划分，下面图中是一个典型的UPS系统结构图


从图中可以看到，UPS各个模块之间的依赖关系比较复杂，但是还是可以分出串并联的关系如下
辅助电源与所有其他模块都是串联的，因此辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的最高可用性等级;
控制模块与除辅助电源之外的其他模块也都是串联的，因此控制模块的可用性也会直接影响到系统总体可用性设计;
对于负载端来说，能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块，而这两个模块是并联的;
PFC/整流模块与电池升压模块是并联的，之后再与逆变模块串联;
从能源提供者来讲，这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源，而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储，实际上也无法实现正常的UPS功能，因此市电-充电模块-电池也是串联的。这样可以画出整个UPS系统的可用性串并联路径图


从这一路径关系里可以看到，总共存在3条并联的路径，而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样，辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的，因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有最多的模块数量，也是可用性最低的一条路径。
要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点，如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案：一种是改进设计，提升MTBF;一种是对辅助电源也适用并联冗余设计，提升可用性;再一种是对UPS的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源，相当于把原来完全串联的路径改成并联。在UPS设计中可以混合使用这几种方式，由于上面三条可用性通路是并联的，而旁路通路本身是可用性最高的一条，因此最为推荐的设计就是优先提升旁路的可用性，对旁路单独使用一套辅助电源供电，并且这套电源的尽量采用简单的设计，以拥有高的MTBF。
控制模块同样也是影响到所有路径的关键点，也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法，也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块，并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样，旁路上的控制模块也要尽量简单，以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测UPS主控制模块的状态，如果发现主控制模块，则自动切换到旁路方式。此外，对于主控制模块来说也可以通过冗余的方式来提升可用性，比如采用双MCU结构，当一个MCU检测到另外一个MCU发生故障时可以接管另一个MCU的功能，或者采取紧急措施如转旁路来保证负载不断电。
对于UPS来说，电池是保证UPS能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键，但是串联环节最多，也恰恰是可用性最为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要超过0.15CC,这就意味着电池在UPS满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满，从这个意义上讲其可用性一般都在20%以下。但是由于电池并不是连续工作的，只要在电池放完前市电恢复，在重新充电的过程中也没有再发生断电，那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看，电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是很高的。
再重新来审视电池回路的可靠性，在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回，导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作，因此如果能够及时对充电器的状态进行监控，在发现充电器异常时及时报警，就能够避免充电器故障带来的问题，从而提升整个UPS的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题，但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换，也能够有效提升UPS的可用性。
UPS系统的可靠性
使用UPS电源系统时，不仅要定期对各主要元件进行检查，还要对UPS电池组的各个电池单元端电压与内阻进行检测。若发现其电池组的某个电池单元的端电压差值>0.4 V或者内阻>0.08Ω的时候，就应该断开工作异常的电池单元与电池组的连接导线，使用外置的独立充电器对工作异常的电池单元进行单独充电，将其充电电压(对12V蓄电池而言)保持在13.5~13.8 V之间，充电时间控制在10~12h.需要注意的是，UPS电源在使用过程中，电池组内的各个电池单元的充电会不一致，可能产生电池单元端电压以及电池内阻的不平衡。这些是无法依靠UPS电源系统内部充电回路对其充电而得到消除和校正的，若不及时对不平衡电池单元进行脱机均衡充电的话，可能导致上述问题更加严重。
为了解决这一瓶颈，可以在UPS系统中加入一个特性和电池互补的备用电源：在市电断电时的不需要很快反应，但是在长时间停电条件下能够持续提供电力，燃油发电机组就是最为合适的一个选择。因此在UPS系统配置上可以加入一个自动切换装置，在市电停电后切换到发电机组。这样一来能够极大的提升长时间断电条件下UPS系统的可用性。如此则UPS系统的可用性路径就成为


虽然在可用性路径里面多串联了一个市电与发电机切换用的ATS，增加了单调路径发生故障的概率，但是相对长时间断电带来的可用性问题来说还是值得的。
在UPS应用的另外一个分支是目前正在兴起的直流UPS系统。直流系统的思路是出于提高效率的目的，减少电源系统中间的转换环节，电力分配部分由原来的交流转换成直流。一个理想的直流UPS系统服务器应用从市电到12V终端的应用结构见下图。


可以看出，理想的直流UPS系统由于把交流系统中UPS的逆变环节与服务器电源中的PFC环节使用一个隔离型DC/DC环节来取代，从而可以改善效率。不过在直流UPS系统里面由于电池电压的变动范围是比较大的，为了取得更优化的效率曲线，在后级的服务器电源中也有可能使用两级结构。也就是通过一个简单的转换，减小服务器电源隔离DC/DC转换级的输入范围，以得到更好的节能效果。此时的结构见下图


在这种直流UPS体系里面，不存在交流UPS中的旁路回路了，只存在一个市电到电池回路，这个回路也兼有充电器的作用。因此从单个UPS的可用靠性角度考虑，直流UPS可靠性链路只有两条，其中一条是两级变换加上辅助电源与控制板，另外一条是电池，见下图所示


与交流UPS相比，直流UPS供电少了交流UPS的旁路回路，少了一个提升可用性的回路。但是电池是直接给负载供电的，可用性要高于交流UPS。因此在可用性的方面直流供电系统有得有失。但是另一个方面直流系统比交流UPS更容易进行并联，从而可以利用增加并联台数的方式增加可用性。
配电系统的可用性
对于一般的UPS系统应用来说，存在两种常见的配置方式，一种是双机热备份，见下图所示


这种配置方式下两台UPS是完全并联工作的。基于前面可用性的原理，第二种配置方式比第一种会有更高的可用性。
这里就反映了可用性与可靠性的一个明显不同。对于两台并联冗余配置的UPS，由于器件多了一倍，那么出现故障的概率也会增高，因此从统计意义上来讲整个系统的MTBF会下降。但是由于其中一台出现故障之后仍然有一台在工作，只要出故障的UPS能够很快修复，负载就仍然处在有效的保护之中，可用性是提升的。从负载的角度衡量，评估系统的可用性比可靠性更加有意义。
在可用性的定义中，电源系统恢复的时间越短，则可用性也会越好。因此把电源系统设计为模块化易更换的结构，可以大大减小维护时间，从而使得可用性显著改善。
对于机房应用的场合，双总线的概念应用十分广泛。对于关键的服务器负载，一般都提供两组电源输入。相应的，在配电部分就也可以对应采用两组独立的电源总线。结合UPS本身就支持双总线输入，实际上可以构造出很多种组合形式。对不同方式进行比较后，比较推荐的一种典型的结构见下图所示


这里把两组独立市电都供给两套UPS系统，然后每一套UPS系统作为一条总线来使用，可以充分发挥市电双总线，UPS内部双总线以及负载双总线高可用性的优势。
结论
本文对UPS内部设计，UPS系统以及配电系统的可用性进行分析，给出了提升UPS电源系统可用性的思路。通过分析结果可以发现在UPS中采用旁路与市电独立的电源，加入多CPU监控，加入电池监控等措施可以明显提升UPS的可用性。另外一方面在系统层次上，选择模块化的结构，缩短维修更换时间，更多使用并联结构，也可以明显提升可用性。