UPS技術發展趨勢與應用中的問題

2019-11-03 09:58:14

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張廣明　中科院計算所

　　張廣明中科院計算所研究員，中國電源協會副理事長兼交流穩定電源專委會主任委員。

　　摘要 UPS是供電系統的核心環節，可靠性是當前UPS供電系統的主要矛盾，本文列述了UPS及以其為核心的供電系統的技術現狀和存在的問題，并在此基礎上論述了提高系統可用性的理論和相應的措施。

　　關鍵詞 UPS 供電系統可用性

　　1 引言

　　UPS（不停電供電系統）及以它為核心的供電系統被設置在市電電網與負載設備之間，目的是改善對負載的供電質量，并在市電故障時，保證負載設備的正常運行。市電電網容量的不足，輸變電和配電設備的質量問題，各用戶負載設備配置的不合理性，設備之間的相互影響，以及供電系統中各類非線性負載的增加，電力電子變流裝置的廣泛應用等因素，使配電系統終端的供電質量不斷惡化。如市電電壓的升高、降低和斷電、閃變浪涌以及尖峰脈沖干擾等問題，還有意外的自然或人為的事故，如地震、雷擊、輸變電系統因人為原因造成斷路或短路等，都會危害電力的正常供應，從而影響負載設備的正常運行。使一些對供電質量敏感的重要負載設備的性能降低，壽命減少，業務中斷，造成重大的經濟損失。一個企業電子商務的中斷意味著：嚴重影響機構聲譽、降低辦事機構的辦事效率、信息溝通發生障礙；在現代化的醫院中，搶救監護病人主要依靠電子監測儀器，而電源的事故會造成生命的危險；一個工業流程控制系統中斷意味著：生產中斷、在制品報廢、設備損壞，如果產品有市場期限的話，如像經營一份過期的日報，其經濟損失是可想而知的；一個金融服務部門的業務中斷意味著：造成金融秩序陷入混亂狀況，用戶的利益受到損失、金錢的損失、信譽的喪失；宕機對網絡系統的影響：一個網站宕機，一個潛在的用戶在8s內離開、一個路由器宕機，局域網上可能有幾百個用戶無法工作；一個光釬室宕機，可能有幾千個用戶斷開網絡連接。

　　UPS是為了解決供電系統存在的問題應運而生的，它的產生至今已經歷了40多年的歷程，在這個慢長的過程中，UPS設備的技術水平和功能在不斷的變化著，近年來，隨著半導體工業、電子電路技術和網絡技術的迅猛發展，UPS設備技術本身也在不斷的進步和改善著。在UPS設備中，由于采用了以微處理器為核心的數字信號處理（DSP）技術、高速網絡通訊及高可靠的CAN 網絡技術為代表的軟件可編程技術，以及Delta變換電路結構、輸入功率因數校正（PFC）技術、智能化故障自診斷技術、智能化電池充放電管理和電池性能預測技術、遠程網管型UPS監控技術、圖型化輸出的人-機對話型菜單操作的液晶顯示技術等為代表的UPS設備新技術新工藝的開發和應用，使得當今UPS設備無論是在輸出容量上，還是在基本性能、智能化管理和可靠性、可維護性和可管理性上，都獲得了長足的發展和進步。如今它已經不是一個簡單的電網停電后可以繼續維持向負載供電的設備，它還肩負著全面改善供電質量，并通過智能管理、智能監控和網絡通訊實現對整體電力基礎實施的保護，成為一個有強大管理功能的信息技術設備，已經完全熔融于企業信息系統，并成為其中不可缺少的一部分。

從應用的角度看，UPS功能的變化經歷了三個階段，如圖1所示。

　　第一階段：市電掉電時，保護負載硬件設備；

　　第二階段：市電掉電時，保護負載設備運行的數據；

　　第三階段：在市電正常和掉電等各種情況下，保證供電系統正常運行。

　　第三個階段從20世紀90年代中期開始變得愈來愈重要，隨著信息技術的高速發展和網絡時代的到來，對以UPS為核心的整個供電系統的可用性、可維護性、可管理性和可擴展性也提出了越來越高的要求，越來越多的廠商和用戶已經形成這樣的共識：在UPS各種性能指標基本滿足計算機網絡設備供電要求的情況下，真正能為客戶帶來價值的是系統的可用性。用戶關心的重點開始從僅僅強調UPS本身由設計和制造決定的可靠性，轉移到由整個供電系統和服務決定的可用性上來。實際應用中的需要不僅是產生UPS設備的原因，同時它還規定著UPS技術進一步發展的方向，成為UPS技術發展的動力。本文將從UPS技術和應用的現狀談談UPS技術以及以它為核心的供電系統的發展趨勢，并就當前使用中存在的問題談談如何設計配置一個高可用的UPS供電系統，如何正確選用、配置和使用UPS設備。

　　2 UPS技術與應用的現狀和問題

　　UPS設備的產生和發展都是由應用的需要決定的，所以認真考察一下當前UPS技術與應用的現狀和存在的問題，對研究和確定它的技術發展方向，以及進一部提高應用水平是有必要的。下面通過對我國UPS技術和應用的市場調查，總結出以下十個方面的基本情況和問題：

　　（1）使用UPS以便提高供電系統的可用性的觀念已被絕大部分用戶接受，特別是在20世紀90年代中期以后，在國民經濟各個領域和部門新建和改建的供電系統中，可謂言者必稱UPS,說明廣大用戶對UPS供電系統對提高供電質量的重要性已經有足夠的重視，預示著我國UPS市場已趨于成熟。

　　（2）從對已經配置了UPS系統的運行情況和存在問題的調查，說明當前各個廠家生產的各種型號規格的UPS的輸出電性能指標基本上都能滿足對負載供電的要求。也就是說UPS的各項輸出電性能指標，諸如輸出穩壓精度、波形失真度、三相電壓平衡度、三相負載不平衡度、輸出電壓切換時間、輸出動態響應特性、輸出功率因數、頻率穩定度等多項指標，已經不再是影響負載正常運行的因素，自然也就不再是購置時衡量各種型號UPS性能優劣的主要標準了。

　　（3）供電系統的故障還是要發生的，這是個不爭的事實。用戶特別是運維人員感到，安全性和可靠性是當前UPS供電系統最主要的問題。因此，設計者在設計供電系統時，普遍對UPS采用了冗余熱備份配置，在選購UPS設備時，也把注意力從對UPS一般輸出電性能指標轉移到對輸出能力、可靠性和對電網環境適應能力等指標的考察上來，諸如工作效率、允許輸入電網電壓幅值變化范圍、輸入功率因數、輸入電流諧波成分、帶非線性負載的能力（限定的負載功率因數）、輸出電流峰值系數、過載能力，以及各種保護功能等；

　　（4）通過對供電系統故障情況的調查和分析發現，在系統故障中直接因為UPS設備的質量問題引起的占少數，而事故總數中的50—70%是由于配電系統中其它環節和設備的質量問題、安裝問題、人為操作和維護問題引起的，或者由于這些問題而誘發UPS產生誤動作乃至發生故障。由此可得出這樣的結論：UPS設備僅僅是涉及供電系統可靠性問題的因素之一，也就是說，僅僅提高UPS設備的可靠性，是不能從根本上解決整個供電系統的安全性和可靠性的；

　　（5）用戶特別是運維人員感到最困惑的事是，供電系統故障后，由于系統過于復雜、產品供應商反應速度、維修人員的技術水平和工作經驗、備件儲備和提供情況、故障原因的查找和分析，還包括系統中各種設備供應廠商之間的互相推諉等原因，使系統得不到及時迅速地修復，甚至找不到引發故障真正原因的結論。從可靠性科學角度講，這是系統的“可用性”問題。“可用性”的物理概念是：在規定的使用期間內，系統的正常運行時間與整個時間的比例。要提高系統的“可用性”，提高系統的平均無故障時間MTBF是有效的，但降低系統的平均修復時間MTTR更有效，也就是說，系統可以發生故障，但只要很快修復（例如幾十分鐘），“可用性”仍然可達到很高的水平，故障的損失就不會很大。UPS廠商和用戶都認識到，“可用性”才是最有價值的也是最終的可靠性指標。

　　（6）從已安裝使用的UPS供電系統的使用維護情況來看，UPS已經具備的智能管理和通訊功能沒有得到充分的發揮。當今的UPS已經從原來所謂的獨立電源設備發展成今天具有多種通訊方式管理和與IT系統無縫連接的網絡UPS。它擁有管理自己的軟件，可支持現行絕大部分的服務器操作系統安全關機。UPS經過自身的外設附件和通訊方式的擴展與完善，已經完全把自已變成了有強大管理功能的信息技術設備，已經完全熔融于企業信息系統，并成為了其中不可缺少的一部分。UPS可為用戶提供多種管理方式，由此而帶來的易管理、易操作、易集成等優點，可使系統管理員從繁重的傳統管理方式中解脫出來。通過UPS的軟件及附件的安裝和配置，真正做到無人值守，高度自動化。市電故障時，UPS關機軟件自動啟動，執行服務器安全關機，把服務器的全部數據存入硬盤，關閉服務器，最后關閉UPS，同時還會通過各種通訊方式通知用戶，如E-mail，呼機，短信等。但是在實際的運行維護中，權威人士的估計對UPS的智能通訊功能的應用率大概只有20%。究其原因，一則廠商，二則用戶，三則中間環節。但最重要最關鍵的原因是用戶，應用中的需要才是技術發展和推廣使用的根本動力。用戶處在不同行業和專業，本身又有不同的經歷，為此接受新鮮事物的能力和機會也不同，而且中國的信息技術發展很不平衡，有高有低，發展時間也不長，由此決定其UPS管理技術的應用水平相對不高。

　　（7）通過對多個UPS供電系統的調查，發現很多已經在運行的特別是在原系統基礎上改造的UPS供電系統在設計上不規范，系統配置不盡合理，存在著諸多隱患。諸如：

　　① 系統中所有設備和環節都是串連的，形成多個單路徑故障點；

　　② 系統中各相接的設備輸入輸出阻抗不匹配，相互影響或者不得不降容使用；

　　③ 系統中因配置了輸入諧波電流大和啟動沖擊電流大的設備，不僅污染電網，而首先是在系統內部形成嚴重的相互干擾；

　　④ 系統中電力傳輸線（包括數據傳輸線）過長和布局零亂而易產生干擾和發生人為事故；

　　⑤ 系統中各種設備供應商過多，品牌雜亂，給安裝維護和故障后修復帶來困難；

　　⑥ 系統中配置了大量的斷路器，或者因為質量問題，或者因為保護電流動作值不準確，或者因為容量和時間前后級配置不合理（容量應大帶小，時間應慢帶快），使系統發生不明的故障，或者局部負載故障造成大面積停電；

　　⑦ 系統中零地電壓差過大，究其原因有電網進線本身已存在零地電壓差，或著系統接地系統不符合標準，或者系統中諧波電流大地線長而截面小等；

　　⑧ 有的系統中配置有漏電保護器和繼電保護器等對電壓波動和電流諧波干擾敏感的器件，當電網電壓波動、系統中諧波電流大、設備啟動產生電流沖擊、負載局部故障等現象時，都可能引起這種器件動作而使系統停電。

以上這些現象都是造成系統故障的直接因素。

　　（8）采購配置UPS設備時的錯誤觀念和誤導。由于大多數用戶是第一次在供電系統中配置UPS設備，對UPS的特性和功能了解得不夠全面，因而在選購時存在著錯誤觀念和誤導，表現在以下幾個方面：

　　① 確定選用UPS的性能標準時，不是從UPS的輸出電性能指標、輸出能力和可靠性指標、對電網的適應能力、系統配置能力、智能管理和通訊功能、可維護性和可擴充性等方面對其進行全面的考察，而是脫離負載的實際需要特意追求某些性能的高指標，特別是把廠家宣傳的產品能達到的最高指標做為自己選用的標準；

　　② 過分追求UPS常規輸出指標的高標準。這樣做沒有必要的原因有兩點，一是計算機類的負載的輸入端都是脈寬調制開關電源，對輸入交流電的要求是不高的。二是UPS任何輸出指標的提高都是要以付出提高成本和降低可靠性為代價的；

　　③ 簡單地以UPS電路結構形式定優劣。任何結構形式的UPS都不可能是十全十美的。當前市場上所以有多種形式的UPS共存，說明各種結構形式的UPS都有其存在的條件和市場。特別是在什么是在線式UPS這個問題上，存在著以偏概全、以點代面的誤解。所謂在線式，是對UPS功能的一種定義，從工作原理看，在線式UPS的逆變器和控制單元隨時都在監視并參與對輸出電壓的調整，從效果看，當市電掉電時，UPS輸出電壓的切換時間為零。當然，高性能的輸出指標和雙向抗干擾能力也是在線式UPS特有的特征；

　　④ 忽視UPS對電網的適應能力和電力污染問題。就當前UPS銷售和使用情況來看，最值得注意的是輸入功率因數和電流諧波成份。特別是大功率UPS，尤以輸入端有整流濾波器的UPS最為嚴重。要知道它的諧波電流不僅污染電網，而首先受到污染的是系統本身。再者，由于它的輸入功率因數低，輸入無功功率大，要求系統配電容量和系統中其他設備的功率容量都要增大50%；

　　⑤ 應重視對UPS輸出能力和可靠性的考察。這里講的可靠性指的是UPS整機連續無故障工作的能力。UPS的輸出能力指標包括輸出過載能力，輸出電流峰值系數，輸出電流浪涌系數（主要發生在啟動負載時），限定的輸出負載功率因數，三相負載不平衡能力等。UPS對這些指標做出規定，說明UPS輸出能力是有局限的，同真實的電網能力相比，是UPS輸出能力的不足的表現。在UPS的可靠性指標MTBF不可信和不能考察的情況下，可用工作效率和輸出能力各項指標去考察它的可靠性，效率和輸出能力各項指標實際上是UPS可靠性的量化指標；

　　（9）提高使用維護水平與提高UPS技術水平同等重要。有關使用部門和廠商曾對UPS系統的故障原因做過統計，其結果是在UPS供電系統故障的起因中，人為原因造成的故障占很大的比例。人為故障的原因可歸結為維護人員對配置的UPS的基本性能了解不夠、對UPS監測監控信息和顯示功能不熟悉、對UPS運行時的常規維護要求執行不嚴格等。人為故障表現在以下幾點：懷疑故障、知識和經驗性故障、操作故障、延時故障、交接故障等。當然，也還有供電系統造成的環境故障，和選用配置UPS時的選型不當。具體講，有的是對監測信息和面板指示的定義不清楚而誤以為故障，并造成人為停機維護；有的是對UPS電性能指標的物理含義不清楚，認為UPS工作不正常而人為停機；有的是接線錯誤，三相進線相序錯，電池極性錯，接線節點不牢等造成故障停機；機器已經給出故障予警信號，維護人員不能及時處理而導致故障停機；邊供電，邊做機房施工，造成人為或物理原因故障；長期不維護，機器中積滿灰塵，當濕度過大時引起機器故障等；

　　（10）邊成長邊投資的要求—生命周期成本問題。這類問題一般是UPS用戶方面的高級決人員、財務管理人員首先關心的問題。UPS系統的購置通常被視為固定資產的投資行為，所以長期及短期的投資回報率和投資風險是人們首先考慮的問題，包括：

　　① 預算投資和可用空間造成UPS容量的浪費，能否做到“邊成長邊投資？”通常情況下，用戶在設計采購方案時，為了適應業務發展的終期目標，多采用一次到位的方式來采購UPS。而調查發現用戶的設計容量、用戶負載設備的預計負荷量及用電設備的實際負荷量之間存在著很大差異。平均來看，在首次裝機時，預計負荷量只是設計容量的30%，而實際負荷量又只是預計負荷量的30%。換句話說，在最初裝機運行時UPS的實際帶載量僅為百分之九左右。在第五年時預計負載量增加到設計容量的80%左右，而實際負載量只達到設計容量的28%。用戶在UPS容量上的投資，70%以上被閑置浪費了。

　　② 安裝速度問題：市場瞬息萬變，對于企業來講“快”是生存之道。構建一個數據中心，不僅電源系統的各個部件存在著交貨周期問題，而且方案設計、系統安裝等也需要時間。大型UPS系統、柴油發電機、大型開關設備等需要很長的交貨周期，客戶必須提前六個月購買這些系統和設備，其中的中間環節中稍有差遲，用戶的起用時間就會被推遲，極端情況下甚至出現了用戶啟動設備時，市場已經變化，最初的設計方案已經徹底過時的情況。尤其是在近年來IT行業的蕭條時期，有些客戶提前六個月購買擬建中的數據中心，六個月后他們才發現到了一個進退兩難的境地。因為他們的項目已經因為后期資金的限制而被迫取消或縮減了規模，他們被這些定購的設備困住了。一般情況下，因系統的進度及可用性要求的不同，數據中心的實際建設時間一般要三個月到十八個月之間不等。客戶希望能夠縮短從做出決定進行修建，到實際建成并投入運行之間的時間。

　　③ 投資風險問題：針對UPS系統的投資，可否有靈活的退出策略？變幻莫測的市場環境，使所有企業的決策者對未來的業務的不確定性感到不安。這種對未來業務的不可知性，直接導致了對IT設備及電力基礎設施的投資的風險性。目前的電力基礎設施需要大量投資，但沒有可變通及靈活的退出策略。許多客戶都在試圖尋求能夠在環境和要求變化（指業務量的擴大和縮小、負載功率容量的變化、負載性質的變化等）時，以及項目啟動失敗或者辦公地點搬遷時提供簡單、靈活而經濟的可擴展、可變更和可退出策略的技術。

　　二 UPS及高可用供電系統

　　上面提出的當前UPS及其供電系統存在的10個問題，是UPS供電設計者，特別是廠商必須面對的實際問題，從某種意義上講，它即向UPS廠商，也向供電系統設計和使用維護人員提出了更高的要求，從而也就規定了UPS性能的改進和技術進步的方向。10個問題的核心是UPS及其供電系統的可用性問題。廣義上講，我們把“可用性”既看做是系統的可靠性指標，同時也含蓋了設備和系統的“可維護性”、“可管理性”和靈活的“可擴展性”。下面我們就針對這10個問題，講一下如何實現UPS及其供電系統的高可用性。

　　（1）可靠性指標與可用性的定義

　　做為一門科學的可靠性，其研究工作已經歷了數十載，走過了不同的階段。最早的可靠性研究工作始于20世紀30年代工業時代的相依性研究，按時間順序有代表性的研究工作有對滾珠軸承可靠性研究，對電力系統可靠性的研究，對空中運輸和對航天技術可靠性的研究。描述可靠性的典型參數有失效率、可靠度、平均無故障時間、平均維護時間和可用性。這些參數的定義和表示方法如下：

　　失效率：將單位時間內損壞的元件數量與在該瞬間內工作元件總數之比作為表示在該瞬間內元件可靠性程度的數值。也可以說成是，在單位時間內的故障數相對于依然正常工作的元件數的比值，此值稱為故障“強度”，或失效率，以λ(t)表式：

即：λ（t）=（1/n_s）·dn/dt

　　式中：ns—試驗開始時正常工作的樣品數;

　　n—在運行（t₁-t₂）時間間隔內出現故障的樣品數；

　　可靠度：系統在規定環境條件下和規定時間內，完成規定功能的概率。也可以解釋為：時間o-t的可靠度就是假定在時刻0時處于已修復狀態的情況下，從時刻0到時刻t的間隔內不發生故障的概率。例如：對N個產品進行試驗，每經過△t的時間間隔檢查一次，每次出故障的產品數為ni,則在T時間內的可靠度R(t)為：

可靠度與失效率的關系是：

平均無故障時間MTBF：電子系統無故障工作時間的平均值。是設備可靠工作時間的分布率，所以平均無故障工作時間MTBF表示為：

平均無故障時間與失效率的關系是：

平均維護時間MTTR：系統在故障維修過程中，每次修復時間的平均值。即：

可用性：電子系統在使用過程中(尤其在不間斷連續使用條件下)可以正常使用的時間和總時間的比例，它可用平均無故障時間MTBF和平均維修時間MTTR表示，即

　　(2) 可靠性MTBF與可用性A的關系

　　在UPS設備的可靠性指標中，大家習慣于用設備的MTBF表示，它可以用理論計算法、試驗驗證法和故障率統計法等三種方法得出。它與可用性的根本區別在于，可靠性MTBF是在規定的時間段內，系統正常運行（不發生故障）的概率，在概念上它不包括系統是否可修復和修復時間的大小。一個高可靠的UPS（例如MTBF=20萬小時，22年）可能在裝機后一周內就發生故障，造成系統宕機，修復后可能一周后又發生故障。而可用性含蓋了可靠性和可維護性兩個概念，當系統可維護時，可用性 >可靠性，當系統不可維護時，可用性=可靠性。實際上對一個需要長期連續工作而又不可修復的系統而言，可用性和可靠性也就都沒有實際意義了。

　　（3）系統可用性的科學論述

　　十世紀四十年代，在可靠性分析方面實現了一些最重要的突破：德國火箭科學家Von Braun 在V1導彈項目中創建了最早的預測可靠性模型。導彈的開發是基于“鏈的強度取決于最弱的一環”的概念，其策略是找到薄弱環節，然后加強這些環節。但是測試結果卻顯示故障出現在系統內的各個部分，甚至比較強的環節有時候也會發生故障。于是，科學家們又轉向了另一個設想：事實上，可靠性不僅僅是最弱的環節，而是所有部件平均可靠性的函數。但是接下來的測試表明，這也不是最佳方案。接二連三的失敗使科學家們將求助的日光投向了從事串聯系統可靠性研究工作的數學家Erich Pieruschka。后來，應用Pieruschka對串聯系統的解答得出了有關產品可靠性的Lusser定律，具體表述如下：

RS=R1×R2×R3×……Rn

　　也就是說，一個串聯系統的可靠性即是該系統所連接的子系統的可靠性。因此系統的可靠性要遠遠低于其任何單個組件的可靠性。

　　（4）提高UPS設備的可用性

　　根據可用性的定義，要提高一個系統的可用性，無外乎提高系統中設備的平均無故障時間MTBF和降低設備的平均修復時間MTTR。

　　提高UPS設備本身的MTBF值的傳統做法是：提高功率器件的規格和檔次（IGBT等）；改進控制技術，提高邏輯控制組件規格和檔次（CPU,DSP等）；采用更先進的主電路結構（Delta變換技術，高頻整流技術）；提高智能管理和通訊功能；嚴格生產工藝，加強質量管理（ISO9000）。這些方法自然是有效的，但是當MTBF值提高到一定程度后，效果就不明顯了（見圖3）。根據Lusser定律，組成UPS主機的數百個元器件和上千個接點，在可靠性等效圖上是串連的，整個系統的可用性是這數百個元器件和上千個接點可靠性的乘積，在提高這樣一個復雜的設備的MTBF值時，實際上是依據了“最薄弱環節”理論，當薄弱環節（例如逆變器）的可靠性已經很高時，再做努力，即便是提高到1.0,根據可靠性的第二個科學論述，對整機MTBF值的提高也是無及于事的。更何況MTBF值與可用性A的關系（圖3）是一條非線性曲線，當MTBF值較小時（例如<15萬小時），提高MTBF值對提高可用性A（降低不可用性1-A）尚有較明顯的作用，而當MTBF值>20萬小時后，其作用就不明顯了。

　　用降低MTTR的方法則不同，其效果是非常明顯的。

　　① 為了降低故障修復時間，一般的做法是加強對設備特別是關鍵設備和部件（薄弱環節）的維護；備足備件并保證其完好性；加強對維護人員操作技能的培訓。特別是用戶在采購設備時就要求廠家對售后服務（包括備件提供、反應時間和修復速度）條件做出嚴格的承諾。

　　② UPS的模塊化+冗余配置：把整個UPS按電路功能分成幾部分，并在結構上設計成可插拔的模塊，例如功率模塊（包括AC/DC和DC/AC變換器）、電池模塊、智能管理和通訊功能模塊，如圖2所示，這是美國APC公司的一款Symmetra高可用陣列機，以16KVA規格的為例，功率模塊本身就是一臺除電池以外的完整的UPS，每個模塊額定輸出功率4KVA，每臺可裝5個，直接并機均流運行，最大輸出能力20KVA，額定帶載16KVA，當其中一個模塊障時，由其它4個模塊繼續維持向負載正常供電，故障的模塊可熱插拔更換。智能管理和通訊功能模塊有主備兩個，主模塊故障時，備用模塊接替，主模塊可熱插拔更換。電池模塊與功率模塊數量相同，同樣有并聯和熱插拔更換功能。從可用性的角度看，故障修復工作僅僅是拔插模塊，在有備件的情況下，修復時間可控制在幾十分鐘以內，況且各種模塊都是冗余熱備份的，所以整機等效的平均修復時間MTTR可接近于零。

　　③ UPS設備的冗余并機配置：在一臺電子設備中，我們可以把控制電路集中起來做為一個獨立的可插拔的模塊，也可以把功率變換部分集中在一個結構中做為一個可熱插拔的模塊，同樣，在一個配置有多種（臺）設備的供電系統中，我們也可以把每種（臺）設備看做一個模塊，在冗余熱備份配置的情況下，同樣可以做到故障后熱插拔修復。當代的技術先進的UPS都具備直接并機功能，如果把這樣的UPS兩臺冗余并聯起來，并使兩臺輸出的總容量≧負載容量的二倍，當其中一臺發生故障時，另一臺可承擔全部負載容量而保持系統繼續正常運行，已故障的一臺可脫機修復。這無異于把系統的等效平均修復時間降到接近于零，只有兩臺UPS同時發生故障時，系統才宕機，而這種幾率是很小的。實際上這相當于UPS整機的模塊化+冗余配置。

圖3 平均無故障時間MTBF以及平均修復時間MTTR與不可用性（1-A）的關系

　　圖3 是平均無故障時間MTBF以及平均修復時間MTTR與不可用性（1-A）的關系，從圖中曲線可以看出：MTBF與不可用性（1-A）并非線性關系，在MTBF值較小（例如<15萬小時），MTBF值的變化對不可用性（1-A）的影響較大，而且修復時間MTTR愈大，其影響愈明顯。但是在MTBF較大時，曲線趨于平坦，再提高MTBF值對系統可用性的提高就沒有多大意義了。同時我們還注意到，在平均修復時間MTTR較大的情況下，MTBF值的提高對系統可用性的提高是有限度的，例如當MTTR=4小時，即使MTBF值高達30萬小時，可用性也僅僅達到99.998%。而如果通過模塊化冗余熱備份配置把MTTR值降到10分鐘后，即使MTBF值只有10萬小時，系統可用性A也可以提高到99.9998%,MTBF為30萬小時，可達到99.9999%。

　　（4） “集成化”設計提高整個UPS供電系統的可用性

　　組成一個完整的供電系統，除UPS設備外，還有輸入配電柜、ATS轉換開關、變壓器、瞬態電壓浪涌抑制器、負載配電開關柜、柴油發電機、交流穩壓器、電池系統、各種開關、斷路器、保險、轉插，上百乃至幾百個級連接點和相應的傳輸線。對于一復雜的供電系統如何提高其可用性呢？僅僅解決UPS設備的可靠性顯然是不夠的，何況系統的實際運行的故障數據表明，直接由于UPS故障引起系統宕機的比例畢竟是較少的，由于系統中其它設備和環節以及人為事故造成的故障，或者由此引發的UPS故障占大多數。但是模塊化、冗余配置、熱插拔修復等設計原則還是適用的。當然，系統中各種設備和管理的標準化、統一化和集中化，減少單路經故障點和大面積掉電的隱患，加快建設速度和安裝的規范化、對環境和負載變化的適應性和系統的可擴展性、降低維護管理的難度和減少人為事故的幾率等問題，也是要著重研究和解決的重點。為此美國APC公司提出了UPS供電系統“集成化”設計理念，并推出了相應的產品“InfraStruXure”

圖4 集成化UPS供電系統示意圖

　　圖4是集成化UPS供電系統示意圖，虛線框內是集成化所包含的內容，集成化的基本設想和原則是：　　供電設備制造和供應的統一化和標準化；系統中供電設備和包括負載機架結構的一體化和連接的規范化；系統中各供電設備和環節（包括負載機架中的PDU）電源狀態管理的集中化；系統中各供電設備和環節結構的模塊化和連接的熱插拔功能。圖4集成化UPS系統的特點如下：

　　由單機模塊化+冗余的UPS系統組成雙總線系統，是可用性等級最高的UPS供電系統；

　　② UPS供電系統與數據中心一體化機架式結構，整個系統只有電網進線為外接線；

　　③ PDU作為基本組合的一個子系統,直接配置在標準的負載機架中；

　　④ 該系統結構的基本組合給機柜上的服務器提供了整套基礎設施。這種基礎設施包括 IT 機柜中的冷卻設施、布線設施和配電設施。基礎組件包含在4個子系統中：IT機柜、機架安裝PDU、環境監控以及電源和數據電纜布線；

　　⑤ 標準機架結構為電力和數據走線增加了170mm（8 inch）的空間走線槽。并在機柜側面、頂部和底部采用了大“過孔”來進行電纜的走線;

　　⑥機柜頂部和底部有兩個傳感器組成環境監測系統，可顯示機架溫度和濕度.并對其進行動態管理。

　　圖5是“InfraStruXure”現場安裝圖，中間6個機架安裝的是負載設備。相對現在傳統的供電系統，有利于解決當前數據中心機房迫切需要解決的以下問題

　　① 有效的利用機房空間，降低運營成本；

　　②降低供電系統的復雜性，加快建設速度（無工具裝配），降低服務費用；系統基礎設施標準化、組件化，便于組裝、改裝、搬運和重裝，機動靈活，因此，可降低設計的復雜性、資源配備上的風險和簡化現場施工的工程量；

　　④ 能適應不斷變化的需要，包括功率密度的變化、重量密度不同、安裝要求不同、單電源設備與雙電源設備的不同要求、交流設備與直流設備的不同要求等，可邊成長邊投資，提高供電設備利用率，降低投資風險；減少了系統中的斷路器和轉接接點數目，把故障點減至最少，可有效的防止大面積斷電事件的發生；

　　⑥ 系統和設備結構集成化，減少維護工作量，可有效地減少人為原因故障；

　　⑦ 系統和設備結構集成化，線路傳輸短且規范，提高了系統抗干擾能力和供電質量；

　　⑧ 功能齊全的集中智能管理和直觀的指示，可管理性強，有預測故障的功能；

　　⑨ 可改變以往那種數據電纜和電力電纜（越來越嚴重）的混亂狀況；

　　⑩ 備件的標準化、減少帶電操作、維護的簡單化，以及可熱插拔模塊化等，都有利于降低平均維護時間MTTR ,系統可用性可達到7個9。

----《電信工程技術與標準化》