作者：克里斯-萊夫勒（Chris Loeffler）

伊頓公司刀片UPS及數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品經(jīng)理

    執(zhí)行摘要

    UPS（不間斷電源系統(tǒng)）在確保IT可靠性方面扮演著至關(guān)重要的角色。因此，它們自身的可靠性也同樣是一個關(guān)鍵的考量因素。一旦UPS發(fā)生故障，則執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的電力負(fù)載可能會有風(fēng)險(xiǎn)。

    那么，對于優(yōu)化UPS可用性，企業(yè)要采取哪些措施？根據(jù)本白皮書的內(nèi)容，對此問題的常見回答并非是最佳選擇。歸根結(jié)底，UPS的可靠性更多地有賴于電源系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，而并非UPS本身的設(shè)計(jì)（如UPS是否采用在線互動式或雙轉(zhuǎn)換技術(shù)）。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(hù)方案在內(nèi)的整體修復(fù)時間縮至最短，將冗余擴(kuò)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(tǒng)的觀念，闡述何以模塊化UPS設(shè)計(jì)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(chǎn)商用來測量和說明UPS可靠性的關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)。不過，用MTBF來預(yù)測UPS的可用性實(shí)際上卻難具說服力。

    為了說明這一點(diǎn)，我們來舉一個例子，假設(shè)一臺UPS的MTBF是200,000小時，非專業(yè)人士可能簡單地以為該設(shè)備可以無故障運(yùn)行200,000小時（約為23年）。但是，事實(shí)上UPS生產(chǎn)商不可能也不會對產(chǎn)品進(jìn)行為期23年的無故障運(yùn)行測試。相反，他們只是根據(jù)UPS組件的預(yù)計(jì)使用壽命先行計(jì)算出一個MTBF值。然后，在其出貨量增長到具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義時，會根據(jù)這批設(shè)備實(shí)際的性能數(shù)據(jù)替換到某些初步的預(yù)估值。盡管這些修正后的數(shù)據(jù)可能存在誤導(dǎo)性。比如，假如2,500臺UPS在5年的研究期內(nèi)運(yùn)行良好，那么得到的MTBF值可能會相當(dāng)高。但是，如果這些系統(tǒng)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(fā)生故障。

    而且，MTBF的測量至今還沒有一個通用的標(biāo)準(zhǔn)。多年來，許多的政府機(jī)構(gòu)不斷要求生產(chǎn)商根據(jù)最新版的MIL-HDBK-217F手冊提供計(jì)算數(shù)據(jù)，但是許多的商業(yè)客戶卻采用Telcordia (Bellcore) SR-332標(biāo)準(zhǔn)流程。近期，經(jīng)技術(shù)行業(yè)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這些測量方法雖然頗有用處，卻并非是制造商評定產(chǎn)品可靠性的唯一方法。也因此，如今的生產(chǎn)商逐漸將注意力放在了可靠性設(shè)計(jì)（DFR）上。過往標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注單個電氣組件及其與產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用的電路之間的關(guān)系，而DFR則側(cè)重于產(chǎn)品在各種條件下的預(yù)定或預(yù)期用途。

    不過，最終還是沒有對測量供電負(fù)載的UPS運(yùn)行情況給出一個標(biāo)準(zhǔn)方案。也因而，將一家生產(chǎn)商的UPS與另一家的UPS就MTBF數(shù)值進(jìn)行比較時仍很難實(shí)現(xiàn)。

    用可用性來測量關(guān)鍵電源后備系統(tǒng)更加具有實(shí)質(zhì)意義。鑒于UPS在數(shù)據(jù)中心所占據(jù)的重要作用，能否快速更換舊零件或故障零件就顯得至關(guān)重要。可用性表示的是MTBF與另一度量單位MTTR（平均故障修復(fù)時間）相互之間的關(guān)系。MTTR（平均故障修復(fù)時間）是指從發(fā)現(xiàn)故障、給予響應(yīng)到完全修復(fù)所需的耗時。

    可用性的數(shù)值一般由多個數(shù)字9構(gòu)成的百分比數(shù)表示，表明特定系統(tǒng)在一年使用期限內(nèi)正常運(yùn)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(yù)期宕機(jī)時間是4.2分鐘。

    然而，單獨(dú)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(yǎng)的耗時。如果一個系統(tǒng)每年都必須安排進(jìn)行檢查、重新校準(zhǔn)或常規(guī)維護(hù)，它實(shí)際的運(yùn)行可用性會比上面公式得出的數(shù)值來的低。

    UPS設(shè)計(jì)和內(nèi)部電源通路

    盡管UPS內(nèi)電源通路數(shù)量的增多會使成本增加，但是這可以確保一旦某些系統(tǒng)組件（譬如整流器、逆變器或內(nèi)部備用電池）發(fā)生故障，關(guān)鍵負(fù)載的供電免于中斷。

    UPS從設(shè)計(jì)類型上基本分為四類：

    ·         當(dāng)UPS檢測到停電故障時，后備式UPS可以切斷IT設(shè)備（ITE）的市電供電，為系統(tǒng)提供電源保護(hù)。不過，一些備用電源系統(tǒng)會在過壓或欠壓時提供局部的電源保護(hù)，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(hù)并不全面。

    ·         在線互動式UPS通常視情況適度調(diào)節(jié)電壓之后，再對受保護(hù)設(shè)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(xiàn)象和停電情況。

    ·         雙轉(zhuǎn)換UPS可以將關(guān)鍵負(fù)載與市電電源完全隔絕，從而確保為IT設(shè)備提供潔凈、可靠的電力。雙轉(zhuǎn)換UPS比后備式UPS和在線互動式UPS更耗能，因此它們在數(shù)據(jù)中心或設(shè)備間內(nèi)的散熱量更高。

    ·         帶有多運(yùn)行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS通常在高效模式下運(yùn)行，既省錢又節(jié)能。在保證供電質(zhì)量后，它們會自動切換至雙轉(zhuǎn)換模式的更高電源保護(hù)級別。此外，大多數(shù)帶有多運(yùn)行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS使用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件設(shè)計(jì)，通過縮短執(zhí)行維護(hù)和維修的用時來提高系統(tǒng)的可用性。

    這些UPS設(shè)計(jì)的不同之處在于其內(nèi)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(guān)同時控制。因此，如果電源開關(guān)故障，那么IT設(shè)備便會斷電。大多數(shù)的備用電源系統(tǒng)功率在2 kVA以下，因此故障只會對一部分的IT設(shè)備造成影響。

圖1：使用標(biāo)準(zhǔn)后備式UPS供電，一旦電源開關(guān)故障，則IT設(shè)備便會斷電。

    在線互動式UPS通常有兩條完全獨(dú)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(fā)生故障，則UPS將由電池供電以確保將所有連接的設(shè)備從容關(guān)閉。部分頂級的在線互動式系統(tǒng)也會包含一個靜態(tài)旁路通路，可以自動旁路UPS中發(fā)生故障的組件，將IT設(shè)備直接連接至市電電源。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)在線互動式UPS的電源通路

    大多數(shù)的雙轉(zhuǎn)換UPS有兩條電源通路，一條由市電電源或發(fā)電機(jī)供電，一條則由電池電源供電，此外UPS內(nèi)還包括：

    ·         自動靜態(tài)旁路開關(guān)可以旁路發(fā)生故障的整流器或逆變器，并由市電電源直接供電IT設(shè)備

    ·         手動維護(hù)旁路設(shè)備允許技術(shù)人員在不中斷受保護(hù)負(fù)載供電的情況下對系統(tǒng)進(jìn)行維修

圖3：標(biāo)準(zhǔn)雙轉(zhuǎn)換UPS的電源通路

    一些帶有多運(yùn)行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS除了具備標(biāo)準(zhǔn)雙轉(zhuǎn)換UPS的兩條電源通路之外，還包括一個自動維護(hù)旁路設(shè)備，可在UPS進(jìn)行維修或維護(hù)時自動旁路逆變器。此外，如果在模塊化冗余設(shè)計(jì)中使用帶有多運(yùn)行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS，它可以自動選擇是否要將負(fù)載連接旁路，確保在執(zhí)行維護(hù)時由UPS的備用電源供電系統(tǒng)。如此可以縮短MTTR，并降低維護(hù)和維修期內(nèi)宕機(jī)或意外斷電的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4：帶有多運(yùn)行模式的高效雙轉(zhuǎn)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(lián)電池組：使用單組串聯(lián)電池的UPS其無法正常供電負(fù)載的風(fēng)險(xiǎn)會大大加強(qiáng)。舉例來說，一臺大型的UPS有40個電池串聯(lián)連接（即一個電池的正極與相鄰電池的負(fù)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(dǎo)致UPS無法正常供電。如果在UPS上再額外并聯(lián)一串由40個電池正負(fù)級串聯(lián)連接的電池組的話，假設(shè)其中一串電池組發(fā)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(fā)電機(jī)供電或者從容關(guān)閉負(fù)載設(shè)備。

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

    ·         安裝發(fā)電機(jī)：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(fā)電機(jī)最為備用供電電源較為理想。

圖6：配有應(yīng)急發(fā)電機(jī)的UPS電源通路

    ·         確保UPS包含一個自動靜態(tài)旁路開關(guān)：在UPS內(nèi)部出現(xiàn)故障時或者由UPS供電的負(fù)載出現(xiàn)嚴(yán)重過載或短路情況時，UPS的自動靜態(tài)旁路開關(guān)會旁路整流器和逆變器，由市電電源或發(fā)電機(jī)直接向IT設(shè)備供電。在故障情況下，靜態(tài)旁路開關(guān)切換供電電源僅耗時3-8毫秒，因此不會影響IT設(shè)備的正常供電。

圖7：內(nèi)置靜態(tài)開關(guān)的UPS電源通路

    通過并聯(lián)安裝UPS提高可用性

    冗余的設(shè)計(jì)邏輯，不僅適用于電源保護(hù)方案，同樣亦適用于UPS設(shè)計(jì)。在電源設(shè)計(jì)中構(gòu)建多條電源通路能夠從根本上提高系統(tǒng)的可靠性。

圖8：系統(tǒng)和子系統(tǒng)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(diǎn)。第一點(diǎn)，串聯(lián)連接的電源通路組件（比如子系統(tǒng)A、子系統(tǒng)C和子系統(tǒng)D），削弱了系統(tǒng)的整體可靠性；第二點(diǎn)，并聯(lián)冗余的電源通路組件（比如子系統(tǒng)B），增強(qiáng)了整體可用性。這是因?yàn)椋�如果子系統(tǒng)A、子系統(tǒng)C或者子系統(tǒng)D有一個發(fā)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(lián)的子系統(tǒng)B，如果其中一個故障，則另外兩個組件進(jìn)行“接手”，確保整個系統(tǒng)如常運(yùn)行。

    換言之，“短板效應(yīng)”同樣適用于此：電源供應(yīng)鏈的最終性能受限于其最弱的一環(huán)。因此，在供應(yīng)鏈的每一點(diǎn)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(tǒng)通常包括了從總電源至用電負(fù)載的多條相互獨(dú)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(tǒng)，當(dāng)組件發(fā)生故障或者進(jìn)行例行維護(hù)時都不會導(dǎo)致IT設(shè)備關(guān)閉。

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

    并聯(lián)UPS架構(gòu)

    在UPS行業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)并聯(lián)部署的方式有很多。最常見的兩種方式是串并聯(lián)組合部署的架構(gòu)或者是全冗余并聯(lián)部署的架構(gòu)。

圖10：正常運(yùn)行（上）和存在故障運(yùn)行（下）的串并聯(lián)組合部署的系統(tǒng)架構(gòu)

    當(dāng)需要使用兩個不同型號或者是由兩個不同廠商生產(chǎn)的UPS系統(tǒng)支持基本負(fù)載時，有時會使用串聯(lián)冗余的配置架構(gòu)，它們無法在冗余配置中并聯(lián)。但是使用串并聯(lián)組合部署的架構(gòu)可以幫助你克服這種限制。

    不過，采用串并聯(lián)組合部署架構(gòu)的系統(tǒng)提供的冗余十分有限，同時還要求有幾件關(guān)鍵事件發(fā)生才能在故障期間為負(fù)載提供保護(hù)。這些事件包括：

    1.)     故障系統(tǒng)必須檢測到發(fā)生的故障

    2.)     故障系統(tǒng)必須能夠安全切換到系統(tǒng)內(nèi)置的靜態(tài)開關(guān)

    3.)     故障系統(tǒng)必須將故障組件從輸出電源總線上斷開

    4.)     備用電源系統(tǒng)必須能夠應(yīng)（負(fù)載供電）要求立即支持滿負(fù)載運(yùn)行

    此外，若采用串并聯(lián)組合部署架構(gòu)的系統(tǒng)，用戶還需承擔(dān)無負(fù)載UPS的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。

    一般來說，全冗余并聯(lián)架構(gòu)具備的可靠性更高，不過這也取決于其實(shí)施的形式。某些UPS聲稱具有并聯(lián)架構(gòu)，但實(shí)際上只是有限的幾個組件進(jìn)行并聯(lián)。這也就是說，雖然在一個類似的零件出現(xiàn)故障時系統(tǒng)可以提供一定的冗余，但是系統(tǒng)中沒有獨(dú)立的子系統(tǒng)。一旦子系統(tǒng)發(fā)生故障，那么整個UPS便需要關(guān)閉進(jìn)行維修。

圖11：部分內(nèi)置冗余的并聯(lián)架構(gòu)

    其它的UPS設(shè)計(jì)還包括帶有獨(dú)立子系統(tǒng)的UPS和帶有點(diǎn)對點(diǎn)并機(jī)能力的UPS，就是說由UPS自身進(jìn)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(lián)架構(gòu)的設(shè)計(jì)旨在不增加降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的情況下盡可能地消除單點(diǎn)故障。因此，并聯(lián)架構(gòu)可以使用獨(dú)立子系統(tǒng)和點(diǎn)對點(diǎn)控制，提供最少故障點(diǎn)最高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 

圖12：每個UPS帶有點(diǎn)對點(diǎn)控制和獨(dú)立子系統(tǒng)的并聯(lián)冗余架構(gòu)

    當(dāng)然，組件數(shù)量和連接點(diǎn)較多的并聯(lián)冗余UPS配置其潛在的故障點(diǎn)也更多，因而MTBF較短。也因此，IT經(jīng)理時常會認(rèn)為，如果并聯(lián)架構(gòu)中UPS的數(shù)量越少，那么系統(tǒng)的可靠性也就越高。雖然向UPS架構(gòu)不斷增加組件，終究會達(dá)到回報(bào)趨減的一個點(diǎn)，但是，相對于配置較少UPS的系統(tǒng)，一個設(shè)計(jì)謹(jǐn)慎、包含更多UPS的系統(tǒng)必然會提供更高的可用性。

    為了說明這一點(diǎn)，我們假定兩個采用并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)樣本為60 kW負(fù)載提供保護(hù)。第一個架構(gòu)包含2個傳統(tǒng)的60 kW的UPS，第二個使用的是6個由模塊化標(biāo)準(zhǔn)組件構(gòu)成的12 kW的UPS。

    現(xiàn)在我們假設(shè)下，如果發(fā)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(fù)載提供保護(hù)的架構(gòu)僅可由受過培訓(xùn)的專業(yè)人員進(jìn)行維修。即使專業(yè)的維修人員可以承諾在4小時內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場，系統(tǒng)宕機(jī)的總耗時可能也將達(dá)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(jī)時間可能就會延長至24小時。在這段時期內(nèi)，由于缺少UPS冗余，IT設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)就會很高。

    ·         反觀使用6個12 kW UPS的系統(tǒng)，其使用熱插拔電子組件和電池模塊，假設(shè)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(nèi)自行更換故障的組件。

圖13：兩個使用并聯(lián)冗余為60 kW負(fù)載提供電源保護(hù)的系統(tǒng)架構(gòu)

    電池方面的考量進(jìn)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(tǒng)架構(gòu)可能會因?yàn)殡姵叵嚓P(guān)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(tǒng)架構(gòu)，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(fēng)機(jī)、電容器等的電子機(jī)械組件同樣也是如此，所要考慮的一般都是UPS內(nèi)磨損零件或是消耗品。使用熱插拔件設(shè)計(jì)的UPS產(chǎn)品很少會發(fā)生宕機(jī)。因此，即使采用6個12 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)比采用2個60 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)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(shè)計(jì)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(yùn)行時間和使用壽命直接相關(guān)。

    后備式UPS會頻繁切換至電池供電模式，這會減少電池的運(yùn)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(tǒng)關(guān)閉。同時，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，會導(dǎo)致IT電源關(guān)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(hù)，然而當(dāng)在正常模式和調(diào)節(jié)模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時或者為應(yīng)對發(fā)動機(jī)啟動時的電壓不穩(wěn)定，必須依靠電池進(jìn)行供電。

    雙轉(zhuǎn)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(nèi)，UPS整流器和逆變器會共同調(diào)節(jié)輸出電壓，而不需要借助于電池進(jìn)行供電。此外，從正常供電模式轉(zhuǎn)換至電池供電模式的切換時間很短，因此不必?fù)?dān)心IT系統(tǒng)會出現(xiàn)供電中斷的情況。

    帶有多運(yùn)行模式的新型高效雙轉(zhuǎn)換UPS，其使用電池的時間和頻率與雙轉(zhuǎn)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(yùn)行模式下效率可高達(dá)99%。效率更高就相當(dāng)于電池的運(yùn)行時間更長，運(yùn)行溫度更低，這兩點(diǎn)都有助于延長電池的使用壽命。

圖14：不同UPS設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電源使用模式

    總結(jié)：電源系統(tǒng)可用性最大化的六個關(guān)鍵步驟

    1.       高品質(zhì)UPS的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：選擇資歷出眾、擁有諸多成功案例的業(yè)界廠商。UPS的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括內(nèi)置關(guān)鍵組件冗余，采用多條電源通路，使用性能優(yōu)越的組件，同時在生產(chǎn)過程中對質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

    2.       選擇內(nèi)置有多條電源通路的UPS：良好的UPS設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能提供多條電源通路進(jìn)行額外冗余，包括靜態(tài)旁路開關(guān)，手動維護(hù)旁路或自動維護(hù)旁路。

    3.       尋找可滿足您IT設(shè)備需求的UPS：一些UPS的價(jià)格雖低，但卻無法正常支援用電負(fù)載，這就會導(dǎo)致IT設(shè)備被重置、數(shù)據(jù)被破壞甚至設(shè)備被關(guān)閉。帶有多運(yùn)行模式的高效雙轉(zhuǎn)換UPS可以在IT設(shè)備和工業(yè)設(shè)備容許的電壓和頻率范圍內(nèi)對電源進(jìn)行很好地凈化。

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

    5.       注重可以縮短MTTR的各種特性：選擇模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，UPS應(yīng)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(yùn)行時間和使用壽命會相對縮減。帶有多運(yùn)行模式的高效雙轉(zhuǎn)換UPS使用電池的可能性更小，有助于延長電池的使用壽命。■