UPS多机并联系统的可靠性

UPS多机并联系统的可靠性在IT信息技术飞速发展的当今社会，可靠性是IT技术发展的基础，因而作为保证IT设备不间断供电的UPS系统的可靠性也同样得到人们的高度关注，UPS设计师们采用了多机并联的方式来提升UPS系统的可靠性和可用性，取得了非常理想的效果，但是，多机并联方面的可靠性分析文章较少，本文将探讨与此相关的几个可靠性理论和工程问题，供设计工程师和电源系统管理工程师参考。一、UPS多机并联的可靠性1、基本的数学关系根据可靠性理论，对于批量稳定生产的电子产品，在其寿命的偶然失效期内，故障率函数为常数，即λ（t）=λ为常数，此时，该产品的可靠度函数R（t）、平均无故障时间MTBF为：R(t)=exp(-λt)MTBF＝1/λ2、串并联系统的可靠性在恒定故障率的假定条件下：对于由m个串联逻辑单元组成的系统，其系统的可靠度函数为R(t)=R1(t)R2(t)…Ri(t)=exp(-λt)λ=λ1+λ2+…+λiMTBF＝1/(λ1+λ2+…+λi)对于由m个并联逻辑单元组成的系统，其系统的可靠度函数为R(t)=1－(1－R1)(1－R2)…(1－Ri)=1－(1－exp(-λ1t))(1－exp(-λ2t))…(1－exp(-λit))如果全部的逻辑单元相同，则R(t)=1－(1－exp(-λt))nMTBF＝1/λ+1/（2λ）+…+1/（nλ）＝∑1/（nλ）显然，为了提高系统的可靠性，必须尽量减少串联逻辑单元的数量，尽量增加并联逻辑单元的数量。3、UPS的多机并联（1）、（1＋m）多机并联由2中的公式很容易得到（1＋m）多机并联系统的可靠性指标（按单机MTBF做归一化）：1＋m1+01+11+21+31+41+51+61+71+81+9MTBF11.51.832.082.282.452.592.722.832.93虽然∑1/（nλ）函数为不收敛的递增函数，但是，从上表可以明显看出，在1＋4的多机并联以后，每增加一台UPS对MTBF的增量贡献就很不明显。所以，如果想通过（1＋m）多机并联来提高UPS并联系统的可靠性，m值不大于3。（2）、（n＋1）多机并联很多人在系统方案考虑时将（1＋m）和（n＋1）多机并联混淆，其实，前者指有m台冗余备份，而后者只有一台冗余备份，因此，其MTBF和可靠性模型不同。当n＝1时，MTBF的结论刚好与（1）点表中值相同。对于n大于1的情况，只要出现两个并联单元故障，（n＋1）系统就失效，因此，其失效率明显要比（1＋1）系统的大（这里假定并联单元的失效率相同），且随着并联数量n的增加而增加。因此，（n＋1）多机并联系统的MTBF不大于单机的1.5倍。（3）、（1＋m）、（n＋1）多机并联的意义从上述的讨论可知，这两种情况的失效率是得到数量级的降低，而MTBF值的提升并不是数量级的提升，但是在工程上，这两种多机并联方案解决了用户供电系统的在线热维护问题，保证了客户负载在任意时刻都处于UPS供电状态，这是多机并联的本质性意义。二、与UPS并联系统可靠性相关工程因素在上述的可靠性计算中，我们是将UPS并联单元当作理想的模块，忽略了工程上的问题，其实，并联控制模式、并联控制系统的可靠性、UPS单元输出功率级故障等都将对并联系统产生不可忽略的影响，下面分别阐述。1、并联控制模式与并联系统可靠性关系在多机并联控制中，存在两种控制模式，即主从关系并联控制和无主从关系的并联控制模式。在主从关系并联的控制方式中，存在一台控制并联系统的主机，所有的控制取决于这台并联单元，因此，当这个主单元故障时，整个并联系统将失效，这种并联模式的系统可靠性取决于主机，考虑到其它单元的失效率，整个系统的可靠性比单机时还要低些。所以，主从并联控制的方式比较适合于UPS的扩容并联。为提高系统可靠性和实现在线热维护的UPS并联系统应采用无主从关系的控制模式。2、并联控制系统对UPS并联系统可靠性的影响在所见到的文章中，也基本都没有考虑到并联控制系统本身的可靠性问题。其实，在无主从并联控制系统中，这部分的电路和软件与原先单机的电路和软件的大小是同一数量级的，根据我们对多种无主从并联技术的研究，从可靠性指标分配上看，并联控制系统失效率的菲特数约为原整机的10％，基本是线性关系。因此，从理论上讲，采用无主从并联技术的单机UPS模块的MTBF比没有采用该技术的产品要低10％左右。当然，多机并联系统的MTBF仍然是随着并联单元数目的增加而单调增加，且明显超过单机的MTBF值。为此，如果具有并联功能的UPS如果要作为单机使用，最好屏蔽并联控制部分的单元，以提高UPS单机应用的可靠性。3、UPS输出功率级故障对并联系统可靠性的影响在以往的可靠性文章中，也基本没有考虑UPS输出端功率级故障对并联系统的可靠性。实际上，输出端功率级故障可以概括为开路性故障和短路性故障，对于开路性的故障，只要并联控制控制系统包含对该问题的判断和处理，一般是不会对并联系统产生影响的；但是对于短路性故障，则控制系统往往很难快速准确判断，且即使判断后也不一定可以有效处理，从而给整个并联系统造成致命的问题，如造成输出低压、使得并联系统转到旁路；如果短路能力足够大的话，还将导致旁路回路空开跳闸，输出出现致命的断电。所以在多机并联系统可靠性模型中，应串联入UPS输出功率级短路故障模型；而不同并联单元之间的输出功率级短路模型间也是串联关系，可见，并联台数的增加将导致该串联部分的菲特数按台数线性增加，从而降低并联系统的可靠性。从UPS的故障率分布来看，功率级短路占整个故障的比例一般在5－10％，所以，从这个角度看，在并联冗余台数达到一定数量时，这部分影响将抵消多机冗余的对可靠性的增加贡献，使得并联台数增加时，可靠性或MTBF并未增加，甚至下降。这也是为什么有些品牌的UPS并联系统在实际使用中没有体现出更高可靠性的一个主要原因。只有当并联系统的额定功率远大于并联单元的功率（如20倍），使得并联单元的输出短路对于系统影响可以忽略时，该因素才可以不考虑。但这在中大功率UPS并联应用中明显无法满足。三、并联单元数量的优选对于一个给定的负载系统（假定负载功率为P），如果要采用UPS多机并联系统，究竟采用什么样的系统较为合适？1、性能价格比对并联数目的约束如果采用（n＋1）多机并联系统，则每个单元的功率为P×1/n，即：1＋0：P；1＋1：P+P；2＋1：P/2＋P/2＋P/2；……n+1：P/n＋P/n+……＋P/n从一中的讨论可知，n值变化时，系统的MTBF和可靠性在n=1时最大，且从UPS单元的成本与功率的平方根成正比的经验公式上看，（n＋1）多机并联系统的成本为：（n＋1）×（1/n）1/2M，其中M为功率为P的UPS的成本。显然，整个并联系统的成本随着n的增加而单调增加。因此，从性能价格比的角度看，只要是在供电系统的早期设计考虑好，尽量采用1＋1的冗余并联系统。2、维修率对并联数目的限制对于给定的（1＋n）、（n＋1）多机并联系统，虽然系统的可靠性和MTBF是增加的，但是由于台数的增加，必然导致维修率的增加，假定并联单元的失效率为λ，则：单机的维修率为：λ；双机的维修率为：1－（1－λ）2；（1＋n）、（n＋1）时的维修率为：1－（1－λ）n+1；从上述的式子可知，随着n的增加，系统的维修率也是基本与并联台数成比例地增加，虽然并联单元的维修并不意味着并联系统的失效，但这也将增加并联系统的运行成本。所以，从维修和运行成本的角度考虑，冗余并联系统也是尽量减少台数。综合上述讨论，以及“一.3”的结果，我们认为，设计冗余并联系统时应优先采用1＋1系统。当然，并联扩容的情况不受这个结论的限制。结论1、多机并联是提升UPS可靠性的有效方案，但是不是冗余的台数越多越好，优选方案为1＋1系统。2、有多个实际的工程因素对多机并联系统的可靠性模型产生很大影响，设计并联系统和应用时应充分考虑。