随着大数据、云计算和5G技术的发展,对UPS供电系统的容量交付性和可靠性都有了更高的要求。受限于功率半导体器件和电路拓扑结构的限制,目前UPS单机容量已不能满足数据中心应用的容量需求,驱使UPS从传统的单机工作模式走向并机工作模式。
　　
　　业界针对UPS单机可靠性的提高已做了很多工作,经过数十年的研究,所得数据的可信性也越来越高。但对于目前普遍使用的多机并联UPS系统和多模块并联的模块化UPS系统,单机可靠性指标已不足以描述UPS供电系统的可靠性,建立包含输入输出配电系统的并联系统可靠性模型,并研究其与并机UPS数量的关系对于当前数据中心电源的设计与配置将很有参考与指导意义。
　　
　　1 UPS供电架构的可靠性分析
　　
　　图1是一个典型的UPS供电系统架构图。
　　
　　能量从电源方向依次流过UPS输入配电柜、UPS设备、UPS输出配电柜,该系统中任何一个单元故障均会影响整个系统的正常运行,即各子单元构成串联关系,假定各个单元是统计独立的,其数据可靠性模型如图2所示。对于给定的工作时间t,串联系统可靠度可计算为:
　　

式中RS(t)表示串联系统中的总可靠度,Ri(t)标识第i子系统单元的可靠度。
　　
　　串联系统的特点是系统中每个子系统都是不可或缺的,任何一个子系统故障都会导致整个系统的不正常工作,可靠度随着子系统单元可靠度的减少及子系统数量的增加而降低。
　　
　　显然RS(t)≤min(Ri(t)),如欲提高串联系统的可靠性,应减少子系统单元数量并应改善最薄弱子系统单元的可靠度。
　　
　　2 UPS冗余并机系统的可靠性分析
　　
　　工程应用中经常采用多台UPS并联的工作方式,假设该并机系统中各UPS之间在统计上是相互独立的,即不存在相关性,系统可靠性可用图3所示的模型进行描述:
　　
　　对于给定的工作时间t,并联系统可靠度为:式中RS(t)表示并联系统中的总可靠度,Ri(t)表示第i子系统单元的可靠度。
　　
　　并联系统的特点是系统由n个子系统单元并联而成,在不考虑负载容量等限制的情况下,任何一个或几个子系统单元故障都不会影响系统的正常运行,只有当所有单元都发生故障才会导致整个系统发生故障。
　　
　　显然RS(t)≥max(Ri(t)),即系统可靠度大于系统中可靠性最高子系统单元的可靠度,并机系统可靠性随着并机数量的增加和子系统单元可靠性的增加而增加。
　　
　　实际上UPS并机系统出现的初衷是为了克服单台UPS容量不能满足负载容量要求而做出的增容方式,正常工作时系统中各台UPS均分负载,当其中一台UPS出现故障后系统中剩余正常UPS容量如不能支撑负载所需容量,并机系统将会从主路工作转旁路工作或关闭UPS,使整个系统处于不可靠状态,显然各台UPS之间存在极强的相关性,在统计上不能认为是相互独立的,不能简单的使用图3所示的并联系统的可靠性模型。
　　
　　在《数据中心设计规范》GB50174中B级所规定的“N+1”配置方式在实际应用中经常被采用,这种配置方式中任何一台UPS故障均不会影响UPS并机系统运行,当两台及以上UPS出现运行故障时才会影响系统的运行。此时相当于多个“1+1”系统串联运行,该系统的可靠度为:

    图4为根据上式做出的“N +1”配置方式中并机数量与可靠度的关系图。
　　
　　图中纵坐标是系统可靠度(假设单机可靠度为0.9),横坐标是“N+1”UPS系统中“N”的数量。从图中可以看出在仅考虑容量相关性的条件下“1+1”配置方式可靠度最高接近于“1”,随着并机数量的增加可靠度出现递减趋势。
　　
　　并联的UPS除了各台容量之间存在相关性之外,并机UPS之间的并机控制软件与各台UPS之间也存在很强的相关性。并机软件是指实现并机UPS控制管理的软件,主要完成输出同步、负载均分以及负载变化时的动态响应等工作。
　　
　　使用中,并机控制软件存在兼容性、软件冲突、误码动作的可能,一旦其出现故障将会影响整个系统的正常工作,此时UPS并机数量与并机控制软件之间逻辑关系为串联关系,可靠性数学模型等同于串联系统模型。
　　
　　此时“N+1”配置方式系统的可靠度为式中为并机控制软件的综合可靠度。
　　
　　图5为根据上式做出的“N+1”配置方式中并机数量、并机控制软件与可靠度的关系图。
　　
　　图中“数量”是并机数量与可靠性的关系曲线,“控制软件”是在并机数量与可靠性的关系曲线基础上加权并机控制软件可靠度影响的曲线。纵坐标是系统可靠度(假设单机可靠度为0.9),横坐标是“N+1”UPS系统中“N”的数量,假设并机控制软件综合可靠度为0.95。从图中可以看出由于并机控制软件的影响使并机系统可靠度整体下降,当“N”数量达到3台时可靠度近乎与单机“0+1”可靠度相等,此时已接近于仅考虑数量影响下N=4的可靠度水平,如果控制软件可靠度数值继续减小,并机系统可靠度随之减小,此时控制软件可靠度已成为决定系统可靠性的关键因素。
　　
　　并联的UPS除了各台容量之间、并机控制软件与各台UPS之间存在相关性之外,并机连接硬件与各台UPS之间也存在很强的相关性。硬件相关性是指为把各台独立的UPS组成并机系统所使用的硬件与并机系统之间的相关性,硬件主要包括并机通信线、并机卡或是并机通信接口。
　　
　　实际使用中,上述并机通信线、并机卡或是并机通信接口都存在出现故障的可能性,一旦其出现故障将会影响整个系统的正常工作,此时UPS并机数量与并机控制软件和并机连接硬件之间逻辑关系为串联关系,整个系统可靠性数学模型如图6所示。
　　
　　图中:Pi为UPS并机系统内并联关系的相关子系统(例如:并联UPS数量);
　　
　　Si为UPS并机系统内串联关系的相关子系统(例如:并机连接硬件、并机连接软件)。
　　
　　上述模型为仅考虑并联UPS设备自身,不考虑外围配电(UPS输入配电柜、UPS输出配电柜)的情况下UPS“N+1”并机系统可靠性模型,该模型实际上是一个串并联混合系统模型。系统的可靠度为

式中为并机连接硬件综合可靠度。
　　
　　图7为根据上式做出的“N+1”配置方式中并机数量、并机控制软件以及并机连接硬件与可靠度的关系图。
　　
　　图中“数量”是并机数量与可靠性的关系曲线,“控制软件”是在并机数量与可靠性的关系曲线基础上加权并机控制软件可靠度影响的曲线。“硬件”是在并机数量、并机控制软件与可靠性的关系曲线基础上加权并机连接硬件可靠度影响的曲线。纵坐标是系统可靠度(假设单机可靠度为0.9),横坐标是“N+1”UPS系统中“N”的数量。假设并机控制软件综合可靠度为0.95、并机硬件综合可靠度为0.97。从图中可以看出由于并机硬件的影响使图5所示并机系统可靠度整体下降,当“N”数量达到2台时可靠度近乎与单机“0+1”可靠度相等,此时已接近于考虑数量和并机软件影响下N=3的可靠度水平,如果并机硬件可靠度数值继续减小,并机系统可靠性随之减小,此时控制软件可靠度已成为决定系统可靠性的关键因素。
　　
　　当并机线使用“N+1”冗余配置时(例如使用“手拉手”组成环形配置),只有当两条及两条并机线以上出现故障时,系统才会出现故障,这种配置方式在硬件上类似于UPS主机的“N+1”配置方式,存在一个冗余配置,相对于单线连接方式可靠度有所提升,但因其数值小于“1”,体现在图形上可靠度曲线位于图7“控制软件”曲线和“硬件”曲线之间,仍不能消除并机连接硬件对可靠度的影响,对其说明本文不在赘述。
　　
　　3 结束语
　　
　　综上所述,数据中心供电系统的可靠性取决于供电链路各子系统的可靠性,而UPS并机系统的可靠性又是整个系统最大的制约点。UPS(N+1)冗余并机系统可靠性与并机数量、并机控制软件和并机连接硬件存在极强的相关性,为提高UPS并机系统可靠性应提高UPS单机可靠度、限制并联主机的数量、增加冗余单机数量(如N+M配置,这里M>1)、提高并机控制软件和并机连接硬件的可靠度。此外还可以通过改变并机控制算法,如采用伊顿UPS的HotSync无数据线并机技术,解耦并机系统中各子系统单元的相关性,来提高整个并机系统的可靠性。
　　
　　参考文献:《新一代绿色数据中心的规划与设计》钟景华等
　　
　　作者简介
　　
　　曾显达,伊顿电源(上海)有限公司高级应用架构师,从事UPS技术工作和数据中心架构设计多年,对UPS产品及供配电系统有较深入的研究。
　　
　　徐华锋,伊顿电源(上海)有限公司应用架构经理。05年至今一直从事UPS相关技术工作,对UPS产品、供配电系统以及数据中心的架构设计有较深入的研究。
　　
　　编辑：Harris