一、概述

　　為了提高信息機(jī)房供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，一般采用的方法有兩種，即供電系統(tǒng)的冗余連接和負(fù)載設(shè)備的雙電源或三電源冗余輸入。這可從下面的可用性表達(dá)式中看出：

　　式中的A(Availability)表示的是可用性，它的含義是在整個(gè)規(guī)定運(yùn)行時(shí)間中，可靠供電時(shí)間的比例;MTBF是表示設(shè)備可靠性的平均時(shí)間，它的含義是平均多長(zhǎng)時(shí)間不出故障;MTTR表示的是平均修復(fù)時(shí)間，它的含義是電源所有故障維修時(shí)間之平均值。

　　從式(1)中可以看出，為了提高可用性也有兩個(gè)途徑：提高電源的平均時(shí)間和縮短平均修復(fù)時(shí)間。但當(dāng)機(jī)器的期間質(zhì)量達(dá)到一定程度后，再增大平均時(shí)間的代價(jià)較大，而且效果也不太顯著，因?yàn)榭偛荒軐⑵骄鶗r(shí)間做到無(wú)窮大。然而縮短平均修復(fù)時(shí)間的效果卻比較明顯，如果平均修復(fù)時(shí)間縮短為零(這種可能性是存在的，而且也不難實(shí)現(xiàn))，那么可用性就是99%。采用UPS冗余并聯(lián)方法就可達(dá)到這個(gè)目的：比如兩臺(tái)同容量的UPS并聯(lián)，其中任何一臺(tái)都具有承擔(dān)99%負(fù)載的能力，那么兩臺(tái)并聯(lián)后就有了200%的供電能力，所以其中任何一臺(tái)因故障而停機(jī)后，另一臺(tái)仍可以接著繼續(xù)供電，使負(fù)載設(shè)備的工作得以不間斷地連續(xù)進(jìn)行下去，達(dá)到了修復(fù)時(shí)間縮短為零的目的。

　　負(fù)載設(shè)備的多電源入口，也可達(dá)到上述目的。多電源入口就意味著需要多個(gè)電源供電，任何一個(gè)入口的電源都具有99%的負(fù)載能力，所以其中任何一臺(tái)電源因故障而停機(jī)后，另外的電源仍可以接著繼續(xù)供電，使負(fù)載設(shè)備的工作得以不間斷地連續(xù)進(jìn)行下去。

　　正是由于有這兩種提高系統(tǒng)可靠性的方式，也就引出了下面幾種供電方案的模式。

　　二、 UPS冗余并聯(lián)供電方案的可靠性與可用性

　　1. 兩臺(tái)UPS冗余并聯(lián)舉例

　　為了容易分析，在這里只用兩臺(tái)UPS作1+1冗余并聯(lián)。后面的所有負(fù)載之和小于100kVA，兩臺(tái)UPS的輸出電壓在輸出配電柜內(nèi)直接并聯(lián)，然后再通過(guò)開(kāi)關(guān)S給負(fù)載供電。如果遇到雙電源負(fù)載就可以分別從兩相電壓上各引一路到負(fù)載，照樣滿(mǎn)足雙電源輸入的條件，如圖中S3、S4所示。

　　2.雙機(jī)1+1冗余并聯(lián)供電的可靠性

　　為了對(duì)可靠性有一個(gè)大略的數(shù)值概念，在這里只對(duì)UPS本身的并聯(lián)進(jìn)行討論，至于那些的斷路器開(kāi)關(guān)，不論用什么方式供電都是的，大家都一樣，所以暫不考慮，在這里只討論有區(qū)別的部分。假如每臺(tái)UPS的可靠性r=0.99，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，暫認(rèn)為兩臺(tái)UPS的可靠性相等，就可做出雙機(jī) 1+1冗余并聯(lián)供電的可靠性模型圖。

　　此時(shí)，這個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性就R2是：

　　不可靠性Q=1-可靠性=1-0.9999=0.0001，不可靠性是萬(wàn)分之一，故障率也大約是萬(wàn)分之一。即雙機(jī)冗余并聯(lián)后，使系統(tǒng)的可靠性提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。其原因是它可以使可用性表達(dá)式中的平均修復(fù)時(shí)間MTTR減到最小。

　　另外，雙機(jī)冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，就是過(guò)載能力特強(qiáng)：具有2倍UPS單機(jī)的過(guò)載能力。

　三、UPS雙總線供電方案的可靠性與可用性

　　1.UPS雙總線供電方案的出現(xiàn)

　　(1)STS的出現(xiàn)

　　STS(StaticTransferSwitch)的出現(xiàn)原本是為了代替ATS，由于ATS具有切換時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、切換聲音大和有火花干擾的缺點(diǎn)，為用戶(hù)在一定程度上帶來(lái)了不便。Cyberex公司首先推出了用晶閘管構(gòu)成的電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以區(qū)別于那種機(jī)械式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)ATS. (AutomaticTransferSwitch)。尤其現(xiàn)在所說(shuō)的STS實(shí)際上已經(jīng)是 DSTS(DigitalStaticTransferSwitch)，即數(shù)字式靜態(tài)開(kāi)關(guān)，其整個(gè)切換時(shí)間小于4ms，它的切換方式是先斷后合，因此兩電源在切換時(shí)的相位差甚至可以大于180°。這種產(chǎn)品的可靠性與電磁兼容指標(biāo)等均應(yīng)符合UL1008Listed。圖3示出了 DSTS(DigitalStaticTransferSwitch)的電原理圖，右邊是它的電路符號(hào)。

　　DSTS的確解決了ATS所無(wú)法做到的一些性能，比如DSTS的切換時(shí)間比ATS要快上一千多倍，而且沒(méi)有聲音、沒(méi)有火花，對(duì)一般電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種兩個(gè)電源之間的切換間隔幾乎是沒(méi)有感覺(jué)的。

　　由于DSTS對(duì)構(gòu)成元器件質(zhì)量的要求很高，再加之在多處都采用了冗余措施，所以造價(jià)也很高，相應(yīng)地為銷(xiāo)售商也帶來(lái)了不菲的利潤(rùn)，于是在被引入機(jī)房的時(shí)候就出現(xiàn)了一些誤會(huì)。比如本來(lái)可以用于并聯(lián)冗余的兩臺(tái)UPS供電系統(tǒng)，有的供應(yīng)商就硬把它們分割開(kāi)了，在兩臺(tái)UPS輸出端加了一臺(tái)DSTS，說(shuō)這樣比直接并聯(lián)可靠性高，如圖4所示。其工作原理是：兩臺(tái)UPS的輸出端都連接到DSTS上，比如開(kāi)始由UPS1向負(fù)載供電，UPS2備用，一旦UPS1故障，DSTS就馬上切斷UPS1而接通UPS2，繼續(xù)向負(fù)載供電，這就保證了負(fù)載設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行。

　　但從前面雙臺(tái)UPS冗余并聯(lián)的例子可以看出，即使不加DSTS也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)UPS故障的情況下負(fù)載連續(xù)運(yùn)行下去的功能，而且還有雙倍單機(jī)的過(guò)載能力，這個(gè)能力在此已經(jīng)消失了。還不僅如此，這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性R也有了變化，根據(jù)可靠性公式算出：

　　不可靠性Q=1-可靠性=1-0.9996=0.0001，不可靠性是萬(wàn)分之四。是冗余并聯(lián)時(shí)的4倍。而故障率也是冗余并聯(lián)時(shí)的4倍。

　　由此可以看出，原來(lái)1+1并聯(lián)冗余的系統(tǒng)在增加了DSTS后，不但喪失了原來(lái)的高過(guò)載能力(一臺(tái)UPS過(guò)載，切換后另一臺(tái)也同樣過(guò)載)，其不可靠性或故障率也增加到原來(lái)的四倍。

　　(2)雙電源負(fù)載的“需要”

　　為了提高包括服務(wù)器等電子設(shè)備的供電可靠性，用電設(shè)備本身對(duì)輸入電源也作了冗余考慮，比如采用雙電源入口就是其中一種。是不是為了適應(yīng)雙電源設(shè)備就必須將原本可以直接并聯(lián)的兩臺(tái)UPS分開(kāi)呢？這要看UPS直接并聯(lián)冗余和分開(kāi)的目的是什么，很明顯，這樣做的目的無(wú)非是在任一臺(tái)UPS故障時(shí)都不影響負(fù)載機(jī)器的正常運(yùn)行。這兩種辦法都可以達(dá)到這個(gè)目的。前一種在前面已經(jīng)介紹，后一種如圖5所示。

　　兩路UPS交流電壓分別輸入到用電設(shè)備的兩個(gè)入口，該兩個(gè)入口的整流器將輸入交流電整流成直流，而后在二者的輸出端并聯(lián)成一個(gè)電壓再濾波。即使輸入的交流電壓值不一樣也無(wú)妨，電壓高的就得多輸出電流，這就造成了整流器的負(fù)載不平衡。尤其是在一臺(tái)UPS是旁路供電時(shí)，由于市電波動(dòng)很大，這種情況就更嚴(yán)重。如果是兩臺(tái)UPS直接并聯(lián)而不分開(kāi)，由于穩(wěn)壓作用，就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，即使有也不會(huì)這樣大。

　　就是說(shuō)，即使人為地將可以并聯(lián)的兩臺(tái)UPS硬行分開(kāi)，到了設(shè)備上還是要并聯(lián)在一起。白白損失了兩倍UPS的過(guò)載能力，這就有“費(fèi)力不討好”的結(jié)果。

　　2.UPS雙總線供電方案的電路結(jié)構(gòu)

　　有一種說(shuō)法，雙總線是根據(jù)美國(guó)T4等級(jí)(Tier4)標(biāo)準(zhǔn)的要求而來(lái)的。圖6就是這種雙總線UPS冗余供電方案。從圖中可以明顯地看出，雙總線的每一路都不是單單一臺(tái)UPS，也不是兩臺(tái)，更不是3臺(tái)，而是一個(gè)表示多臺(tái)的刪節(jié)號(hào)。在目前的一般UPS并聯(lián)水平來(lái)看，應(yīng)該是8臺(tái)。比如中國(guó)臺(tái)灣至少有5個(gè)數(shù)據(jù)中心采用的就是8臺(tái)并聯(lián)′2的雙總線供電系統(tǒng)。如果在8臺(tái)UPS冗余并聯(lián)之內(nèi)就可以解決的問(wèn)題，不要輕易采用雙總線。尤其是在兩臺(tái)單機(jī)UPS就可以做1+1 并聯(lián)冗余的時(shí)候，如果這時(shí)硬要改用雙總線方案，不但使設(shè)備量成倍增加，而且由于引入了串聯(lián)功能的設(shè)備STS，使能量通道上又多增加了故障點(diǎn)，導(dǎo)致的投資還要遠(yuǎn)高于雙倍1+1并聯(lián)冗余時(shí)的情況，因?yàn)镾TS要比同容量的UPS價(jià)格高得多，同時(shí)還失去了原來(lái)直接并聯(lián)時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可靠性比原來(lái)也有所降低。

　　，任何解決方案和規(guī)劃都是有條件的，有其特定的使用環(huán)境，也就是有其局限性。因此，不可不講條件、時(shí)間和地點(diǎn)地到處亂用，否則，不但達(dá)不到預(yù)期的目的，反而會(huì)事倍功半。

　四、兩種供電方案的比較

　　1.兩種供電方案的可靠性及故障率比較

　　為了有一個(gè)量的概念，為了直觀而容易理解，仍設(shè)所有設(shè)備的可靠性r都是0.99;也是為了簡(jiǎn)單明了，暫不考慮UPS以前和STS以后的這些共有的配電部分。由此見(jiàn)圖7(a)

　　虛線方框內(nèi)的部分，并由此作出可靠性結(jié)構(gòu)模型圖。從可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，凡是在該環(huán)節(jié)故障時(shí)都能導(dǎo)致系統(tǒng)不正常的情況通通算作串聯(lián)環(huán)節(jié)，因此連接圖7(a)的同步器LBS、靜態(tài)開(kāi)關(guān)STS和隔離變壓器B1在可靠性上同UPS都是串聯(lián)關(guān)系，如圖8所示：

　　由于兩臺(tái)UPS在STS的輸出端在功能上對(duì)雙電源負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，就認(rèn)為二者是并聯(lián)關(guān)系，由此得出系統(tǒng)可靠性：

　　不可靠性或故障率就是0.00155，即萬(wàn)分之十五。從前面的式(3)可以看出，兩臺(tái)UPS直接并聯(lián)時(shí)的供電系統(tǒng)可靠性是萬(wàn)分之一，像圖7(a)增加了6個(gè)設(shè)備以后，造價(jià)成倍地增加了，而可靠性則成十倍地降低了。根據(jù)上面的計(jì)算，故障率是前者的15倍。

　　2.雙輸入交流電時(shí)兩種供電方案ATS功能的比較

　　有的認(rèn)為雙機(jī)冗余并聯(lián)時(shí)只用了一個(gè)ATS，這是個(gè)單點(diǎn)故障點(diǎn)，或稱(chēng)為瓶頸;而雙機(jī)雙總線時(shí)則用了兩個(gè)ATS，由于有冗余關(guān)系，消除了瓶頸效應(yīng)。

　　(1)雙UPS冗余并聯(lián)ATS的功能

　　雙交流輸入可能是雙市電，也可能是一路市電和一路燃油發(fā)電機(jī)組。在這里以雙路市電輸入為例。雙機(jī)冗余并聯(lián)時(shí)一般是利用ATS將雙市電互投為一路輸出，如圖9(a)所示。比如原來(lái)以市電1為主電源，市電2為備用電源，此時(shí)ATS通常就接通市電1到UPS組。當(dāng)市電1故障時(shí)，ATS就斷開(kāi)市電1而將市電2轉(zhuǎn)接到UPS組上。一旦ATS故障，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能而使后面的所有UPS失去輸入電壓。這就是所謂的瓶頸效應(yīng)，也有的稱(chēng)為單點(diǎn)故障。

　　當(dāng)然，為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，一般都采取了補(bǔ)救措施，比如有的廠家在ATS切換無(wú)法進(jìn)行時(shí)就采用搖臂以手動(dòng)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換;也有的廠家有可選擇的旁路開(kāi)關(guān)，在ATS故障時(shí)用人工的方法把旁路開(kāi)關(guān)合上去。但在先不考慮這些措施的前提下就認(rèn)為是瓶頸。

　　(2)雙機(jī)雙總線時(shí)ATS的功能是不是圖9(b)的雙ATS的連接法就消除了這種隱患呢。首先討論一下它的工作原理。

　　在正常情況下，一般都是這樣設(shè)置的：ATS1將市電1接通到UPS1，ATS2將市電2接通到UPS2。比如由于某種原因?qū)е率须?斷電，ATS1就自動(dòng)切換到市電2，以使UPS1能夠不間斷地得到輸入電壓;但由于某種故障原因使得ATS1在市電1斷電時(shí)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)切換，即市電2因 ATS1無(wú)法切換而使UPS1得不到市電2的支持，仍然會(huì)處于無(wú)輸入電壓狀態(tài)，只好待電池放電終結(jié)后而關(guān)機(jī)，但由于STS1的存在，UPS2的輸出電壓會(huì)及時(shí)地經(jīng)STS1切換到UPS1后面的負(fù)載上去，如圖10所示。由于此時(shí)UPS2的輸入電壓尚在正常供電，所以可使UPS1和UPS2的負(fù)載仍然不間斷地工作下去。雙總線的優(yōu)點(diǎn)只有在這里才得到了體現(xiàn)。不過(guò)，現(xiàn)在已處于無(wú)冗余供電狀態(tài)，維修時(shí)間已成關(guān)鍵，為了改善這種狀況，雙總線的每一路增加冗余，比如都變成1+1，不過(guò)這時(shí)的設(shè)備量又成倍增加了。

　　另一方面，在雙總線的情況下，雙電源負(fù)載的兩個(gè)輸入電壓是從兩路引來(lái)的同相電壓，即都是A相或都是B相、或C相，這又買(mǎi)下一個(gè)隱患：當(dāng)一路故障時(shí)(如上例中的市電1故障時(shí)的情況)，最后經(jīng)STS2將UPS2的輸出電壓切換到UPS1的負(fù)載上，可以看出，此時(shí)雙電源負(fù)載的兩路輸入電壓是同一相，如果這時(shí)對(duì)應(yīng)這一相的開(kāi)關(guān)故障(接觸不良或斷開(kāi))該雙電源負(fù)載就會(huì)因全部斷電而停機(jī)。原來(lái)的目的是即使一個(gè)UPS后面的單電源負(fù)載全部斷電時(shí)，該雙電源負(fù)載也不至于斷電，而此時(shí)的目的就達(dá)不到了。