UPS平均无故障时间MTBF计算.doc

UPS平均无故障时间MTBF计算实现UPS系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故障或间断的可能。50年代，第一台静态UPS系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构成。逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单独维持）。这种简单的UPS电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。逆变器的故障将直接导致负载失效。而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。在60年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载切换至备用电网供电电源。尽管备用电网供电电源远不如UPS那么可靠，但发生逆变器故障时，它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。这一新的结构，切实提高了总体可靠性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。带静态开关的新型UPS的可靠性，取决于备用电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。此外，本文（第4页）还阐述了，MTBFMAINS和 MTTRUPS对于UPS整体可靠性的影响。近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠UPS配置的需求已成千真万确的事实。特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的UPS这样的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用UPS的供电配置，正在成为当今的标准要求。本文阐述各种不同UPS配置的可靠性。整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其它部件的可靠性指标，源于资料MIL-HDBK-217 F (Not.2 1995) 中列举的可靠性数据。以下计算，在NEWAVE CONCEPTPOWER（概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。可惜，因NEWAVE公司的规定，不能公布这些统计资料。1.无静态旁路切换开关（SBS）的UPS单机 无静态旁路切换开关的UPS单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠性（见图1中的电气原理框图） 例：逆变器发生故障时，负载装置即失效。 UPS系统的可靠性 公式中所用的变量说明： MTBFSU：无静态旁路的单UPS装置，两次故障之间的平均时间 UPS： 无静态旁路开关单UPS装置的故障率 RECT： 整流器的故障率 BATT： 电池的故障率 INV： 逆变器的故障率 无旁路UPS系统的MTBF（即MTBFSU）的计算：MTBFUPS = 1/UPS UPS =RECT +BATT+INV (E.1)若按NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，RECT = 2010-6 小时-1；BATT = 10 10-6 小时-1；INV = 2010-6 小时-1，代入方程（E.1），则无静态旁路UPS系统的故障平均间隔时间 （MTBFUPS）MTBFUPS =20,000 小时2.带静态旁路切换开关（SBS）的单UPS 引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主UPS电源连接，就能大大提高单UPS的可靠性。 例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。负载将无间断地转接至电网供电电源。 公式中所用的变量说明： MTBFUPS+SBS：带静态旁路开关（SBS）的单UPS装置，两次故障之间的平均时间 MTBFM：电网供电电源，两次故障之间的平均时间 UPS+SBS: 带静态旁路开关的单UPS系统的故障率 SBS：含控制电路的静态旁路开关的故障率 PBUS：并联总线的故障率（仅适用于并联系统） M：电网供电电源的故障率 UPS系统的可靠性 SU:静态旁路开关的修复率（SU = 1/ MTBFUPS） M:电网供电电源的修复率（M = 1/ MTBFM） MTTRSBS: 静态旁路开关的平均修复时间 MTTRM:电网供电电源的平均修复时间 注意，所有的计算，都采用以下的常数进行： MTBFM = 50 小时， 该指标表示“优质”的电网供电电源 MTTRUPS = 6 小时 MTTRM = 0.1 小时 此外，根据NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电子线路引起的静态旁路开关故障率，取 下列数值：SBS = 210-6 小时-1 带静态旁路开关的UPS系统的MTBF（即MTBFSU+SBS）的计算： MTBFUPS+SBS = 1/UPS+SBS UPS+SBS =UPS/M+SBS (E.2) UPS+SBS =UPS/M+SBS = 610-6 小时-1+ 210-6 小时-1 = 810-6 小时-1 MTBFUPS+SBS = 125,000 小时注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的UPS系统的可靠性（即MTBFSU+SBS）取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS的MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。其关系曲线示于图3中。3.带静态旁路切换开关（SBS）的并联冗余的备用UPS引入并联冗余配置，能够大大地提高单个UPS 的可靠性。图4 （n+1）并联冗余UPS配置的电气原理框图和可靠性框图。UPS系统的可靠性(n+1)并联冗余UPS系统的MTBF（即MTBF(n+1)UPS+SBS）的计算：我们将从计算故障率的公式着手：(n+1)UPS+SBS =(UPS1/UPS2UPS(n+1)+(n+1)PBUS+(SBS1/SBS2/SBS(n+1) (E.3)故障率： (n+1)UPS+SBS (n+1)PBUS (E.4)可靠性： MTBF(n+1)UPS+SBS = 1/(n+1)UPS+SBS (E.5)利用率： A(n+1)UPS+SBS = MTBF(n+1)UPS+SBS / MTBFUPS+SBS +MTTRUPS (E.6)（译者注：公式（E.6）有误，分母上似乎应加括号。原文如此）(n+1)并联冗余UPS系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行总线是唯一的单点故障。 在并联冗余UPS系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。这里，将采用下列常数，对并联冗余UPS系统进行一些计算：MTBFM = 50 小时， 该指标表示“优质”的电网供电电源PBUS = 0.410-6 小时-1 并联冗余配置可靠性(MTBF)故障率()(1+1)冗余配置1,250,000 小时0.810-6 小时-1(2+1)冗余配置830,000 小时1.210-6 小时-1(3+1)冗余配置625,000 小时1.610-6 小时-1(4+1)冗余配置500,000 小时2.010-6 小时-1(5+1)冗余配置420,000 小时2.410-6 小时-1表1 （n+1）冗余配置的MTBF及故障率，n=1,2,3,4 和5 结论在单UPS电路结构（整流器，电池及逆变器）的情况下，UPS的可靠性主要取决于逆变器的可靠性。通过引入静态旁路开关，即备用的电网供电电源，假如电网供电电源的MTBF为50小时（优质），而UPS的MTTR为6小时，则可靠性将提高6倍。可惜这一可靠程度仍然不足，因为它仍在很大程度上取决于电网原先的可靠性，依赖于售后服务的质量（回应客户的速度，交通耗时，修理时间等）。现代紧要的用电设备，对于可靠性的要求极其苛刻，不能受制于电网质量和修理时间。为克服原始电网的制约，我们建议采用（n+1）并联冗余UPS配置。传统的独立（n+1）并联冗余UPS配置，有一个缺点，即UPS的修理时间较长(通常6-12小时)。采用了模块化可带电更换的（n+1）并联冗余UPS系统，要求苛刻的负载设备就完全不受电网影响：不必将其余UPS模块转接到原始电网，就能更换故障UPS（带电更换）。而且，更换模块最多只需0.5小时。这与传统的并联系统相比，极大地减少了修理时间。UPS系统的可靠性以下将介绍一个例子，对几种不同的UPS配置进行比较，它说明，正确选择系统/配置，对于可靠性和利用率，会带来多么大的影响。举例： 传统的独立（1+1）冗余UPS配置与模块化（4+1）冗余UPS配置，在利用率方面的比较图5给出了两种冗余UPS配置的框图。左面的系统为，由传统独立UPS组成的（1+1）冗余配置，而右面的系统为，由模块化可带电更换UPS组成的（4+1）冗余配置。评价UPS配置的可靠性时，利用率(A)是一个重要的参数。A的定义如下：UPS系统的可靠性由公式（E.7）可见，一个UPS的可靠性，取决于：MTBFUPS = 某一UPS配置，两次故障之间的平均时间 MTTRUPS = UPS的平均修复时间。表2所示，为图5中的两种UPS配置，利用率之间的比较。注意，这里考虑两种情况：情况1：两种UPS配置，具有相同的平均修复时间：MTTRUPS = 6 小时情况2：对传统独立UPS配置：MTTRUPS = 6 小时，而可带电更换模块化UPS配置：MTTRUPS = 0.5 小时（1+1）冗余配置（4+1）冗余配置情况1MTBF1,250,000 小时500,000 小时MTTR6 小时6 小时利用率0.9999952 (5个9)0.9999888（4个9）情况2MTBF1,250,000 小时500,000 小时MTTR6 小时0.5 小时利用率0.9999952 (5个9)0.9999990（6个9）说明：情况1：在两种冗余配置MTTR相同的情况下，（1+1）冗余配置的利用率高于（4+1）冗余配置。之所以 如此明显，是由于（1+1）冗余配置的MTBF高于（4+1）冗余配置。情况2：具有较长MTTR的（1+1）冗余配置的利用率，可