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天波代理UPS电源可用性最大化
作者：admin 发表时间：2011/5/29 10:42:25 阅读：次
UPS电源（不间断电源系统）在确保IT可靠性方面扮演着至关重要的角色。因此，它们自身的可靠性也同样是一个关键的考量因素。一旦UPS发生故障，则执行关键任务的电力负载可能会有风险。
那么，对于优化UPS可用性，企业要采取哪些措施？根据本白皮书的内容，对此问题的常见回答并非是 佳选择。归根结底，UPS的可靠性更多地有赖于电源系统的整体设计，而并非UPS本身的设计（如UPS是否采用在线互动式或双转换技术）。而 终，提高UPS可用性的办法无疑就是将包括UPS和整个电源保护方案在内的整体修复时间缩至 短，将冗余扩至 大。
此外，在本白皮书中，我们也将颠覆“零部件越多则故障可能性越高”这一传统的观念，阐述何以模块化UPS设计能够提供出众可靠性的原因。
平均无故障时间（MTBF）之惑
一直以来，MTBF（平均无故障时间）是UPS生产商用来测量和说明UPS可靠性的关键度量标准。不过，用MTBF来预测UPS的可用性实际上却难具说服力。
为了说明这一点，我们来举一个例子，假设一台UPS的MTBF是200,000小时，非专业人士可能简单地以为该设备可以无故障运行200,000小时（约为23年）。但是，事实上UPS生产商不可能也不会对产品进行为期23年的无故障运行测试。相反，他们只是根据UPS组件的预计使用寿命先行计算出一个MTBF值。然后，在其出货量增长到具有统计学意义时，会根据这批设备实际的性能数据替换到某些初步的预估值。尽管这些修正后的数据可能存在误导性。比如，假如2,500台UPS在5年的研究期内运行良好，那么得到的MTBF值可能会相当高。但是，如果这些系统中有一个组件的使用寿命只有6年，那么在5年研究期过后的一年，它们中的90%可能会发生故障。
而且，MTBF的测量至今还没有一个通用的标准。多年来，许多的政府机构不断要求生产商根据 新版的MIL-HDBK-217F手册提供计算数据，但是许多的商业客户却采用Telcordia(Bellcore)SR-332标准流程。近期，经技术行业总结发现，这些测量方法虽然颇有用处，却并非是制造商评定产品可靠性的唯一方法。也因此，如今的生产商逐渐将注意力放在了可靠性设计（DFR）上。过往标准主要关注单个电气组件及其与产品设计中采用的电路之间的关系，而DFR则侧重于产品在各种条件下的预定或预期用途。
不过， 终还是没有对测量供电负载的UPS电源运行情况给出一个标准方案。也因而，将一家生产商的UPS与另一家的UPS就MTBF数值进行比较时仍很难实现。
用可用性来测量关键电源后备系统更加具有实质意义。鉴于UPS在数据中心所占据的重要作用，能否快速更换旧零件或故障零件就显得至关重要。可用性表示的是MTBF与另一度量单位MTTR（平均故障修复时间）相互之间的关系。MTTR（平均故障修复时间）是指从发现故障、给予响应到完全修复所需的耗时。
可用性的数值一般由多个数字9构成的百分比数表示，表明特定系统在一年使用期限内正常运行的时间比例。举例说明，一台UPS的MTBF是500,000小时，MTTR是4小时，那么，它的可用性为0.999992或者99.9992%（500,000÷500,004）。这也就是说，该台UPS每年的预期宕机时间是4.2分钟。
然而，单独来讲，尽管可用性比MTBF更能说明UPS的可靠性，但是在一些重要方面仍存在不足。具体来说，可用性无法说明例行保养的耗时。如果一个系统每年都必须安排进行检查、重新校准或常规维护，它实际的运行可用性会比上面公式得出的数值来的低。
UPS设计和内部电源通路
尽管UPS内电源通路数量的增多会使成本增加，但是这可以确保一旦某些系统组件（譬如整流器、逆变器或内部备用电池）发生故障，关键负载的供电免于中断。
UPS电源从设计类型上基本分为四类：
"当UPS检测到停电故障时，后备式UPS可以切断IT设备（ITE）的市电供电，为系统提供电源保护。不过，一些备用电源系统会在过压或欠压时提供局部的电源保护，对电池电源的使用较为有限。可见，虽然后备式UPS可提高效率和降低成本，但有时提供的电源保护并不全面。
"在线互动式UPS通常视情况适度调节电压之后，再对受保护设备供电。不过，在线互动式UPS必须使用电池电源来防止各种频率异常现象和停电情况。
"双转换UPS可以将关键负载与市电电源完全隔绝，从而确保为IT设备提供洁净、可靠的电力。双转换UPS比后备式UPS和在线互动式UPS更耗能，因此它们在数据中心或设备间内的散热量更高。
"带有多运行模式的双转换UPS通常在高效模式下运行，既省钱又节能。在保证供电质量后，它们会自动切换至双转换模式的更高电源保护级别。此外，大多数带有多运行模式的双转换UPS使用模块化标准部件设计，通过缩短执行维护和维修的用时来提高系统的可用性。
这些UPS设计的不同之处在于其内部的电源通路。后备式UPS通常有两条电源通路，由一个电源开关同时控制。因此，如果电源开关故障，那么IT设备便会断电。大多数的备用电源系统功率在2kVA以下，因此故障只会对一部分的IT设备造成影响。
在线互动式UPS通常有两条完全独立的电源通路，其中一条通路使用电源接口。如果电源接口发生故障，则UPS将由电池供电以确保将所有连接的设备从容关闭。部分顶级的在线互动式系统也会包含一个静态旁路通路，可以自动旁路UPS中发生故障的组件，将IT设备直接连接至市电电源。
大多数的双转换UPS有两条电源通路，一条由市电电源或发电机供电，一条则由电池电源供电，此外UPS内还包括：
"自动静态旁路开关可以旁路发生故障的整流器或逆变器，并由市电电源直接供电IT设备
"手动维护旁路设备允许技术人员在不中断受保护负载供电的情况下对系统进行维修
一些带有多运行模式的双转换UPS除了具备标准双转换UPS的两条电源通路之外，还包括一个自动维护旁路设备，可在UPS进行维修或维护时自动旁路逆变器。此外，如果在模块化冗余设计中使用带有多运行模式的双转换UPS，它可以自动选择是否要将负载连接旁路，确保在执行维护时由UPS的备用电源供电系统。如此可以缩短MTTR，并降低维护和维修期内宕机或意外断电的风险。
提高UPS电源通路可用性的策略
提高UPS电源通路的可靠性的方法有很多：
"添加并联电池组：使用单组串联电池的UPS其无法正常供电负载的风险会大大加强。举例来说，一台大型的UPS有40个电池串联连接（即一个电池的正极与相邻电池的负极相连）。如果这些电池其中一个出了问题，那么整串电池组就会故障，从而导致UPS无法正常供电。如果在UPS上再额外并联一串由40个电池正负级串联连接的电池组的话，假设其中一串电池组发生故障，那么UPS仍可由另一串正常的电池组供电一段时间，从而有时间连接备用发电机供电或者从容关闭负载设备。
"安装发电机：电池供电只能解决一时的燃眉之急。如果面临长时间的断电情况，即使使用了 长时效的电池组可能也是"有心无力"。因此，在长时间的停电情况下，使用发电机 为备用供电电源较为理想。
"确保UPS包含一个自动静态旁路开关：在UPS内部出现故障时或者由UPS供电的负载出现严重过载或短路情况时，UPS的自动静态旁路开关会旁路整流器和逆变器，由市电电源或发电机直接向IT设备供电。在故障情况下，静态旁路开关切换供电电源仅耗时3-8毫秒，因此不会影响IT设备的正常供电。
通过并联安装UPS电源提高可用性
冗余的设计逻辑，不仅适用于电源保护方案，同样亦适用于UPS设计。在电源设计中构建多条电源通路能够从根本上提高系统的可靠性。
我们可以归纳出两个简单却十分重要的观点。第一点，串联连接的电源通路组件（比如子系统A、子系统C和子系统D），削弱了系统的整体可靠性；第二点，并联冗余的电源通路组件（比如子系统B），增强了整体可用性。这是因为，如果子系统A、子系统C或者子系统D有一个发生故障，整条电源通路便无法正常工作。相反，由3个组件并联的子系统B，如果其中一个故障，则另外两个组件进行"接手"，确保整个系统如常运行。
换言之，"短板效应"同样适用于此：电源供应链的 终性能受限于其 弱的一环。因此，在供应链的每一点上添加多个冗余可以提高其整体的可靠性。因此， 可靠的输电系统通常包括了从总电源至用电负载的多条相互独立的电源通路，相互尽可能避免重叠。采用冗余配置的电源系统，当组件发生故障或者进行例行维护时都不会导致IT设备关闭。
并联UPS架构
在UPS电源行业领域，系统并联部署的方式有很多。 常见的两种方式是串并联组合部署的架构或者是全冗余并联部署的架构。
当需要使用两个不同型号或者是由两个不同厂商生产的UPS系统支持基本负载时，有时会使用串联冗余的配置架构，它们无法在冗余配置中并联。但是使用串并联组合部署的架构可以帮助你克服这种限制。
不过，采用串并联组合部署架构的系统提供的冗余十分有限，同时还要求有几件关键事件发生才能在故障期间为负载提供保护。这些事件包括：
1.)故障系统必须检测到发生的故障
2.)故障系统必须能够安全切换到系统内置的静态开关
3.)故障系统必须将故障组件从输出电源总线上断开
4.)备用电源系统必须能够应（负载供电）要求立即支持满负载运行
此外，若采用串并联组合部署架构的系统，用户还需承担无负载UPS的运行和维护费用。
一般来说，全冗余并联架构具备的可靠性更高，不过这也取决于其实施的形式。某些UPS声称具有并联架构，但实际上只是有限的几个组件进行并联。这也就是说，虽然在一个类似的零件出现故障时系统可以提供一定的冗余，但是系统中没有独立的子系统。一旦子系统发生故障，那么整个UPS便需要关闭进行维修。
其它的UPS设计还包括带有独立子系统的UPS和带有点对点并机能力的UPS，就是说由UPS自身进行控制，而不是使用主控制器，这就赋予了UPS 高的可靠性级别。并联架构的设计旨在不增加降低设计复杂程度的情况下尽可能地消除单点故障。因此，并联架构可以使用独立子系统和点对点控制，提供 少故障点 高可靠性的系统设计。
那么，对于优化UPS可用性，企业要采取哪些措施？根据本白皮书的内容，对此问题的常见回答并非是 佳选择。归根结底，UPS的可靠性更多地有赖于电源系统的整体设计，而并非UPS本身的设计（如UPS是否采用在线互动式或双转换技术）。而 终，提高UPS可用性的办法无疑就是将包括UPS和整个电源保护方案在内的整体修复时间缩至 短，将冗余扩至 大。
此外，在本白皮书中，我们也将颠覆“零部件越多则故障可能性越高”这一传统的观念，阐述何以模块化UPS设计能够提供出众可靠性的原因。
平均无故障时间（MTBF）之惑
一直以来，MTBF（平均无故障时间）是UPS生产商用来测量和说明UPS可靠性的关键度量标准。不过，用MTBF来预测UPS的可用性实际上却难具说服力。
为了说明这一点，我们来举一个例子，假设一台UPS的MTBF是200,000小时，非专业人士可能简单地以为该设备可以无故障运行200,000小时（约为23年）。但是，事实上UPS生产商不可能也不会对产品进行为期23年的无故障运行测试。相反，他们只是根据UPS组件的预计使用寿命先行计算出一个MTBF值。然后，在其出货量增长到具有统计学意义时，会根据这批设备实际的性能数据替换到某些初步的预估值。尽管这些修正后的数据可能存在误导性。比如，假如2,500台UPS在5年的研究期内运行良好，那么得到的MTBF值可能会相当高。但是，如果这些系统中有一个组件的使用寿命只有6年，那么在5年研究期过后的一年，它们中的90%可能会发生故障。
而且，MTBF的测量至今还没有一个通用的标准。多年来，许多的政府机构不断要求生产商根据 新版的MIL-HDBK-217F手册提供计算数据，但是许多的商业客户却采用Telcordia(Bellcore)SR-332标准流程。近期，经技术行业总结发现，这些测量方法虽然颇有用处，却并非是制造商评定产品可靠性的唯一方法。也因此，如今的生产商逐渐将注意力放在了可靠性设计（DFR）上。过往标准主要关注单个电气组件及其与产品设计中采用的电路之间的关系，而DFR则侧重于产品在各种条件下的预定或预期用途。
不过， 终还是没有对测量供电负载的UPS电源运行情况给出一个标准方案。也因而，将一家生产商的UPS与另一家的UPS就MTBF数值进行比较时仍很难实现。
用可用性来测量关键电源后备系统更加具有实质意义。鉴于UPS在数据中心所占据的重要作用，能否快速更换旧零件或故障零件就显得至关重要。可用性表示的是MTBF与另一度量单位MTTR（平均故障修复时间）相互之间的关系。MTTR（平均故障修复时间）是指从发现故障、给予响应到完全修复所需的耗时。
可用性的数值一般由多个数字9构成的百分比数表示，表明特定系统在一年使用期限内正常运行的时间比例。举例说明，一台UPS的MTBF是500,000小时，MTTR是4小时，那么，它的可用性为0.999992或者99.9992%（500,000÷500,004）。这也就是说，该台UPS每年的预期宕机时间是4.2分钟。
然而，单独来讲，尽管可用性比MTBF更能说明UPS的可靠性，但是在一些重要方面仍存在不足。具体来说，可用性无法说明例行保养的耗时。如果一个系统每年都必须安排进行检查、重新校准或常规维护，它实际的运行可用性会比上面公式得出的数值来的低。
UPS设计和内部电源通路
尽管UPS内电源通路数量的增多会使成本增加，但是这可以确保一旦某些系统组件（譬如整流器、逆变器或内部备用电池）发生故障，关键负载的供电免于中断。
UPS电源从设计类型上基本分为四类：
"当UPS检测到停电故障时，后备式UPS可以切断IT设备（ITE）的市电供电，为系统提供电源保护。不过，一些备用电源系统会在过压或欠压时提供局部的电源保护，对电池电源的使用较为有限。可见，虽然后备式UPS可提高效率和降低成本，但有时提供的电源保护并不全面。
"在线互动式UPS通常视情况适度调节电压之后，再对受保护设备供电。不过，在线互动式UPS必须使用电池电源来防止各种频率异常现象和停电情况。
"双转换UPS可以将关键负载与市电电源完全隔绝，从而确保为IT设备提供洁净、可靠的电力。双转换UPS比后备式UPS和在线互动式UPS更耗能，因此它们在数据中心或设备间内的散热量更高。
"带有多运行模式的双转换UPS通常在高效模式下运行，既省钱又节能。在保证供电质量后，它们会自动切换至双转换模式的更高电源保护级别。此外，大多数带有多运行模式的双转换UPS使用模块化标准部件设计，通过缩短执行维护和维修的用时来提高系统的可用性。
这些UPS设计的不同之处在于其内部的电源通路。后备式UPS通常有两条电源通路，由一个电源开关同时控制。因此，如果电源开关故障，那么IT设备便会断电。大多数的备用电源系统功率在2kVA以下，因此故障只会对一部分的IT设备造成影响。
在线互动式UPS通常有两条完全独立的电源通路，其中一条通路使用电源接口。如果电源接口发生故障，则UPS将由电池供电以确保将所有连接的设备从容关闭。部分顶级的在线互动式系统也会包含一个静态旁路通路，可以自动旁路UPS中发生故障的组件，将IT设备直接连接至市电电源。
大多数的双转换UPS有两条电源通路，一条由市电电源或发电机供电，一条则由电池电源供电，此外UPS内还包括：
"自动静态旁路开关可以旁路发生故障的整流器或逆变器，并由市电电源直接供电IT设备
"手动维护旁路设备允许技术人员在不中断受保护负载供电的情况下对系统进行维修
一些带有多运行模式的双转换UPS除了具备标准双转换UPS的两条电源通路之外，还包括一个自动维护旁路设备，可在UPS进行维修或维护时自动旁路逆变器。此外，如果在模块化冗余设计中使用带有多运行模式的双转换UPS，它可以自动选择是否要将负载连接旁路，确保在执行维护时由UPS的备用电源供电系统。如此可以缩短MTTR，并降低维护和维修期内宕机或意外断电的风险。
提高UPS电源通路可用性的策略
提高UPS电源通路的可靠性的方法有很多：
"添加并联电池组：使用单组串联电池的UPS其无法正常供电负载的风险会大大加强。举例来说，一台大型的UPS有40个电池串联连接（即一个电池的正极与相邻电池的负极相连）。如果这些电池其中一个出了问题，那么整串电池组就会故障，从而导致UPS无法正常供电。如果在UPS上再额外并联一串由40个电池正负级串联连接的电池组的话，假设其中一串电池组发生故障，那么UPS仍可由另一串正常的电池组供电一段时间，从而有时间连接备用发电机供电或者从容关闭负载设备。
"安装发电机：电池供电只能解决一时的燃眉之急。如果面临长时间的断电情况，即使使用了 长时效的电池组可能也是"有心无力"。因此，在长时间的停电情况下，使用发电机 为备用供电电源较为理想。
"确保UPS包含一个自动静态旁路开关：在UPS内部出现故障时或者由UPS供电的负载出现严重过载或短路情况时，UPS的自动静态旁路开关会旁路整流器和逆变器，由市电电源或发电机直接向IT设备供电。在故障情况下，静态旁路开关切换供电电源仅耗时3-8毫秒，因此不会影响IT设备的正常供电。
通过并联安装UPS电源提高可用性
冗余的设计逻辑，不仅适用于电源保护方案，同样亦适用于UPS设计。在电源设计中构建多条电源通路能够从根本上提高系统的可靠性。
我们可以归纳出两个简单却十分重要的观点。第一点，串联连接的电源通路组件（比如子系统A、子系统C和子系统D），削弱了系统的整体可靠性；第二点，并联冗余的电源通路组件（比如子系统B），增强了整体可用性。这是因为，如果子系统A、子系统C或者子系统D有一个发生故障，整条电源通路便无法正常工作。相反，由3个组件并联的子系统B，如果其中一个故障，则另外两个组件进行"接手"，确保整个系统如常运行。
换言之，"短板效应"同样适用于此：电源供应链的 终性能受限于其 弱的一环。因此，在供应链的每一点上添加多个冗余可以提高其整体的可靠性。因此， 可靠的输电系统通常包括了从总电源至用电负载的多条相互独立的电源通路，相互尽可能避免重叠。采用冗余配置的电源系统，当组件发生故障或者进行例行维护时都不会导致IT设备关闭。
并联UPS架构
在UPS电源行业领域，系统并联部署的方式有很多。 常见的两种方式是串并联组合部署的架构或者是全冗余并联部署的架构。
当需要使用两个不同型号或者是由两个不同厂商生产的UPS系统支持基本负载时，有时会使用串联冗余的配置架构，它们无法在冗余配置中并联。但是使用串并联组合部署的架构可以帮助你克服这种限制。
不过，采用串并联组合部署架构的系统提供的冗余十分有限，同时还要求有几件关键事件发生才能在故障期间为负载提供保护。这些事件包括：
1.)故障系统必须检测到发生的故障
2.)故障系统必须能够安全切换到系统内置的静态开关
3.)故障系统必须将故障组件从输出电源总线上断开
4.)备用电源系统必须能够应（负载供电）要求立即支持满负载运行
此外，若采用串并联组合部署架构的系统，用户还需承担无负载UPS的运行和维护费用。
一般来说，全冗余并联架构具备的可靠性更高，不过这也取决于其实施的形式。某些UPS声称具有并联架构，但实际上只是有限的几个组件进行并联。这也就是说，虽然在一个类似的零件出现故障时系统可以提供一定的冗余，但是系统中没有独立的子系统。一旦子系统发生故障，那么整个UPS便需要关闭进行维修。
其它的UPS设计还包括带有独立子系统的UPS和带有点对点并机能力的UPS，就是说由UPS自身进行控制，而不是使用主控制器，这就赋予了UPS 高的可靠性级别。并联架构的设计旨在不增加降低设计复杂程度的情况下尽可能地消除单点故障。因此，并联架构可以使用独立子系统和点对点控制，提供 少故障点 高可靠性的系统设计。
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