構建高可用UPS供電系統

    隨著近年來數據中心的大規模建設，傳統供電系統在大規模部署和運營中暴露的可靠性、維護性等問題日益突出，推動著用戶、設備商和方案設計公司合力進行供電系統的創新和優化，供電系統的建設思路逐步從傳統上關注可靠性轉移到保障可用性上來。那么為何要建設高可用供電系統，如何建設高可用供電系統，本文對此做出了一些探討。

    可用性綜合反映用戶的真實需求,可靠性是影響可用性的因素之一

    可靠性通過可靠度來衡量,可靠度的定義為:“給定系統在規定的工作條件下和預知的時間內持續完成規定功能的概率”。平均無故障工作時間MTBF ( 又稱平均故障間隔時間) 是決定電源系統可靠度的重要指標，MTBF可通過定量定時的工業試驗或理論計算的方式獲得。可用性是指產品在任一隨機時刻需要開始和執行時，處于可工作或可使用狀態的程度。可用性計算公式是：

    式中，MTBF(Mean Time Between Failures)是平均故障間隔時間，MTTR（Mean time to repair）是平均修復時間。

    可靠性的高低代表了電源系統是否容易故障。但是從實際應用的角度來說，任何設備都不可能保證在生命周期內完全不出故障，用戶希望的是設備盡量不出故障，即使故障了也不要因故障導致業務受影響；如果業務受到了影響，那么應盡快消除故障。相比之下可用性的定義相比可靠性范圍更加寬泛，對于可修復系統而言，它不僅涵蓋了設備是否容易出錯的問題，還涵蓋了設備是否容易從故障中恢復。很明顯可用性更加真實地反映了用戶的需求。

    在UPS行業，通常用幾個“ 9”來代表系統可用性的高低。它是指一年內，系統在線運行及可進行生產的時間比例。比如6個“9”(可用性可達到 99.9999%)，即每年可能存在的宕機時間少于 32 秒。UPS系統的目標是盡量提高 UPS 電源系統的可用性，減少來自市電的影響。

    提升供電可用性的途徑

    提高供電系統可靠性

    從可用性計算公式可以看出，提高可靠性是提高可用性的一個重要途徑。提高供電設備可靠性分四個層次：

    第一，設計標準級。在產品規劃設計階段，應充分考慮產品的可能應用環境，選定相應的設計標準。對產品使用時可能的電氣隔離、EMI/EMC、防雷、防浪涌、防噪干擾等電環境，防濕、防塵、防震、防腐等自然環境，及操作、維護、管理、搬運、安裝等的人環境有充分的評估，從而構建產品合理的設計框架。

    第二，器件級。在產品設計階段，嚴格篩選器件，配合最優電路設計，并反復模擬各種惡劣環境測試器件應力裕量，保障各類元器件的可靠運行。對于關鍵器件如電解電容，如果電路設計不夠優化，紋波電流過大，芯溫過高，壽命將大大縮減，從而導致設備可靠性降低。散熱風扇也要選擇穩定性好性能優異的廠家提供，防止風扇故障導致功率模塊溫度上升，影響正常供電。

    第三，部件級。部件的可靠性主要體現在它的穩定性和冗余性，在保證部件故障率降至最低的前提下，關鍵部件采用冗余設計是提高部件級可用性的最有效方法。

    第四，方案級。通過優化系統設計，使供電系統運行可靠穩定，并且具備容錯能力，整個供電路徑無單點故障點。圖1展示了一個無單點故障的冗余系統架構圖。該方案由兩套系統組成，在每套系統中，A4環節做到輸入冗錯，A5環節做到雙回路互為備份，A6使用模塊化UPS或者并機， A7為單電源負載提供雙路保障，如果有條件A1和A2環節采用雙路市電輸入，單供電系統做到可靠冗余設計，然后方案采用2N容錯設計，基本做到無單點故障點和在線維護。

圖1 無單點故障的冗余系統架構圖

    提高UPS供電設備的可維護性

    降低維護時間是提高可用性的另一重要途徑。模塊化設計可以有效改善易維護性，降低維護時間。UPS設備各個功能單元模塊化之后，故障之后只需更換上相應備件即可，大幅降低了維護的技術門檻，運維人員可自行更換維護。不但維護成本可有效降低，故障修復時間也可大幅縮短，從而將業務損失降到最低。另外，模塊化易于實現在線維護，即故障修復期間負載可以不斷電。如果需要斷電才能維護，就需要拉備用電源為負載供電，這樣維護非常復雜，而且維護時間很長。

    提高UPS供電設備的易用性

    易用性是供電設備“可用性”的升華，直接影響用戶的產品體驗。從用戶的角度看，需要從以下幾個方面改善：①易搬運、易安裝。這需要產品體積足夠小，重量足夠輕，并且是模塊化可分解，從而降低搬運和安裝的難度。此外UPS是否支持上下進線，是否支持并柜安裝等都將影響安裝的難度。②易擴容。數據中心一般都有未來的擴容計劃，以匹配未來的業務增長需要。而現網的UPS供電設備為了確保可靠性通常供電路徑非常復雜，牽一發而動全身，擴容非常不便，即使條件滿足也有負載斷電的重大風險。這樣的供電現狀顯然是不易用的。如果能夠像通信電源一樣，功率模塊可以熱插拔，擴容只需采購功率模塊在線插進去，那么擴容的易用性就可大幅改善。③易管理。UPS設備要高度智能化，各個供電節點做到可視化管理，便攜化管理。比如，可以開發手機APP進行隨身監控和管理。

    UPS供電系統可用性發展的歷程

    第一代UPS——動態UPS。其利用機械慣性儲能以及電動機、發電機的能量傳輸機制以提供短時間的不間斷供電，體積龐大、造價昂貴、噪聲巨大，猶如一個小型電廠。動態UPS的特征是占地面積較大，噪音大，不易維護和使用，接近一套工程設備。

    第二代UPS——工頻機。相比于動態UPS，其可用性提升主要體現在以下幾個方面：第一，體積變小，搬運和安裝難度降低；第二，備電時間可以由后備電池決定，從動態UPS的秒級備電上升到小時級；第三，可以對較差電網優化，如果一旦電網波動比較大，可以給后端設備提供相對穩定的電力供應。但是，工頻UPS依然存在一些問題：第一，運輸與安裝問題。工頻機因為體積龐大無法通過門和內置的升壓用變壓器重量太重無法使用電梯運輸等，導致安裝此類UPS經常要打墻安裝、吊車運輸；第二，維護問題，UPS主機類似黑盒設計，有任何故障或者異常都只能依托原廠家維修，運維人員不敢直接打開操作，時間響應慢，對業務影響大。

    第三代UPS——高頻機。高頻機的出現進一步提升了功率密度，體積減小了50%，從功能模塊上提升了維護性，縮短了MTTR時間，可在數小時內完成修復。重量較工頻機進一步降低，有效提升了工程的可安裝性。同時，高頻機也大都采用了全數字化的高集成化設計，在維護性方面也有較大改進。THDi可以做到5%以下，明顯減少電網的諧波污染，效率也進一步提升到92-96%，體現出其節能優勢。但是，對設備可用性的追求探索并未停止：單點故障是否可以排除？故障修復時間是否可以縮短至分鐘級？維護技術門檻可否降低至可以自行維護？

    第四代UPS——模塊化高頻UPS。高頻機技術的發展為UPS的模塊化架構提供了技術可能，結合類似通信電源的模塊冗余技術的供電架構，模塊化的高頻UPS得以實現。①可靠性大幅提高，常態工作的功率模塊、控制模塊實現全模塊化冗余，消除單點故障點。②經濟效益顯著，模塊化技術使得UPS效率上了一個新臺階，同時采用了通信電源成熟的智能休眠功能，讓UPS系統始終處于最佳效率點。③可維護性方面揭開了歷史嶄新的一頁，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。④在安裝、運輸上也體現出了模塊化的明顯優勢——各單元模塊化可拆卸。模塊化高頻機UPS的功率密度比上一代產品更高，占地面積更小。據考證華為的小系統模塊化UPS可以做到單柜300KVA以上。

    結語

    UPS供電設備的核心價值是保障高可用性，為用戶提供高品質、易用的不間斷供電從而確保業務的穩定運行，因此，對于數據中心UPS供電設備而言，我們需要轉換設計理念，從可靠性的點向可用性的面演進。而模塊化UPS相比傳統UPS在可靠性、易維護性、易用性等各個方面均有優異的表現，可更有力地保障業務的連續性與穩定運行，更契合用戶對于高可用供電的需求。<