陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　
　4.4模块化UPS设备的可靠性和可用性
　　
　　模块化UPS是一个具有多重冗余结构的可扩充的模块化系统,要确切的分析其可靠性是一件很繁琐的事。但是,我们可以针对UPS中最薄弱的环节AC/DC和DC/AC变换(功率模块),从方案配置的角度比较单台UPS“1+1”冗余并机和模块化UPS“n+1”冗余并机在可靠性和可用性方面的差别。这样做是接近实际情况的,因为不管是单台UPS“1+1”冗余并机还是模块化“n+1”冗余并机,其可靠性都主要取决于最薄弱的环节AC/DC和DC/AC变换(注:这里的n表示模块数)。
　　
　　4.4.1模块化UPS设备的可靠性
　　
　　“1+1”单机冗余并机系统在运行中只允许一台发生故障,两台同时故障时系统就宕机。而模块化UPS“n+1”(n>1)冗余并机虽然也是只允许一台功率模块发生故障,两台同时故障时系统就宕机,但两台同时故障的情况却有多种组合。例如:
　　
　　n=2时,有1-2、1-3、2-3等3种;
　　
　　n=3时,有1-2、1-3、1-4、2-3、2-4、3-4
　　
　　等6种;
　　
　　n=4时,有1-2、1-3、1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、3-4、3-5、4-5等10种;
　　
　　(1)满负载情况下可靠性的区别
　　
　　在系统满负载情况下,“1+1”冗余并机和“n+1”模块化UPS都是只允许一台发生故障并可在不影响系统正常运行的情况下脱机修复,两台同时故障时系统宕机。
　　
　　如果单机和模块化UPS功率模块的可靠度相等且均为R,“1+1”冗余并机可靠度为R1+1,“4+1”模块化UPS可靠度为R4+1,则
　　
　　R1+1=1-[1-R]2
　　
　　R4+1={1-[1-R]2}10
　　
　　在所有各台单机(或模块化UPS的功率模块)可靠性相同且等于0.9的情况下,则
　　
　　R1+1=1-[1-R]2=0.99
　　
　　R4+1={1-[1-R]2}10=0.9
　　
　　(2)实际负载小于满负载情况下可靠性的区别
　　
　　在实际应用中,设计负载容量往往小于UPS的额定输出容量,特别是在数据中心投入使用的初期,负载的实际容量更是远小于UPS的额定输出容量,此时模块化UPS的冗余模块的数量会大于1，这时可以把系统定义为模块化“n+m”冗余并机系统。
　　
　　n:n个模块额定容量之和等于UPS实际输出负载容量;
　　
　　m:实际冗余的模块数。
　　
　　如果每个模块的可靠性为R,则系统可靠性表达式为

　　
　　对于“4+1”模块化UPS冗余并机系统,其可靠性与负载量的关系如下:
　　

　　
　　假定单机(或功率模块)的年可靠度R(t)=0.9,可计算出“1+1”冗余并机与模块化“n+1”冗余并机的区别,以及负载量的影响,见表4.3,这里取n=4。

　　
　　通过以上分析,可得出下面的结论:
　　
　　第一:当单机可靠度为0.9时,单机“1+1”系统可靠度可达到0.99,此值与负载量无关,不管系统实际负载量是多少,系统永远是“1+1”冗余,不允许两台同时故障;
　　
　　第二:当系统实际负载等于系统设计额定负载量时,如果单个模块可靠度为0.9,则模块化“4+1”冗余系统可靠度为0.9,低于单机“1+1”冗余系统。但是当系统实际负载等于UPS系统设计最大负载量的75%时,则“4+1”冗余系统变成“3+2”冗余系统,系统可靠度为0.99,当系统实际负载等于UPS系统设计最大负载量的50%时,“4+1”冗余系统变成“2+3”系统,可靠度再次提高到0.99995。
　　
　　4.4.2模块化UPS设备的可用性
　　
　　计算可靠性时使用的数学模型和计算方法同样适用于对可用性的分析和计算,但是计算可用性时我们用可靠性的另一个参数——平均无故障时间MTBF,同时还要用到可修复性参数——平均修复时间MTTR。
　　
　　假定:单机UPS和模块化UPS功率模块的MTBF=10万小时(这是目前产品的水平);单机UPS的MTTR=8h(包括故障反应和故障修复时间);
　　
　　模块化UPS功率模块的MTTR=0.5h(拔插更换修复)
　　
　　则:UPS单机的可用性A=MTBF/
　　
　　(MTBF+MTTR)=0.9999
　　
　　模块化UPS功率模块的可用性A=MTBF/
　　
　　(MTBF+MTTR)=0.999995
　　
　　当知道了单机(或功率模块)的可用性数据后,上面提到的对并机系统可靠性的计算公式同样适用于对并机系统可用性的计算。

　　
　　通过以上分析可得出下面的结论:模块化UPS的可用性比单机“1+1”的可用性高,根本原因是模块化UPS的模块故障后可热插拔修复。再者,可用性也随着负载量的减轻而提高,当系统实际负载等于设计额定负载量的75%时,可用性已经近似为1。
　　
　　对于表4.3和表4.4的计算结果需要说明的是,以上分析得到的可靠性和可用性结果都是比较高的,如果把系统中的输入配电、输出配电、变压器、UPS的输入和输出接触器等环节都考虑在内,那么实际UPS系统的可靠性和可用性数值都要小得多。

（未完待续）

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