UPS冗余供电系统如何正确配置

UPS 冗余供电系统如何正确配置冗余供电系统如何正确配置 梅兰日兰电子梅兰日兰电子 中国中国 有限公司有限公司 张广明张广明 在 UPS 供电系统中 模块化冗余配置是可同时提高系统可用性 可维护性 可扩 充性的最有效的措施 但是在实际应用中由于存在着盲目的设备堆积 忽视可靠性瓶颈 设备使用不当等问题 系统的可用性并没有实现预期的目标 又由于系统的复杂性增加 不仅增加了一次性投入成本 维护成本和维护难度也明显地增加了 本文将针对与冗余系 统配置有关的错误观念和在实践中已发生过的问题进行讨论 一 模块化冗余系统对提高系统可用性的贡献一 模块化冗余系统对提高系统可用性的贡献 对于 UPS 供电系统 越来越多的厂商和用户已经形成这样一个共识 UPS 系统经过多 年发展 在其性能指标已完全满足计算机网络设备要求的情况下 真正能为用户带来价值 的是其可用性 供电系统可用性在概念上包含了设备的可靠性 可管理性和可维护性 可 靠性高 便于管理 故障后可快速修复等 都意味着给用户更多的正常使用时间 把故障 后不可用时间降到最低限度 系统可用性A t 的定义为 电子系统在使用过程中 尤其在不间断连续使用的条件下 可以正常使用的时间与总时间之比 系统可用性可用平均无故障时间 MTBF 是设备失效率 的倒数 和平均维修时间 MTTR 表示 即 1 MTTRMTBF MTBF A t 由公式 1 可以看出 要提高系统的可用性 最根本的两项措施是提高设备的可靠性 和降低系统故障修复时间 要提高设备的可靠性 通常的做法是 采用先进的主电路结构和控制技术 对整机做 专门的可靠性设计 包括控制电路的可靠性设计 功率电路和功率器件的可靠性设计 提 高功率器件的规格和档次并降容使用 热可靠性设计 耐环境可靠性设计 电磁兼容可靠 性设计 安全性可靠性设计 严格生产工艺 加强质量管理等 但是 组成 UPS 主机的上 千个元器件和几千个接点 在可靠性模型图上是串连的 整个系统的可用性是这些器件和 接点可靠性的乘积 所以以上措施对提高设备的可靠性虽然是有效的 但效果是有限的 鉴于以上情况 UPS 厂商开始在 UPS 系统配置方案上探讨提高系统可用性的途径 虽 然 UPS 产品本身的可靠性设计是提高可用性的关键 但是合理的 UPS 系统配置和使用方法 也可大大提高整个 UPS 供电系统的可用性 所以系统配置方案也是 UPS 可用性设计的一个 重要内容 在这方面最大的技术突破是 UPS 的模块化冗余并机技术 如图 1 所示 这里要说明的是 模块化冗余系统的定义应该是 系统中 一个设备整机或者一个完 整的功能模块可以在不影响系统正常运行的情况下维护或更换 则这个系统就叫模块 化冗余系统 UPS 冗余并机应具备的条件是 输出可直接并联 在系统容量备份情况下可脱机维护 UPS 整机在具备了以上条件时 就可组成图 1 所示的模块化冗余并机系统 整机本身 在系统中就是一个模块 但是故障后脱机维护的时间 MTTR 可能很长 甚至还包括厂商对 故障反映的时间和备件储备发运的时间 UPS1 UPS2 输入 配电 输出 配电 UPS1 UPS2 输入 配电 输出 配电 UPSn a 1 1 模块化冗余并机 b n 1 模块化冗余并机 图 1 模块化冗余并机系统 把一台整机按功能分割成几个完整的模块 然后组成一个完整的 UPS 整机系统 这就 是当前已被用户认可并广泛应用的 模块化 UPS 与整机并机系统相比 它的最大的优点 是可用插拔的方法把故障脱机维护时间 MTTR 缩到最短 在用户现场有备件的情况下 可 将此时间缩短到 1 小时 仅就 UPS 冗余并机环节 用图 1 的可靠性模型就可看出模块化冗余系统对提高系统可 用性的贡献 图 1 a 两台都故障时则系统故障 可用性模型如图 2 所示 A1 A2分别是 UPS1 和 UPS2 的可用性 则系统的可用性 21 111AAA 当 A2 A1时 2 2 1 11AA 图 1 b 在满负荷时任意两个模块发生故障 则系统故障 可用性模型如图 3 所示 由图 3 可以看出 4 1 冗余并机系统相当于 10 个 1 1 冗余并机系统的串联 如果每个 UPS 的可用性都相同并都等于 A1时 系统的可用性为 3 10 2 11AA 假定 UPS 单机 或模块 的 MTBF 10 万小时 平均维护时间 MTTR 8 小时 而模块化可插 拔的平均维护时间 MTTR 1 小时 则对系统可用性计算结果如下表数据 可用性 A t 100 负载 75 负载 50 负载 单机 MTTR 8h MTBF 10 万 h 0 99990 99990 9999 单机 1 1 MTTR 8h MTBF 10 万 h 0 999999990 999999990 99999999 单机 4 1 MTTR 8h MTBF 10 万 h 0 99999945 1 1 模块化 4 1 MTTR 1h MTBF 10 万 h 0 999999995 1 1 值得注意的是 单机和单机 1 1 冗余的可用性都与负载量无关 而单机 4 1 冗余 的可用性则与负载量有关 75 负载时系统变成 3 2 50 负载时系统变成 2 3 所以可 用性随负载量减小而变高 可插拔模块系统的可用性除了与负载量有关外 还因为故 障修复时间可降到 1 小时 所以系统可用性更高 图 4 是不可用性 1 A 与 MTBF 和 MTTR 的关系的计算曲线 更明显地显示了 MTTR 和 MTBF 对可用性的影响 UPS1 A1 UPS2 A2 图 2 1 1 冗余并机可用性模 型 UPS1 A1 UPS2 A2 UPS1 A1 UPS3 A3 UPS1 A1 UPS4 A4 UPS1 A1 UPS5 A5 UPS2 A2 UPS3 A3 UPS2 A2 UPS4 A4 图 3 4 1 冗余并机可用性模型 UPS4 A4 UPS5 A5 UPS3 A3 UPS5 A5 UPS3 A3 UPS4 A4 UPS2 A2 UPS5 A5 二 市电冗余和二 市电冗余和 UPSUPS 双输入问题双输入问题 在新建和改建的计算机供电系统中 大都不同程度地采用了 UPS 模块化冗余并机方案 但是在已投入运行的系统中 却存在着一些需要讨论的观念和问题 双市电冗余输入 或市 电加油机 与 UPS 双输入的方案就值得讨论 如图 5 所示 图 5 a 中 UPS 是双转换电路结构 主电路和静态旁路可以分开输入 市电 2 为主电 路供电 市电 1 为静态旁路供电 主电路逆变器工作频率跟踪旁路市电 此系统在结构上 是可行的 但从冗余功能来看 却明显地存在着以下几个问题 1 如图 5 b 所示 当市电 1 故障掉电时 UPS 主电路继续工作 但系统失去了转旁 路的功能 要知道 可靠性 MTBF 是在 UPS 在带转旁路功能的情况下得出的 UPS 主电路与 静态旁路是冗余配置 失去转旁路功能会大大降低 UPS 系统的可靠性 典型的数据是 如 果带转旁路功能的 UPS 的 MTBF 值为 15 万小时 不带转旁路功能时仅有 3 万小时 2 如图 5 c 所示 当市电 2 故障掉电时 UPS 主电路会转电池逆变工作 在系统有 双路市电输入的情况下 电池的备用时间通常都在 10 30 分钟范围内 如果电池放电结束 而市电 2 仍未恢复 则 UPS 就转旁路由市电 1 供电 其结果一是负载直接由质量不高的市 电供电 二是 UPS 因电池放电终结而失去不停电供电功能 在整个过程中 UPS 只相当一个 可延时不间断转换的静态转换开关 STS 总之 两路市电本来是冗余的 但任何一路掉电都会使系统工作不正常 甚至使 UPS 系统失去不停电供电功能 MTTR 0 5h MTTR 1h MTTR 2h MTTR 4h MTTR 8h MTTR 10h 图 4 系统不可用性 1 A 与 MTBF 和 MTTR 的关系的计算曲线 UPS静态旁路 UPS主电路 市电输入1 市电输入2 a UPS 双输入接法 无转旁路功能 的UPS 市电输入市电输入市电输入市电输入1 1 1 市电输入2 b 交流输入 1 掉电时的系统状态 可延时 电池供电 时间 不间断转换 的STS 市电输入1 市电输入市电输入市电输入市电输入2 2 2 c 交流输入 2 掉电时的系统状态 图 5 UPS 双输入连接和市电冗余问题 市电输入1 市电输入2 ATSUPS d 双路市电的正确接法 要解决以上问题 正确的配置应该是在两路市电后先加入自动转换开关 ATS 如图 5 d 所 示 这样才能在不对 UPS 系统产生任何影响的情况下实现双路市电冗余 图 6 是用 UPS 双输入实现市电冗余的典型错误案例 此系统设计的主要依据和设计思路是这样的 系统要求 四路负载由独立的四路主供电 UPS1 UPS4供电 输入由双市电通过 ATS1 冗余 然后再与油机通过 ATS2冗余 设计思路 双路市电通过 ATS1冗余后直接向四路主供 UPS 的主电路供电 油机与冗 余的市电再通过 ATS2冗余向四路主供 UPS 的静态旁路供电 为了解决 UPS 转旁路后的质量问题 在 ATS2后再加一台与四路主供 UPS 同容量的 UPS5 设计认为此设计方案的巧妙之处就在于只用了 5 台 UPS 就实现了四路独立运行的 UPS 的冗余问题 图 6 设计通过了方案评审并进入采购招标阶段 但存在的问题是严重地并且是显而 易见的 1 此方案采用了串联热备份方案 如图 7 所示 与均流直接并机相比 其不利因素有 UPS 工作寿命低 一台连续满负荷工作 电池利用率低 对 UPS 输出负载阶跃性能要求高 等 因而已不大采用了 2 由于 UPS5与其它四路主供 UPS 规格容量相同 所以只允许一路主供 UPS 转旁路 此时其它三路失去转旁路功能 系统可靠性降低 有两台 UPS 需要同时转旁路时 则这两 路 UPS 直接宕机 3 如果 UPS5 故障 则使四路主供 UPS 都失去转旁路的功能 如果 UPS5 转旁路工作 则不再保证四路主供电 UPS 转旁路时的供电质量 4 当两路市电同时故障掉电时 四台主供电 UPS 都进入电池逆变状态 待电池能 量放到最低下限时 尽管油机已经启动正常 但是由于备用 UPS5的容量有限 所以四台主 供 UPS 都宕机 停止对负载供电 柴油发电机等于虚设 是 UPS5阻断了它的能量的输出 三 双总线三 双总线 UPSUPS 系统的可靠性模型系统的可靠性模型 最高可用性级别的双总线系统最高可用性级别的双总线系统 柴油发 电机 市电1 市电2 A T S 2 A T S 1 输 入 配 电 U P S 5 旁 路 配 电 输出 配电1 输出 配电2 输出 配电3 输出 配电4 负 载 1 负 载 2 负 载 3 负 载 4 UPS1静态旁路 UPS1主电路 UPS2静态旁路 UPS2主电路 UPS3静态旁路 UPS3主电路 UPS4静态旁路 UPS4主电路 图 6 UPS 双输入配置错误案例 备份UPS 主UPS主电路 主UPS静态旁路 图 7 为了提高供电系统的可用性 大多数新建的数据中心 IDC 都采用了双总线UPS供电系 统 如图8所示 图8的上部分是当前比较常用的双总线配置方法 当然也还可以做些有益 的改动 特别是交流输入部分的ATS和输出部分的STS 增加设备和改变配置方法还可以进 一部提高系统的可用性 这里不做专门地讨论 本文要讨论的是UPS环节的可用性问题 人 们常常简单地认为只要是双总线就会勿容置疑地实现总线冗余功能 投入运行后才发现他 们的系统根本就达不到设计预期的效果 仅就UPS环节而言 问题就发生在两路UPS并没有 完全隔离 图8的下部分是UPS环节的可用性模型图 图中 A1是输入输出配电1 4的可用性 AU是UPS1和UPS2的可用性 由于UPS1和UPS2并不隔离 所以在模型图中又出现了 AU2 1 AU1 2 A3三个可用性参数 A3 总线同步器的可用性 由于输出端配置是的静态转换开关 STS 总线同步器可使 两路 UPS 输出电压同频同相 为 STS 的安全转换提供必要的条件 因为总线同步器的工作 状态同时与双总线的两路 UPS 有关 所以在可用性模型图中是单路经故障点 正因为两路 UPS 不能完全隔离 根据可靠性科学的相依性理论 于是就在 UPS 环节中还存在下面两个 可用性参数 AU2 1 由于UPS2故障而引起的UPS1故障的等效可用性参数 AU1 2 由于 UPS1 故障而引起的 UPS2 故障的等效可用性参数 尽管 AU2 1 AU1 2还没有可量化的参考数据 但在系统实际运行中 由于一台 UPS 故障而 诱发另一台同时故障的现象却是屡见不鲜的 系统恢复后又发现被诱发故障的一台又是一 切正常的 甚至找不出故障的原因 采用图 9 配置可使双总线系统的可用性达到最高级别 此方案设计的要点是 1 由于当前的 IT 负载设备绝大部分是实现了双电源供电 所以可用双路电源直接输 入 而无需再加转换开关 STS 2 对于少数的单电源负载 可用小功率 3KVA 的 ATS 或无需输入同步的小 STS 由于不需要两路输入同步 所以就可去掉双总线中的总线同步器 小 ATS 的转换时间可做 到 10ms 丝毫不影响负载的正常运行 3 市电 冗余 输入后 与油机用两个 ATS 实现冗余 从图 11 可以看出 对于少数单电源负载 只有一个单路经故障点 ATS 而对于大 多数双电源负载 则实现了两路供电的完全隔离 如果每路的可用性为 4 个 9