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UPS冗余并机电源系统的可靠性分析

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来源: 作者: 2019-03-21 11:43:27

1 冗余并机系统的特点

当采用UPS向络设备供电时,一旦这台UPS出现故障而断电,整个络就会瘫痪。这就是UPS的单路瓶颈,此时最好的解决措施就是采用冗余技术。具体的冗余方案主要有主从式冗余、并机式冗余和切换式冗余三种方式。在这三种方式中,并机式冗余系统的可靠性最高,即由两台或两台以上的UPS并机同时向络负载供电,在容量上至少冗余一台UPS。当其中一台或冗余的几台UPS出现故障时,其他的UPS仍可正常向负载供电,这就大大提高了UPS电源系统的可靠性。这种允许一台以上单机发生故障的并机系统也称为冗余并机系统。

冗余并机系统具有以下特点。

(1)相位和幅值相同,以保证UPS之间无破坏性的环流产生。

(2)负载均分。UPS并机后,各UPS输出电流必须均匀分配。若n台UPS并机,必须保证每台UPS的输出电流是总输出电流的1/n,至少其相互之间的最大不平衡度在要求的范围之内(一般<2%)。因此,并机数量越多,发生故障的概率越大。

(3)统一切换。当UPS并机系统中任何一台逆变器出现故障(过载、短路或由于电池过放电而停止工作等)时,均不能将本身的负载单独转到旁路通道,而是将负载分配到与其并机的其他UPS中,只有并机系统中所有UPS的逆变器停止工作时,才转到旁路通道。

在UPS单机组成的冗余并机系统中,可以通过外加并机柜的方式并机,也可以把具有并机功能的UPS输出端直接并联。同一厂商的相同系列或相同型号的UPS产品更容易满足上述并机条件,因此在设计并机系统时,一般选用同一厂商相同型号的UPS产品。在UPS冗余并机系统中,除了输出端并联外,还包括整流器输出并联、蓄电池组并联等。有的UPS允许两台单机的整流器并联,以同时向两台单机的逆变器供电,并向几个并联的蓄电池组充电。

2 1+1冗余并机电源系统

当一台UPS完全满足负载功率的要求时,为了消除UPS输出的单路瓶颈,一般采用两台相同的UPS并机工作,组成1+1冗余并机系统。在工作过程中,一台UPS工作,另外一台UPS冗余,当一台UPS发生故障时,另一台继续供电。当两台UPS同时发生故障时,可经UPS静态旁路开关转到旁路通道。当一台单机失效时,1+1冗余并机系统给维修提供了宝贵的时间。1+1冗余并机系统一般都具有高级并机管理功能,使得整个并机系统的操作与单机的操作基本相同,即通过操作并机电源系统中的一台UPS面板,就可以控制整个并机电源系统。

3 1+n冗余并机电源系统

系统的冗余并机数量越多,系统的可靠性越高。那么到底冗余并机多少单机才合适呢?下面通过计算可靠性的主要指标—可靠度进行分析比较。1+n冗余并机系统的工作原理是:一台UPS工作,n台UPS冗余并机,即只要有一台UPS正常,就能保证系统正常工作。因此1+n冗余并机系统的可靠度为1减去所有单机同时失效的概率,其计算见公式1。

在公式1中,R(t)的取值为

[0,1],当n取[0,9]时,实际分布曲线如图1所示。

图1 1+ n冗余并机系统的可靠度

由图1可知,随着冗余并机数量的增加,1+n冗余并机系统的可靠度也随之提高,但是并非随n的增加线性地增长。随着并机数量的增加,1+n冗余并机系统的可靠度增长幅度逐渐减小,尤其当单机可靠度>0.9、n由1增加到2及以上时,系统总可靠度的增加幅度很小。另外,在1+n冗余并机系统中,当n≥2时,工程造价较高,一般的工程预算很难承受。因此,实际工程中很少采用1+2或n2以上的冗余并机系统,一般较多地采用1+1冗余并机电源系统。由于单机负荷率<50%的1+1冗余并机电源系统的可靠度增长幅度最大,故称其为“黄金冗余”。

4 n+1冗余并机电源系统

通过适当的冗余,UPS并机系统不仅能提高系统的可靠性,而且还可以用来扩充系统的容量。当必须由n台单机容量加起来才能满足负载容量需求时,称为n台扩容并机系统,如果为了提高系统的可靠性再增加一台单机进行冗余并机,则称为n+1冗余并机系统。当n+1冗余并机电源系统正常工作时,由n+1台UPS单机来平均分担负载电流。当一台单机失效时,其余的UPS将自动重新分担负载电流。为使n+1冗余并机电源系统具有上述“容错”功能,要求用户的最大负载量不应超过n台UPS单机的总输出容量。n+1冗余并机电源系统又叫做表决电源系统,在实际工程中广泛采用。

n+1冗余并机供电系统中有任何一台设备失效,系统都能正常工作。因此,n+1冗余并机系统的可靠度应等于n+1台单机全部正常工作的概率加上n+1台单机中任意一台单机发生故障而其他n台单机全部正常工作的概率。n+1冗余并机系统的可靠度计算见公式2。

在n+1冗余并机系统中,单机的可靠度R(t)的取值为[0,1],当n取值为[1,9]时,n+1冗余并机系统可靠度Rs的实际分布曲线如图2所示。

图2 n+1冗余并机系统的可靠度

从图2中可以看出:

ln越大,n+1冗余并机系统的可靠度越低。

l1+0曲线为单机的可靠度曲线。1+1系统曲线比1+0系统曲线有了大幅度提高,则说明在可靠度方面,n+1冗余并机系统比没有冗余的n台单机扩容并机系统有了较大的提高。

l当单机可靠度<0.5、n>1时,n+1冗余并机系统的可靠度小于单机的可靠度。当单机可靠度>0.9且n≤4时,与单机的可靠度相比,n+1冗余系统的可靠度有明显增加;当n≥5时,n+1冗余系统的可靠度一般小于单机的可靠度,这说明4台UPS单机扩容并机时就应该设置1台UPS冗余并机,同时还必须使UPS单机的可靠度>0.9。

l当2+1冗余并机系统的单机可靠度≤0.5时,2+1冗余并机系统的可靠度小于单机的可靠度,而当单机可靠度≥0.5时,2+1冗余并机系统的可靠度大于单机的可靠度。即只要单机可靠度>0.5,2+1冗余并机电源系统的可靠度就比单机有较大幅度的增加。

可见当“黄金冗余”1+1冗余并机系统不能满足负载容量的要求时,单机负荷率<67%的2+1冗余并机电源系统就成为最经济、可靠的选择。因此,在设计相同输出功率的电源系统时,首先应选用UPS单机容量大、可靠度高、扩容并机数量少的1+1冗余并机系统,其次为2+1冗余并机系统。一般不选用UPS单机容量小、可靠度低,并机数量>4的n+1型冗余并机电源系统。这是因为其存在故障率高、设备采购成本高等弊端。当为络服务器等重要负载供电的UPS并机台数增加到三台以上时,就应该采取分散供电,重新建设冗余并机电源系统。

5 n+m冗余并机电源系统

随着络设备的不断增加,对UPS容量的要求越来越高。大容量UPS的供电系统有两种构成方式:一是采用单台大容量UPS;二是在UPS单机内部采用功率模块组成n+m冗余并机结构。前者的缺点是成本高、可靠性差,一旦出现故障将引起供电系统瘫痪。后者的好处是提高了供电的灵活性和UPS的可靠性,不仅动态响应快,还可以实现标准化,更便于维修更换等。

当n+1冗余并机电源系统的可靠度不能满足要求时,应采用n+m冗余并机电源系统。n+m冗余并机是指在一个UPS单机内部采用n+m个相同的电源模块冗余并机组成UPS整机,其中,n为向负载提供额定电流的、扩容并机的模块个数,m为冗余并机的模块个数,也就是电源系统可以承受的同时发生故障的模块数。m越大,电源系统的可靠度就会越高,但UPS电源系统的成本也越高。在正常运行时,UPS由n+m个模块冗余并机向负载供电,每个模块平均负担1/(n+m)的负载电流,当其中某一个或k个

(k≤m)模块发生故障时,自动由剩余的n+(m-k)个模块继续均分负载电流,从而保证了络服务器等重要负载的不间断供电。其系统的总可靠度计算见公式3。

当单机可靠度R为0.9、0.8、0.7,n取值为[1,10],m取值为[0,10]时,实际分布曲线如图3、图4、图5所示。

图3 单机可靠度R为0.9时n + m冗余并机电源系统的可靠度

图4 单机可靠度R为0.8时n + m冗余并机电源系统的可靠度

图5 单机可靠度R为0.7时n + m冗余并机电源系统的可靠度

比较图3、图4、图5后可以看出:

l当n和m不变时,n+m冗余并机系统的可靠度受单机可靠度的影响较大。单机可靠度高,n+m冗余并机系统的总可靠度就高。例如,当R=0.9时,5+2冗余并机系统的可靠度为0.97;当R=0.8时,5+2冗余并机系统的可靠度为0.85。

l当n和系统的总可靠度不变时,冗余并机数受单机可靠度的影响较大。单机可靠度高,冗余并机数就少。例如,要求5台扩容冗余并机系统的可靠度为0.97,当R=0.9时,m=2;当R=0.8时,m=3。

l当R=0.9时,单机负荷率<80%的4+1冗余并机电源系统比单机的可靠度略有增加,4+1冗余并机电源系统与8+2冗余并机电源系统的可靠度略小。因此,对于逆变模块组成的n+m冗余并机的UPS电源系统来说,如果要保证系统的可靠度不低于模块的可靠度0.9,那么就应按照4:1的比例进行冗余,即电源系统模块的负荷率必须低于80%。

l随着m的增加,n+m冗余并机电源系统的可靠度初始增加较快,后期趋缓,即当m>n时,再继续增加m,对于提高n+m冗余并机电源系统的可靠度没有明显效果。因此,m的选取应根据n和R共同来确定,单机可靠度低,m就应该增加,一般来说m≤n,但当n增加时,m也应该增加。

6 结束语

综上所述,除了选择优秀的UPS主机以外,采用1+1、2+1或者n+m冗余并机电源系统是提高系统容量和可靠性的关键。单路瓶颈严重制约着UPS供电系统可靠性,而解决的惟一途径就是采用适当的冗余并机。当单机容量能够满足负载需要时,适合采用“黄金冗余”1+1冗余并机系统;当必须两台以上并机才能满足负载容量需要时,适合采用2+1或n+m(m≤n)冗余并机系统。

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