文｜中國電源學(xué)會 王其英

1 概述

有些用戶在規(guī)劃數(shù)據(jù)中心機房供電系統(tǒng)時有幾個誤區(qū)：認(rèn)為設(shè)備越多系統(tǒng)越可靠，即花錢越多越可靠，可靠性是用錢堆起來的；認(rèn)為變壓器可以抗干擾，UPS若不帶變壓器就不可靠，認(rèn)為高頻機UPS沒變壓器，所以不可靠；并對零地電壓談虎色變，認(rèn)為零地電壓是用電設(shè)備故障的主要來源；認(rèn)為UPS是帶電容性負(fù)載的，不能帶電感性負(fù)載，甚至認(rèn)為以前的計算機、服務(wù)器等數(shù)字計算設(shè)備是電容性的負(fù)載。而且這些誤區(qū)至今還在不少人的腦海中根深蒂固，影響了UPS的選型，造成了損失。是不是這么回事？可以說一般電源變壓器不抗干擾，這個問題不用爭論，可以用一臺雙蹤示波器一測便知，高頻機UPS也有變壓器，是今后的電磁變壓器的替代品；至于UPS機是針對感性負(fù)載設(shè)計的，以前的計算機、服務(wù)器等數(shù)字計算設(shè)備都是電感性的負(fù)載。所以UPS帶感性負(fù)載不是什么特點，而是它的本職工作；至于零地電壓對于用電設(shè)備來說根本就不是干擾源，也加不到用電設(shè)備上去，何談干擾？

2 可靠性與可用性

（1）可靠性的含義與表達方式

可靠性是指機器的可靠程度，一般用小于1的可靠度表示，比如0.99、0.999等。

可靠度的表達式為：

式中T為平均無故障時間，以小時（h）計，一般用MTBF表示。所謂平均無故障時間指的是在規(guī)定機器運行時間t內(nèi)出了n次故障，兩個故障之間的運行時間不一樣，比如第一次運行了T1小時，第二次運行了T2小時，......第n次運行了Tn小時，所以其平均無故障時間就是：

可靠度與平均無故障時間的關(guān)系就可表達為：

（2）可用性的含義與表達方式

上面的可靠性是對硬件而言，平均無故障時間指的是機器平均多長時間不出問題。一旦出現(xiàn)問題怎么辦？不論是更換還是修復(fù)都要有一個時間的概念，即其在指定時間內(nèi)壞了n次就必須修復(fù)n次，當(dāng)然每次的修復(fù)時間也不一樣，修復(fù)時間Tr也有Tr1，Tr2，......，Trn之分別，所以也要有一個平均修復(fù)時間MTTR，其表達式為：

因此得可用性A的表達式：

所以可用性的含義就是：在指定的機器運行時間t內(nèi)，無故障運行時間是整個運行時間t的百分之多少？是99.9%，還是99.99%......

3 供電系統(tǒng)可靠性的分配

一個供電系統(tǒng)包括好多環(huán)節(jié)：防雷器、電纜、開關(guān)柜、后備發(fā)電機、UPS、電池組、PDU、連接器等，每一個環(huán)節(jié)都對應(yīng)著一定的可靠性，而且它們之間的可靠性指標(biāo)相差很大。就像圖1中所示的木桶結(jié)構(gòu)一樣，構(gòu)成木桶的木板條長短不一，眾所周知，木桶盛水的多少取決于最短的那個木板條。就像一個系統(tǒng)的可靠性取決于可靠性最低的那個環(huán)節(jié)一樣，這就決定了系統(tǒng)可靠性的分配方案。不可忽略的一點是，木桶的盛水除了取決于最短的那個木板條外，還取決于每個木板條之間的連接是否密封。具體到一個電子系統(tǒng)中就是各環(huán)節(jié)之間的結(jié)合是否匹配，比如供電系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的連接處是否牢固，是否匹配。比如10kVA的UPS輸出端應(yīng)配65A的斷路器比較合適，因為單相10kVA的額定電流是45A，再加上20%過載能力，選標(biāo)稱值65A開關(guān)就差不多。如果還有其他考慮則另作別論，這就算匹配。但如果選32A或100A的斷路器就是不匹配，就會導(dǎo)致故障，或頻繁切斷負(fù)載或在輸出端瞬時短路而不能保護電源。因此，它的可靠性指標(biāo)也應(yīng)考慮在內(nèi)。

假如上述各環(huán)節(jié)的可靠性分別為：防雷器rt、電纜rc、開關(guān)柜rs、后備發(fā)電機rg、UPSru、電池組 rb、PDUrp、連接器 rn......那么系統(tǒng)的可靠性R就是：

為了方便分析這些環(huán)節(jié)有著相同的可靠性指標(biāo)，即：

圖1 木桶理論結(jié)構(gòu)

實際上，系統(tǒng)可靠性達到5個“9”很不容易，原因是盡管設(shè)備的可靠性很高，但在配電系統(tǒng)中沿路多于三個開關(guān)或接插點的情況很普遍，有的從電源到負(fù)載甚至達到了11個節(jié)點，這就大大降低了供電系統(tǒng)的可靠性。一般都認(rèn)為開關(guān)、電纜和端子排可靠，不會出問題，其實不然，往往有這樣的情況，一個三極斷路器有時其中一個觸點接觸不良或斷開，電池的接線端開始非常牢固，但經(jīng)過幾次放電后就松動了，接線端子排經(jīng)過一段時間后便松動的事例也并非絕無僅有。

因此，在供電系統(tǒng)設(shè)計時對各個環(huán)節(jié)進行可靠性分配是有益的，這樣可把責(zé)任分擔(dān)到人頭，加強可靠環(huán)節(jié)的責(zé)任感。

比如要求供電系統(tǒng)在三年運行中的可靠性為R=0.999，系統(tǒng)有5個環(huán)節(jié)，如果要求該5個環(huán)節(jié)有著相同的可靠性，那么這5個環(huán)節(jié)的可靠性就為：

從該式可以看出，在構(gòu)成該供電系統(tǒng)的5個環(huán)節(jié)中，最差環(huán)節(jié)的可靠性也必須在4個“9”以上，即大于0.9999，當(dāng)然其他環(huán)節(jié)更不能低于此值。根據(jù)可靠性與平均無故障時間的關(guān)系式（4），可以得出在三年運行時間中最低可靠性的那個環(huán)節(jié)MTBF：

由此可以看出，供電系統(tǒng)的可靠性達到3個“9”是多么不容易，這需要何等質(zhì)量的設(shè)備，更何況實現(xiàn)5個“9”的指標(biāo)，實際上，更大的用處還是可用性，上述的設(shè)備質(zhì)量已經(jīng)太高，甚至不易實現(xiàn)，暫且將系統(tǒng)的可靠性降到0.99，這時最差環(huán)節(jié)的可靠性r=0.997992，其對應(yīng)的平均無故障時間MTBF=2628000h，對應(yīng)系統(tǒng)可靠性0.99的平均無故障時間也約為2628000h。如果在這種情況下要求系統(tǒng)在三年的運行期間有5個“9”的可用性，那么就要求平均維修時間MTTR：

根據(jù)可用性公式整理后得：

從上式可以看出，在目前設(shè)備質(zhì)量（r=0.997992）的情況下，只要保證平均維修時間小于26小時，就可以實現(xiàn)5個“9”的可用性指標(biāo)。而26h的平均維修時間是容易保證的，所以不應(yīng)把可靠性與可用性對立起來，而是相輔相成。這樣一來，系統(tǒng)的可靠性分配問題就可以解決。

4 供電系統(tǒng)中UPS選擇的原則

4.1 選擇系統(tǒng)效率高的設(shè)備

UPS是供電系統(tǒng)中的主要設(shè)備，應(yīng)重點選擇。不言而喻UPS的可靠性是第一位的。一般電子設(shè)備的天敵就是高溫，根據(jù)阿勒尼烏斯（Arrhenius）準(zhǔn)則，溫度每升高10。C，電子的活躍程度加倍，導(dǎo)致的結(jié)果是器件的壽命減半。由此可見，設(shè)備內(nèi)的溫度越低越好。設(shè)備內(nèi)的溫度除了環(huán)境溫度外，其溫升則是由設(shè)備本身的功率損耗決定的。也就是說，設(shè)備本身的功率損耗越低越好，換言之，設(shè)備本身的效率越高越好。

圖2 同樣輸入指標(biāo)下工頻機和高頻機UPS結(jié)構(gòu)原理圖

哪一種UPS的效率最高? 這要從工頻機和高頻機兩種UPS的電路結(jié)構(gòu)比較來看。圖2顯示出了同樣輸入和輸出指標(biāo)下工頻機和高頻機UPS結(jié)構(gòu)原理圖。所謂“同樣輸入指標(biāo)”指的是目前一般用戶所要求近于線性的輸入指標(biāo)，即輸入功率因數(shù)大于0.95。一般工頻機UPS輸入在200kVA以下時由于價格關(guān)系大都采用6脈沖整流，其輸入功率因數(shù)僅有0.8左右；即使在大功率UPS中采用了12脈沖整流，也難于達到0.95以上的輸入功率因數(shù)，有的也得加諧波抑制器。而高頻機UPS由于前面的輸入電路是高頻整流器，不用加任何環(huán)節(jié)就可使輸入功率因數(shù)達到0.95以上。這樣一來，工頻機UPS就比高頻機UPS在輸入端多了一級消耗功率的環(huán)節(jié)，且不說增加造價和占地面積，其消耗功率也不低于2%～3%。

另一方面，由于工頻機UPS的輸出逆變器絕大多數(shù)都采用了全橋電路，從實用的角度看就必須加隔離變壓器；而高頻機UPS的逆變器幾乎都采用了半橋電路，所以不需要輸出變壓器隔離。因此，工頻機UPS又比高頻機UPS多出2%～3%的變壓器損耗。可以看出工頻機UPS比高頻機UPS的系統(tǒng)效率一般要低5%。這5%的功耗就會使機器內(nèi)部的溫度升得高，就會導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率增加和壽命縮短。因此高頻機UPS的功耗降低了，供電可靠性提高了。

4.2 選擇噪聲低的設(shè)備

過分的噪聲不但會干擾其他設(shè)備，也會影響機器操作者的情緒，從而導(dǎo)致工作效率降低甚至操作出錯。由于工頻機UPS的輸入電路破壞了輸入電壓波形，不但給其他設(shè)備的用電造成干擾，它的電感和變壓器的可聞噪聲也會使操作者情緒不安；尤其是有些工頻機UPS的逆變器工作采用了10KHz左右的調(diào)制頻率（一般是6KHz～8KHz，也有的用了15KHz），正好在人耳的敏感區(qū)，嚴(yán)重干擾了人員的工作；而高頻機UPS的工作調(diào)制頻率都在20KHz以上，已經(jīng)脫出了人耳的相應(yīng)范圍，使工作環(huán)境安靜下來，提高了工作效率，增強了工作效果。

因此，從供電可靠性的觀點看，選用高頻機UPS是有益的。當(dāng)然，目前20KHz以上高頻機UPS的單機功率還做不到100kVA以上，但高頻機結(jié)構(gòu)UPS卻可做到1200kVA。而且高頻機結(jié)構(gòu)UPS取消了輸出變壓器，已將噪聲最大的部件忽略了，并且節(jié)能效果非常明顯。數(shù)據(jù)中心機房若達到1.7以下的能效比，在目前除了用高頻機UPS別無他徑。

5 提高供電可靠性與可用性的途徑

選擇了好的供電設(shè)備并不一定能保證有好的供電效果。良好的連接方案加上優(yōu)質(zhì)的設(shè)備才能保證好的供電結(jié)果。

5.1 UPS輸入輸出形式對供電可靠性的影響

有些用戶對UPS有兩個擔(dān)心：

（1）三相輸出的UPS當(dāng)三相負(fù)載電流不平衡時會導(dǎo)致三相電壓的不平衡，于是就提出了三進單出（3/1）結(jié)構(gòu)的UPS，如圖3所示，以為這樣就可以高枕無憂了。

（2）擔(dān)心單進單出會造成輸入配電的不平衡

圖3 三進單出結(jié)構(gòu)的UPS

當(dāng)今三相輸出的UPS都具有三相負(fù)載100%不平衡的能力，一般三相負(fù)載100%不平衡時，其電壓不平衡度不會超過2%。但三進單出（3/1）結(jié)構(gòu)的UPS的確有著不可靠因素，如圖3所示，當(dāng)輸出功率為90kVA，正常時三相輸入均為30kVA，達到了平衡的目的。但當(dāng)UPS輸出端過載、短路或逆變器故障時，為了給負(fù)載的供電不間斷，旁路Bypass開關(guān)S就會自動閉合，從圖中可以看出，原來提供30kVA的這一路此時就必須給出90kVA。一般的市電配電開關(guān)Si都不具有300%的余量，就會導(dǎo)致過載跳閘。結(jié)果沒有達到供電繼續(xù)的目的，反而造成負(fù)載全面斷電。

為了不使上述的局面出現(xiàn)就必須做兩件事：

一件事是將輸入電路增容至原來的3倍，比如輸入開關(guān)Si的容量規(guī)格增至270kVA（每相90kVA）；另一件事是將輸入端（比如供電局）要求增容至原來的3倍。這其中多出的180kVA也可能幾年都用不上，這又存在一個如何向上游（供電局）交代的問題。三進單出結(jié)構(gòu)的UPS容量越大，這個問題就越嚴(yán)重。

根據(jù)目前的情況，三進單出結(jié)構(gòu)的UPS一般用在30kVA以下比較合適。這一方面由于容量不大，通常容量等級本系統(tǒng)就可解決；尤其是用于第二代N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)最為合適，這主要是由于并聯(lián)UPS各單機模塊在并聯(lián)情況下具有統(tǒng)一轉(zhuǎn)旁路的特點，而且故障模塊可以得到及時更換，所有模塊同時因出問題而轉(zhuǎn)旁路的概率又非常小，這就將轉(zhuǎn)旁路的危險性降低到最小限度，提高了供電的可靠性。

5.2 冗余供電方案的可靠性

（1）雙電網(wǎng)供電連接方式的可靠性

一般在重要的數(shù)據(jù)中心都要求雙電網(wǎng)供電，這固然是一個好的構(gòu)思，但也存在一個雙電網(wǎng)如何連接的問題，如果連接方法不得當(dāng)，也會降低供電的可靠性。圖4列出了當(dāng)前4種電網(wǎng)與UPS的連接方案。哪一種連接方式最為可靠？先分別討論。

圖4（a）所示是將雙路市電接在同一臺UPS上的方法。將一路市電接在UPS的旁路開關(guān)上，另一路接到UPS的輸入整流器輸入端。這種連接方法在前幾年有一些應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些問題。原因是它打亂了UPS的原來設(shè)計思想：UPS的原來設(shè)計是將旁路開關(guān)與整流器的輸入端連接在同一路市電上的，后來的設(shè)計者都是在這個基礎(chǔ)上不改變原設(shè)計思路而繼續(xù)增加功能。UPS原來的功能是當(dāng)旁路電壓出現(xiàn)異常時（也意味著整流器輸入端的市電電壓出現(xiàn)異常）電池放電，使輸出供電繼續(xù)下去。但在旁路另接一路市電時，若此時旁路電壓出現(xiàn)異常而整流器輸入電壓卻正常，電池就不應(yīng)該放電，和原設(shè)計發(fā)生了矛盾，于是裝機者一般都是現(xiàn)場將電池放電功能改為不放電。豈不知此時此地的信號更改打亂了原來的程序，使機器的控制和測量處于一種不正常的狀態(tài)，使供電的可靠性大受影響。比如某電視臺12套電視節(jié)目各接了一臺60kVA雙市電供電的UPS，且不說裝機時的繁雜手續(xù)，就該供電系統(tǒng)裝機以后就一直工作不正常，有時集體轉(zhuǎn)旁路供電，有時故障燈閃爍，有時看不到該看到的測量信號等。該電視臺在無奈之下只好在節(jié)日期間和重大活動場合責(zé)令廠家工程師到現(xiàn)場值班。

該連接的另一個隱患在于當(dāng)整流器輸入端市電故障時由電池放電，但一般雙路市電供電時的電池后備時間多為30分鐘左右，時間很短。值得注意的是，一般雙市電供電的場合一般不容易出故障，一旦出了故障又不能即時恢復(fù)。比如一路出現(xiàn)故障時，這種故障有可能來自外電網(wǎng)，這比較好辦，一般時間不會太長。萬一是本部故障：比如線路老化、主斷路器開關(guān)故障或配電柜大型開關(guān)故障等，在這種情況下，其修理時間遠遠大于30分鐘，有時甚至花費幾個小時或更長的時間。在這30分鐘以后的時間里用電設(shè)備必須完全依靠旁路的一路自然市電，此時負(fù)載設(shè)備完全得不到UPS的保護，只好承受市電帶來的各種干擾和過度的波動，輕者導(dǎo)致用電設(shè)備故障，重者損壞機器。所以這種供電的連接方式不可推薦。

圖4 兩路市電向UPS的不同接法

圖4（b）所示是一種兩路市電接在同一臺UPS上的改進型。該電路考慮了圖4（a）所出現(xiàn)的問題，將電路重新設(shè)計并加入了新的功能，即當(dāng)UPS的旁路開關(guān)故障時，旁路市電也可通過自設(shè)的開關(guān)S將市電繼續(xù)向負(fù)載設(shè)備提供，對供電又多了一層保險。不過目前這種UPS的容量還只做到30kVA。

圖4（c）所示是兩臺并聯(lián)的UPS輸入端分別各接一路市電。乍看起來好像沒有什么問題，即使兩路市電的相位和電壓有所差別（這是肯定的），但由于并聯(lián)UPS的特性是最先啟動的那臺UPS就是主機，其余后來者均跟蹤主機，所以在正常情況下不影響運行。但也正是并聯(lián)UPS的這種特性也埋下了一個隱患：并聯(lián)UPS具有同時轉(zhuǎn)旁路的特點，從圖中可以看出，一旦兩臺UPS轉(zhuǎn)到旁路供電，除了給負(fù)載RL供電外，也把兩路市電變壓器并聯(lián)在了一起，這時兩路市電的相位和電壓的差值就會在兩變壓器之間形成強大的環(huán)流，一直到將環(huán)路中的串聯(lián)環(huán)節(jié)燒斷（或旁路開關(guān)燒斷、或電纜燒斷、或變壓器繞組燒斷），環(huán)流才會停止。當(dāng)然這種現(xiàn)象不會輕易出現(xiàn)，但萬一出現(xiàn)一次，就會釀成大的事故。所以此方案不可輕易采用。

最穩(wěn)妥的辦法還是如圖4（d）所示的連接方式，將兩路市電經(jīng)互投柜轉(zhuǎn)化成一路后再送往UPS。這種方法的可貴之處在于不但尊重了UPS的原設(shè)計思想，而且也使負(fù)載始終處在UPS的保護之下，是一舉幾得的事情。

（2）UPS冗余供電的可靠性

① UPS熱備份連接時供電的可靠性

以往的用戶使用單機供電的比較多。隨著處理數(shù)據(jù)量的增大和用戶對計算機等IT設(shè)備的依賴性越來越強，作為IT設(shè)備命脈的電源就成了保證這些用戶正常工作的第一要素。為了提高供電設(shè)備的可用性，單臺UPS已無能力確保供電萬無一失，因此不得不借助于群體的力量來實現(xiàn)高可用性的目標(biāo)，為此多機冗余就成了必須之舉。

熱備份連接可用來提高可靠性。也就是說，當(dāng)單臺UPS已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再接上一臺同規(guī)格甚至可以不同品牌的單機UPS來提高可靠性。兩臺單機的連接方法如圖5所示。

圖5 兩臺UPS熱備份連接圖

這種連接非常簡單，當(dāng)把UPS1作為主輸出電源而把UPS2作為備用機時，只需將備用機UPS2的輸出與UPS1的旁路Bypass1輸入端相連就可以了，不過此時UPS1的旁路Bypass1輸入端一定要與UPS1的輸入端斷開。這樣連接以后的UPS系統(tǒng)的可靠性就提高了。為了有一個量的概念，圖6給出了單臺UPS可靠性模型圖。這是UPS的設(shè)計者為了提高其供電的可靠性而將市電引入旁路作為后備電源。

圖6中PU是不帶旁路時單臺UPS主機可靠性值，設(shè)PU =0.99；PB是旁路（Bypass）的可靠性值，為了便于計算，也設(shè)PB=0.99（實際上要高得多）。也就是說，此二者的可靠性都是99%，不可靠性值（或稱故障率）是1-0.99=0.01即1%。這兩部分是并聯(lián)冗余的關(guān)系，那麼根據(jù)可靠性并聯(lián)的計算公式，單臺UPS系統(tǒng)的可靠性P1就是：

代入數(shù)值0.99，則

圖6 單臺UPS可靠性模型圖

從上面的結(jié)果可以看出，兩個可靠性值都為0.99的單元并聯(lián)后，其可靠性增加為原來的100倍，不可靠性則由原來的百分之一下降到了萬分之一。

以此為基礎(chǔ)，就可以計算熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性了。圖7給出了熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性模型圖。這個圖是對應(yīng)于圖5來做的。

圖7 熱備份連接UPS系統(tǒng)的可靠性模型圖

圖中： PB1和PU1分別對應(yīng)于UPS1的旁路可靠性和主機可靠性；PB2和PU2分別對應(yīng)于UPS2的旁路可靠性和主機可靠性。

為了便于計算，仍設(shè)它們有著相同的可靠性，其值都是0.99，那么其可靠性計算公式如下：

從上式明顯地看出，兩臺熱備分連接的UPS系統(tǒng)可靠性比單臺提高了近兩個數(shù)量級。

這種系統(tǒng)的連接方式簡單易行，即使是不同品牌的機器，只要規(guī)格容量相同就可以連接，不需再增加另外的設(shè)備。若兩臺不同容量的UPS相連，其容量按最小的那一臺計算。

這種熱備份連接方式也有它的不足之處。由于是同容量串聯(lián)連接，如果一臺UPS過載，則轉(zhuǎn)到另一臺后仍然過載，即帶載能力沒有加強。在實際中很少有兩臺以上UPS串聯(lián)連接的情況，因此應(yīng)用場合受到了限制。

② UPS的冗余并聯(lián)連接及其可靠性

UPS的并聯(lián)冗余連接可以克服上述方法的不足，圖8給出了兩臺UPS并聯(lián)連接的原理方框圖。

圖8 兩臺UPS并聯(lián)連接的原理方框圖

這種連接方式從表面上看更為簡單，只需把兩者的輸出端連到一起就可以。多臺相連也可以照這樣把輸出端連到一起，相互之間再加一些并聯(lián)所需的措施，以實現(xiàn)并聯(lián)功能。并聯(lián)后的可靠性模型如圖9所示。

圖9 兩臺并聯(lián)UPS的可靠性模型

仍采用上面的假設(shè)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)可靠性可根據(jù)下式得出：

從上面的計算可以看出，熱備份連接的UPS系統(tǒng)比單機系統(tǒng)高出兩個數(shù)量級，而其并聯(lián)系統(tǒng)又比熱備份連接的UPS系統(tǒng)高出兩個數(shù)量級，這就從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢是：

并聯(lián)連接的UPS系統(tǒng)不但可靠性提高，而且?guī)лd的能力也在加強。因為是并聯(lián)，在兩臺UPS系統(tǒng)中就具有著兩倍的負(fù)載能力，所以在冗余的情況下，系統(tǒng)的過載和耐沖擊能力比熱備份連接的UPS系統(tǒng)要強得多。在非冗余的情況下，它們的并聯(lián)可以增容，這也是熱備份連接技術(shù)所不能實現(xiàn)的。

在并聯(lián)模式1+N的情況下，隨著并聯(lián)臺數(shù)的增加其可靠性也相應(yīng)增加，但并聯(lián)臺數(shù)也不是無限的，目前最多可并聯(lián)到9臺，一般不超過8臺。在并聯(lián)模式N+1的情況下，隨著并聯(lián)臺數(shù)的增加，其可靠性也相應(yīng)降低。

③ 對并聯(lián)功能的誤解

有一種說法：兩臺冗余并聯(lián)的UPS不如圖10那樣加一個STS切換開關(guān)可靠性高。

圖10 兩臺UPS加STS切換結(jié)構(gòu)

在這種思想的策劃下，也有人花高價接受并實施了這個方案。為了說明問題，將問題簡單化，假設(shè)各個設(shè)備的可靠性均為0.99，在這種情況下，兩臺UPS直接并聯(lián)的可靠性根據(jù)式（14）的對應(yīng)關(guān)系已知是0.9999，故障率是萬分之一。由于STS的加入，每臺UPS都和開關(guān)STS成了串聯(lián)關(guān)系，由此做出了圖11的可靠性模型圖。

圖11 圖10的可靠性數(shù)學(xué)模型

由可靠性公式得出現(xiàn)在這個系統(tǒng)的供電可靠性R：

從計算結(jié)果來看，加了STS后，供電可靠性反而降到3個“9”，故障率也上升到原來的4倍，而且兩倍的過載能力也沒有。更何況STS的價格要比同容量的UPS貴得多，這也證明了多花錢不一定就有好的結(jié)果。

5.3 N+X模塊化冗余方案供電的可靠性

（1）N+X模塊化冗余簡介

N+X模塊化冗余方案是在單機UPS并聯(lián)的思想下發(fā)展而來的，它的特點是這些小容量的UPS都集中在一個柜子里進行并聯(lián)，由于重量和體積不大，一般一個人就可以插入和拔出進行更換，而且這個過程是在不停電的情況下進行的，以后又發(fā)展到在一個柜子中不但有多個并聯(lián)的UPS模塊，而且又引入配電單元，使一個柜子兼具供電和配電的功能，如圖12所示。這就大大提高供電的可靠性和可用性。其原因是將原來需要UPS廠家、配電柜生產(chǎn)廠家和部分安裝工程都歸于一個廠家生產(chǎn)，增強了這幾部分的連接性和匹配性，也簡化了用戶的對口單位。

（2）對N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)的誤解

①大功率模塊化概念的引入

從前面的介紹可知，N+X模塊化冗余概念是以一個人的能力可以搬動為基礎(chǔ)，而且是一個柜子中要有多個相同的模塊并聯(lián)，這樣做的目的就是為了提高可用性，即縮短平均修復(fù)時間MTTR。但后來由于數(shù)據(jù)中心使用功率的增大，也打算用模塊化，于是有的廠家就投其所好而推出數(shù)百公斤的“大功率模塊”，實際上這又回到了開始時的多單機UPS并聯(lián)的原始狀態(tài)。那時是可以8臺UPS單機并聯(lián)，現(xiàn)在也是8臺UPS單機并聯(lián)；這種擴大了的概念已無法在線維修、在線更換和熱插拔。不過現(xiàn)在已有的UPS廠家在一個機柜內(nèi)放入兩個模塊，這些模塊有的是 300kVA、400kVA、550kVA 和 600kVA等，一方面可以代替1+1冗余并聯(lián)，一方面可以做成增容機型，比如600kVA、800kVA、1100kVA和1200kVA等。不過這已經(jīng)脫出了N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)的范疇，如圖12所示。

②認(rèn)為N+X模塊并聯(lián)后的冗余供電系統(tǒng)的可靠性不如單個模塊高

圖12 具有供配電功能的單機柜N+X模塊化冗余供電系統(tǒng)

持此觀點的根據(jù)是：原來只有一套電路構(gòu)成的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在卻變成多個環(huán)節(jié)，根據(jù)多一個環(huán)節(jié)就多一個故障點的理論，當(dāng)然故障點就多，隨之而來的就是可靠性降低。甚至斷言說：當(dāng)并聯(lián)模塊數(shù)多于8個時，系統(tǒng)的可靠性還不如單個模塊高。

其實不然，多一個環(huán)節(jié)就多一個故障點的理論是對的，但關(guān)鍵是結(jié)果，即多出的這個故障點會導(dǎo)致什么結(jié)果。對串聯(lián)環(huán)節(jié)而言，任何一個故障點都會導(dǎo)致系統(tǒng)故障；但如果這多個環(huán)節(jié)是冗余并聯(lián)的，其冗余度決定了故障點的影響程度。比如系統(tǒng)是N+2，就表明該系統(tǒng)可以允許同時有兩個故障點出現(xiàn)而還正常運行；如果系統(tǒng)是N+X（X＞2），表明該系統(tǒng)可以允許同時有X個故障點出現(xiàn)而正常運行。

還可用量的概念來證明N+X模塊并聯(lián)冗余系統(tǒng)的可靠性，假如設(shè)單個模塊的可靠性r=0.99，在一格8模塊系統(tǒng)中，計算7+1和6+2配置的可靠性R7+1和R6+2：

從上面的計算結(jié)果可以看出，冗余度越大，可靠性越高，換言之，故障率越低，比如R7+1的故障率約為千分之一，R6+2的故障率約為萬分之一，而單個模塊的故障率高達百分之一。

那么在什么情況下系統(tǒng)的可靠性低于單個模塊？現(xiàn)在來討論一下極端情況，即當(dāng)式（19）中的N=∞，X=1時，則

從這個結(jié)果可以明顯地看出，在N+X并聯(lián)冗余的情況下，系統(tǒng)的可靠性永遠大于單個模塊，只有N趨于無窮大而X=1時，系統(tǒng)的可靠性才等于單個模塊的可靠性，但N趨于無窮大而X=1的情況是永遠不會出現(xiàn)的。

所以N+X模塊化冗余結(jié)構(gòu)是很好的供電形式，而且也是今后發(fā)展的方向。

5.4 雙總線供電方案的可靠性

雙總線供電方案是對并聯(lián)冗余方案的一種補充。換句話說，在并聯(lián)冗余時的容量已達不到要求時，只好用雙總線供電方案來實現(xiàn)。

（1）并聯(lián)冗余和雙總線供電方案的目的

保證在市電出現(xiàn)任何狀況時均能保證用電設(shè)備的電能供應(yīng)不間斷，因此凡是能實現(xiàn)這個目標(biāo)的任何方案均可應(yīng)用。能實現(xiàn)這個功能的方案很多，比如串聯(lián)熱備份、并聯(lián)冗余和雙總線等。但事實上這些方案也有優(yōu)劣之分、性價比之分和可靠性高低之分，如果不能有選擇地去用就會事倍功半。

（2）對雙總線方案的誤解

有一種說法，認(rèn)為雙總線供電方案是為了適應(yīng)雙電源服務(wù)器而出現(xiàn)的，言下之意是并聯(lián)冗余方案不能達到為電源服務(wù)器供電的要求。

① 雙總線供電方案的基本工作原理

一般采用雙總線方案者多為雙市電供電，這里的雙總線供電有兩層意思：一層意思是任何一路都具有提供兩部分全體負(fù)載能量的能力；另一層意思是兩路電源可以同時向雙電源負(fù)載供電。但在平時兩路電源又各帶自己的負(fù)載。只有當(dāng)其中一路電源（例如對應(yīng)市電2的一路）故障時，另一路電源（例如對應(yīng)市電1的一路）才通過靜態(tài)開關(guān)STS2將電能引到對應(yīng)市電2的一路UPS的負(fù)載上。在此期間雙電源負(fù)載（例如R）也在一直不斷電。即使STS2因失效而不能使對應(yīng)市電1一路的UPS輸出引到到應(yīng)市電1的一路UPS的負(fù)載上，該雙電源負(fù)載R因仍有電源供給也不會停機。

如果當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障的同時若ATS1也因故障而不能將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到原來市電1#供電的UPS并聯(lián)組，該組UPS因失掉市電輸入而改為電池供電，待電池電能耗盡前對應(yīng)市電2一路UPS并聯(lián)組的電壓就經(jīng)過STS1送到市電1#原來的負(fù)載上。

應(yīng)當(dāng)注意的是，由于概念的模糊一般對雙電源負(fù)載用兩路的同一相電壓供電，即比如都用雙總線兩路的A相（或B相或C相）供電，在上述市電1#和ATS1同時故障的情況下，STS將應(yīng)市電2#一路UPS的電壓引入時，就形成了雙電壓負(fù)載的兩個輸入用了同一相電。這就帶來一個隱患，一旦這一相UPS輸出因連線松動、開關(guān)觸點斷開等原因使電壓無輸出時，最為關(guān)鍵的這個雙電源負(fù)載就會停機。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖12的Tier 4雙總線UPS冗余供電方案中每一路的UPS不只是一臺，而是n臺。這里的n按照現(xiàn)在的并機水平應(yīng)該不大于8，但絕不是1。

②并聯(lián)冗余方案能不能達到上述目的？

并聯(lián)冗余方案的目的也是為了實現(xiàn)在市電出現(xiàn)故障時仍能保證負(fù)載正常運行，這和雙總線方案的目的是一樣的。圖13顯示出了并聯(lián)冗余方案結(jié)構(gòu)原理圖，圖中最多并聯(lián)數(shù)n一般不多于8臺。不論是多少臺其目的是一樣的，關(guān)鍵是后面的配電，UPS并聯(lián)后由配電柜向所有負(fù)載供電，對于雙電源負(fù)載的供電方法也比較簡單，從三相電源任取兩相電壓分別加到雙電源的兩個輸入接口上就可以了。

當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障時，輸入互投配電柜中的轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS就自動將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到UPS并聯(lián)組，在切換時間間隔時由UPS的電池組放電來維持負(fù)載的供電不間斷；

當(dāng)一路市電（例如市電1#）故障的同時若ATS也因故障而不能將另一路市電（例如市電2#）轉(zhuǎn)接到UPS并聯(lián)組，但現(xiàn)在有的ATS也考慮到這個問題。有兩種解決辦法：一種是在原來的ATS上已預(yù)先安裝一個搖把，一旦該開關(guān)的自動功能失效，就可利用此搖把手動轉(zhuǎn)接到另一路市電（例如市電2#）；還有的在ATS上并聯(lián)上一個旁路開關(guān)，其作用也是一旦該開關(guān)的自動功能失效，就可以手動利用此旁路開關(guān)轉(zhuǎn)接到另一路市電（例如市電2#）。因此，雙電源輸入的并聯(lián)冗余方案從輸入到輸出都完美地解決了不間斷供電問題，實現(xiàn)了雙總線同樣的功能。

并且一旦有一相UPS輸出因連線松動、開關(guān)觸點斷開等原因使電壓無輸出時，最為關(guān)鍵的這個雙電源負(fù)載因有另一相電壓仍然在供電，所以就不會停機，消除了隱患。

（3）并聯(lián)冗余和雙總線供電方案的可靠性比較

從上面的討論已經(jīng)可以看出并聯(lián)冗余方案在8臺（以后發(fā)展還可以增多）以內(nèi)完成可以實現(xiàn)雙總線供電方案的全部功能，而且設(shè)備量要少得多。但由于市場和用戶的基本概念模糊等原因，目前仍有花高價實現(xiàn)功能的例子，而且還不在少數(shù)。機房用電量小于100kVA，但因重要性大，要求冗余。

圖13 并聯(lián)冗余方案結(jié)構(gòu)原理圖

圖14 供電路徑上形成節(jié)點的機構(gòu)

（4）雙總線供電方案可靠性降低的物理原因

眾所周知，在串聯(lián)電路中多一個環(huán)節(jié)就多一個故障點。實際上，在同一條供電線路上有很多節(jié)點，這些節(jié)點由端子排、匯流排、大小斷路器開關(guān)、保險絲、PDU等組成。圖14列出了供電路徑上主要幾種形成節(jié)點的機構(gòu)。比如從圖中的斷路器可以明顯地看出，開關(guān)都有輸入和輸出兩個節(jié)點，里面的執(zhí)行機構(gòu)觸點也是一個節(jié)點，比如從小型單相斷路器看得更為清楚，在這個開關(guān)中任何一個節(jié)點斷開或接觸不良都會影響電流的通道，就是說這個斷路器的三個節(jié)點就是三個故障點。三相開關(guān)也一樣，不過它有九個故障點；但如果將輸入三條線并聯(lián)，將輸出的三條線也并聯(lián)，那就只有三個故障點。所以對任何一個開關(guān)來說至少都有三個故障點。當(dāng)然所謂的故障點不一定就出故障，這是從理論上分析。圖中的匯流排或端子排在一條線上就有兩個故障點：一個輸入，一個輸出。

為了分析的方便，將雙總線和并聯(lián)冗余方案的共有部分，即從輸入一直到UPS供電方案是一樣的，所以節(jié)點情況也是一樣的，不必比較。