1 能否确保信息网络的数据安全是衡量UPS供电系统的设计是否合理的关键指标之一
在当今的市场经济条件下, 人们对信息网络的依赖程度是如此之高,以致于任何公司/企业如果长期游离于”网络经济”之外,它将极易在激烈的市场竞争中被淘汰. 在此背景下,越来越多的公司为获得最大化的利润，高市场占有率和增强对市场的快速响应能力。政府机构为提高管理水平及办事效率而大力推进电子政务等。所有这一切都需要利用信息网络来及时、准确地处理/交换/分享的信息资源. 众所周知: 对于当今的社会和经济生活来说, 对由”信息网络”所处理的种种信息资源的”准确度”和”时效性”的要求是加此之高. 那怕是仅”几批数据”的错误传送或仅几秒钟的”网络瘫痪”事故的发生,均会给相关的企业及其用户的正常经营/业务活动带来不应有的损失. 从某种意义上讲,信息就是办事效率/财富/金钱. 近年来, 由于”网络瘫痪”而引发的种种”商业纠纷”和”顾客投诉”等不幸事故、时有发生。例如，对于金融、证券/电信行业/工业自动化生产线等重要用户而言，那怕是出现0.5—1小时的”网络瘫痪” 的事故时，就有可能造成从几十万到几百万元的经济损失。 其中，由于”电源问题”给信息网络的安全运行所可能帶來的典型故障隐患有：
(a) 明显的”网络瘫痪”故障：
由于长时间”供电中断”所造成的信息网络设备关机(宕机);
由于在供电电源的上出现”瞬态高压浪涌”或”瞬间供电中断”故障而导致在信息网络的运行中、产生偶发性的”开机自检”误启动操作;
因电源”干扰”或”零线对地线电位”过高所造成的网络设备的”死机”故障(注：对于此时的网络设备而言，它既没有出现过”硬件损坏”事故，也没有出现过”停电”事故)。
显而易見：在信息网络的运行中、一旦遇到上述故障之一时,都会因网络的操作系统遭到破坏而导致出现”网络瘫痪”故障。
(b) 隐型的”网络瘫痪” 故障：
因供电系统的干扰过大、”零线对线地”的电位偏高、接地系统设计/布线不合理而导致网络设备的”误码率”增高,并进而导致信息网络出现逻辑操作错、运行速率下降和数据”吞吐量”减小等弊端。由此所带来的恶果是:造成工作效率的下降/公司利润的减少。
由于普通的市电电源存在市电停电、过压/欠压、频率突变、高能瞬态浪涌、各种电磁干扰等电源问题，它难于确保信息网络的安全运行。正因为如此, 当今的信息网络几乎毫无例外地都选用UPS来作为IT设备的供电电源，以便为信息网络能高速、可靠、不间断地运行创造出优良的运行环境。在此条件下,有时会产生这样一种误解:只要选用UPS电源/”N+1”型UPS冗余供电系统就能确保不会发生”网络瘫痪”/数据丢失的事故. 然而,事实并非完全如此。如果由于UPS机供电系统的设备选型不当,设计方案和接地系统考虑欠妥、仍会而留下的种种”网络瘫痪”故障隐患。 为了能合理地规划、设计和配置出具有高”可利用率”的UPS供电系统，有必要充分地理解它的平均无故障工作时间(MTBF)、平均修复时间(MTTR) 和可利用率(Avialability),以便尽可能地设计出具有最佳性价比的UPS供电系统。
2 何正确地理解UPS供电系统的可靠性和”可利用率”
2.1 PS单机的平均无故障工作时间(MTBF)
在UPS供电系统中，我们常用平均无故障工作时间(MTBF)来评价UPS电源的可靠性。它代表的物理含义是:从UPS投入运行起，直到因UPS供电系统中的某个关键器件”出故障”,并最终导致在其输出端出现”停电”故障时为止的平均工作时间。显而易见, UPS的MTBF值越大越好。其大小不仅受控于UPS中的各种元件和部件的失效率(λ),还受控于UPS设计方案和制备工艺。这就意味着：即使UPS厂家釆用的是相同的元器件。然而，由于设计方案和制造工艺的不同、也会导致不同的UPS具有不同的失效率(λ)的情况发生。
平均无故障工作时间(MTBF)与失效率(λ)之间的关系为:
MTBF=1/λ
如图1所示，在最常用和最可靠的带”输出隔离变压器”的双变換、在线式UPS电源中、有如下3条供电通道:
[page] 逆变器供电通道：由输入交流电源、整流器(电池)、逆变器、输出隔离变压器、输出静态开关/断路器开关等所组成的UPS逆变器供电通道;
交流旁路供电通道：由输入交流电源和旁路”静态开关”等所组成的UPS交流旁路供电通道
维修旁路供电通道：由输入交流电源和手动维修旁路开关所组成的UPS维修旁路供电通道。
因此，对于1台UPS单机电源来说，它有两个平均无故障工作时间(MTBF)值:
(a) UPS逆变器的MTBFI： 它代表当UPS被置于”不帶交流旁路”工作状态下运行时，从UPS投入正常工作时起、到因故致使UPS的逆变器进入”自动关机”，并造成UPS输出”停电”时的平均无故障工作时间。
从某种意义上讲、对于不允许出现”网络瘫痪”故障的关键性网络来说(例如:政府的电子政务和军事网控系统、电信企业的收费系统、石化和IC生产线、银行的交易和营业系统、交通管理和售票系统等), 是不允许它们所用的UPS进入”交流旁路(包括交流静态旁路和维修旁路)”工作状态的。这是因为：在此条件下，一旦在不输入电源出现过”瞬间供电中断”时间超过20毫秒以上的”闪断”故障时、就会造成”网络瘫痪”故障的发生。因此，对于信息网络时代的UPS而言，这个MTBFI参数是判断UPS选型是否合理的最重要的指标之一。
(b) UPS单机的MTBF(它意味着：此时的UPS是运行在“帶交流旁路”的工作状态下): 它表示在UPS因故进入”逆变器自动关机”状态时、并被自动切換到交流旁路工作状态后，又遇到输入电源因故出现”停电”事故或因旁路”静态开关”失效而导致UPS电源进入”输出停电”故障的平均无故障工作时间。显然，这个MTBF值大小不仅与UPS的质量高低有关，还与市电电网的”停电几率”密切相关。
对于那些能容忍出现”网络瘫痪”故障的用户来说, 当出现因UPS输出停电而导致出现”网络瘫痪”故障时，一般它仅会给用户带来”时间的浪费”和工作效率的下降。它既不会给用户带来巨大的经济损失、也不会造成社会生活的局部混乱(例如：供学生練习用的网络、个人浏览用的PC机平台等)。也就是说，仅对”非关键性”的信息网络用户来说、才宜于把这个UPS单机的MTBF参数、作为判断UPS的选型是否合理/产品质量高低的技术指标來使用。
对于UPS逆变器电源来说，它的总失效率λ逆变器应该是位于逆变器电源供电通道内所有元器件的失效率之和：
λ逆变器=∑λS(i)* A(i);
式中： λS(i)是：第i个元器件的失效率； A(i)是：因第i个元器件”出故障”而可能导致UPS逆变器”自动关机”，并转入”交流旁路供电状态”的几率；它意味着：并非位于逆变器供电通道中的仼何部件”出故障”都一定会导致产生”逆变器自动关机”的故障的。
1台UPS单机的失效率λ的数字仿真和计算分析流程图被示于图 2中。
[page] 如该图所示，UPS的MTBF=1/λ受控于逆变器逻辑控制PC板、整流器逻辑控制PC板、静态开关逻辑控制PC板、逆变器驅动模块、直流辅助电源、风扇等部件的失效率。在这里需说明的是：在UPS中、並非在仼何元件”发生”失效”故障时、都一定会导致UPS的故障率增大。例如：为确保位于UPS中的各种控制电路都能获得具有高”容错”功能的直流辅助电源供应，在高级UPS中、常釆用由UPS的交流输入电源及逆变器输出的交流电源所构成的多路AC/DC变換式直流电源和由蓄电池所产生DC/DC变換式直流电源所共同组成的冗余式直流辅助电源设计方案。显然，对于这种UPS来说，只有在上述AC/DC及DC/DC变換式直流电源同时”出故障”时、才会造成直流辅助电源的”消失”。因此，从计算程序上、它具有类似”与门”的逻辑关係。因此，在分析UPS的失效率时，不宜简单地釆用总失效率=各元部件的失效率的”叠加和”或失效率的”乘积”的计算办法。
为说明此问题，现以UPS逆变器电源的平均无故障工作时间MTBFI为例来说明此问题：有关逆变器模块中的部份”控制元件”的失效率及其影响统计值被列于表1中。从该表可见：
在UPS逆变器供电通道中、故障率最高的部件是：IBGT功率模块、IGBT管的驱动电路及微处理器/DSP芯片。在UPS逆变器电源的总失效率中、其中52.3%的故障是由IGBT管的驱动电路+ IBGT功率模块的”失效”所造成的、10.8%的故障来自微处理器/DSP芯片的失效/误动作。从这样的统计数据可见：当我们在设计和选用UPS电源时、提高UPS可靠性的最大潜力到底在何处?
当位于逆变器供电通道中的微处理器、旁路接口、UPS输出检测、DC总线电压检测、直流辅助电源、三相负反馈调控电路、IGBT模块等关键部件发生故障时,它们的确会导致UPS逆变器”自动关机”、并转入交流旁路供电状态,从而造成UPS的MTBFI值的下降。然而，在逆变器供电通道中、当遇到”退耦电容”失效、DC总线电流检测、交流旁路电压检测电路等”出故障”时，虽然它有可能会导致UPS发出报警信号、但并不会导致UPS进入交流旁路供电状态。当然，也不会造成UPS产生输出”停电”的故障。
从图1和2可见：位于UPS供电通道中的各部件、并非都处于”串联”工作状态。对于UPS的逆变器供电通道与交流旁路供电通道来说，由于它们是处于”并联”工作状态的。因此，只有在逆变器”自动关机”/逆变器的输出静态开关”失效”、输入电源停电/交流旁路静态开关”失效”等故障同时出现时、才有可能造成UPS输出停电。因此，UPS单机的可靠性(MTFB值)必然是高于UPS逆变器的可靠性(MTBFI值)。
[page]表1: 逆变器供电通道中的部份”控制元件”的失效率及其影响
下面举例说明，目前的大型UPS的MTBF值所能达到的水平：
UPS逆变器的平均无故障工作时间(MTBFI)=48,200小时;
UPS单机的平均无故障工作时间(MTBF)=383,400小时(注：市电电网的MTBF是按1000小时来计算的)。
“1+1”型冗余并机系统的MTBF=2,315,100小时。
由上式可见：
(a)最能反映UPS可靠性的指标应该是逆变器电源的MTBFI值，而不是带“帶交流旁路”的UPS单机的MTBF值。这是因为在UPS单机的MTBF值的计算中，即使它们的逆变器具有相同的MTBF值，也会因所采用的市电电网MTBF值和UPS的平均修复时间的不同而使得同样的一台UPS单机的实际MTBF值相差较大，从而削弱了各种UPS单机的MTBF值的”可比较性”。
(b) 采用”N+1”型冗余并机配置设计方案后，可以大大提高UPS供电系统的MTBF值。大量的运行实践证明：这的确是提高UPS冗余供电系统”可靠性”的行之有效的技术手段。
此外，大量的UPS运行实践表明：所选用的UPS单机的额定输出功率越大，它的可靠性也越高(MTFB值越大)。UPS单机的额定输出功率越大，每KVA的平均价格也越低、配电系统所用的电缆数量越少。因此，当我们在规划、设计IDC机房/电信机房时，应尽可能地选用单台大容量UPS和釆用集中供电设计方案。这是因为它具有较好的性价比的缘故。
• 0.7--10 kVA UPS的MTBF=4--10万小时;
• 15--40 KVA UPS的MTBF=9--22万小时;
• 50--1000 KVA UPS的MTBF=20--40万小时。
2.2 PS 电源的可利用率Va
它表示在UPS运行中，其正常工作时间与总工作时间的比值。一套UPS 供电系统的”可利用率”Va值的大小同时受控于UPS的平均无故障工作时间(MTBF)和它的平均修复时间(MTTR)。
Va=MTBF/(MTBF+MTTR)
[page] 由上式可见: 其中的MTBF值反映的是UPS的可靠性的高低，而它的MTTR值则代表：从UPS供电系统发生故障起、直到维修人员赶到现场，将其修好，并重新将UPS投入正常运行所需的平均修复时间。显而易见, 这个MTTR值的高低不仅取决于UPS的机柜设计是否具有优良的”可维护性”。而且，还与”維修人员”的技术水平的高低及能否及时地赶到事故现场,备品、备件的供应是否充分等因素密切相关。它并不是能”毫无限制地”被缩短的。显而易见：UPS的Va值越大，其”可利用率”则越高。为了提高UPS的”可利用率”，我们釆取下述几种技术途经：
(a) 从改进UPS的设计及制备工艺着手来提高UPS的可靠性,以便提高UPS逆变器电源的MTBFI值和UPS单机的MTBF值。
(b) 从提高输入电源的供电”可靠性”入手、以降低在UPS的输入端上出现的停电”几率”的办法来消除UPS在因故转入”交流旁路供电”状态时,所可能发生的”输出停电”故障隐患。常用的技术措施有：
选用高质量的市电供电电源/”双总线”冗余输入供电系统;
设计具有”选择性跳闸功能”的输配电供电系统，防止在由多级断路器开关所组成的配电系统中发生”越级跳闸”或同时”跳闸”事故;
在配电系统中、正确地选配”防雷击、抗浪涌”抑制器等。
(c) 从缩短UPS的”停机检修时间”着手來降低它的MTTR值,以便在UPS出故障后,能在尽可能短的时间内、使它重新恢复正常工作。
(d) 釆用”N+1”或”N+X”冗余并机系统设计的办法来提高UPS供电系统的”容错”功能。 其中，前三种技术措施被用于提高UPS单机的”可利用率”Va。后一种技术措施被用于提高UPS冗余并机系统的”可利用率”Va并机。
2.3 高UPS 电源的”可利用率”Va的技术途径
表2是UPS单机的可利用率(Va)同平均无故障工作时间(MTBF)和平均修理时间(MTTR)之间的关係表,从该表可見,提高UPS的Va的技术途径有：
通过提高UPS的平均无故障工作时间(MTBF)来提高UPS的可利用率Va：
在UPS具有相同的平均修复时间(MTTR)的条件下，如果能将它的平均无故障工作时间(MTBF)提高10倍，则可将UPS单机的”可利用率”Va增加一个9。例如：在MTTR=4小时相同的条件下，当UPS单机的MTBF值从4千8小时增加到4万8千小时，它的”可利用率”可从99.9167% 提高到99.9916%。
通过提高UPS的平均修复时间(MTTR)来提高UPS的可利用率Va：
从表2可見：通过降低UPS的平均修复时间(MTTR)值的办法，可以使原来具有较低MTBF值的UPS获得受较高的”可利用率”。例如：对于MTBF值仅为4千8小时的UPS来说,如果将能它的MTTR值从4小时缩短到15分钟的话，就可将它的”可利用率” 从99.9167% 提高到99.9948%。
表2: UPS单机的可利用率(Va1)同平均无故障工作时间MTBF和平均修理时间MTTR的关係
[page] 按照上述推理,似乎可以得出这样的结论：相比之下，釆用降低UPS的MTTR值的办法来提高UPS的”可利用率” 的办法比釆用提高UPS的MTBF值来提高UPS的”可利用率”的办法的更加有效。例如：对于MTBF值仅为4千8小时的低质量UPS来说，如果能将它的修复时间缩短(MTTR)到15分钟的话，这种UPS电源的”可利用率”就能达到选用MTBF为38万小时的高质量UPS、但修复时间为4小时的UPS的几乎相同的”可利用率”。在此背景下、人们往往会产生这样一种的想法,我们与其釆用需要花费很大的人力和物力的办法来制备出高性能和高可靠性的(大MTBF值)、但成本偏高的UPS单机来提高它的Va值，还不如选用可靠性较低、成本较低的、但降低它修复时间(MTTR)较短 UPS 来提高它的Va值。釆用这种设计方案的典型UPS供电系统是：由小功率电源模块和小容量的电池模块所组成的模块化、阵列式”N+X”型UPS冗余并机系统。有关模块化、阵列式UPS供电系统的利弊分析将在后续文章中、继续讨论。
2.4 息网络时代的UPS的”可利用率”Vai
在允许计算机单机或局域网络处于”间断的、不连续工作状态”的时代，对多数用户来说，当因故造成UPS输出”停电”、并进而造成计算机或局域网络停止运行时，仅仅会带来工作效率降低或工作时间的浪费等不良影响，不会带来重大的经济损失。因此，当时在选用UPS时的主要关注点是:一旦UPS发生故障后，如何能在尽可短的时间内将UPS修理好，以便重新恢复正常工作。在此历史背景下，模块化、阵列式UPS供电系统因其具有优良的现场”可更換性”、而对某些用户呈现出相当大的吸引力。这是因为如果选用这种UPS电源的话, 既无需他们去查找UPS”出故障”的原因、也无需花精力去熟悉UPS的工作原理及维护技巧，只要把”有故障的”电源模块/电池模块/监控模块拨出、再将新的相应模块插入，就能使UPS电源恢复正常运行。
然而，对于当今的信息网络来说，为确保用户能连续断地、高效和可靠地在信息网络上处理/存貯/分享/交换信息资源（数据，语音和图形等)。它是不允许因UPS”出故障”而出现”网络瘫痪”事故的。这是因为对当今的信息网络设备而言，它们所允许的”瞬间供电中断时间”仅为15-30毫秒(1毫秒=千分之一秒)。否则，就会导致”网络瘫痪”事故发生。凡是熟悉网络的人们都知道：一旦出现这种不幸局面，要想让信息网络重新恢复正常工作，往往需耗时几十分钟到几小时。基于上述要求，从原则上讲、当我们在规划和建设信息网络机房时、为它配置和设计UPS供电系统时所追求的设计目标应该是：
(a) UPS供电系统必须永远工作在逆变器电源工作状态，既不允许它因故被切换到”交流旁路”供电状态，也不允许它进入”维修旁路”工作状态。因为只有这样，才有可能在信息网络的运行中、消除出现”网络瘫痪”的故障隐患。为达此目的，应该选用具有高MTBF1值(逆变器的平均无故障工作时间)的UPS单机。
(b) 对于信息网络用UPS供电系统而言，它所允许的平均修复时间(MTTR)几乎是零。因为只要在UPS供电系统的运行中、在它的输出端曾出现过”瞬态高压浪涌”或”瞬间供电中断”故障、就可能会导致出现”网络瘫痪”故障。一旦”网络瘫痪”故障发生。 此时，无论釆用什么措施來缩短UPS的MTTR值、那怕能在1秒钟內将UPS电源修复好(显而易见，没有任何人可以在如此短的时间内去完成此任务)、也无法弥补由于”网络的恢复时间”长达几十分钟到几小时所可能造成的危害。 因此，在此背景下，如果仍沿着通过缩短UPS的修复时间(MTTR)来提高它的”可利用率”的思路来选择UPS供电系统的设备配置和设计方案时、易于导致作出”不切实际”的或错误的”抉择”。此外，在实际操作中，对于相同维修人员、相同的UPS电源系统来说，其MTTR值呈现出相当大的”不可控性”。这是因为UPS的实际MTTR值同时受控于如下因素：机房维护人员从获悉UPS发生故障起、直到赶到事故现场所需要的时间/距离; 检修人员处理事故的能力和经验; 是否配置有充足的、符合事故现场所需的备件/维修工具等变数。一般说来，能将修复UPS的时间控制在2-4小时之内、已非”易事”。因此，仼何建立在把UPS的MTTR值降低到”接近于零”(例如：几分钟)的办法来考虑和选择具有高”可利用率”的信息网络机房的设计方案,在实践中、往往是难以实现的。
基于上述原因：当我们在评审信息网络机房的”可利用率”指标时，建议选用信息网络的”可利用率”Vai(它表示：信息网络的”有效运行时间”同”总工作时间”的比值。在这里，总工作时间=网络的有效运行时间+”网络瘫痪”时间+UPS供电系统的平均维修时间MTTR)。
Vai=MTBF/(MTBF+MTPF+MTTR)
在这里, MTBF(Mean Time between Failures)代表网络的平均无故障工作时间;
MTPF(Mean Time Of Paralytic Failures)代表网络的平均瘫痪时间,它主要取决于重新恢复网络用操作系统,并使用户的各种应用软件进入正常工作状态所需的恢复时间。
由上述可见：为使信息网络获得尽可高的”可利用率”Vai，最佳的技术途径应该是选配具有高性能、高可靠性的UPS(例：带”输出隔离变压器”的双变換、在线式UPS)来提高Vai，而不宜将缩短MTTR值作为优选指标。当然，更不宜选用以牺牲供电系统的”可靠性”来获得UPS受损部件的”易换性”的设计方案。 对于当今的信息网络机房(IDC机房、电信机房和工业自动控制机房等)来说，其最佳方案是选用由大功率的UPS单机所组成的”双总线输入”、”双总线输出的”N+1”UPS冗余并机系统(有关这种UPS冗余供电系统的利弊分析、将在后续文章中、继续讨论)，并应设法为它设计和配置出具有如下优异特性的UPS供电系统：
“N+1”型UPS冗余并机系统具有365*24小时提供逆变器电源的能力;
在确保信息网络设备获得”UPS逆变器电源”连续供电的条件下、能对“N+1”型UPS冗余并机系统进行”不带电”的检修操作;
UPS供电系统具有优良的电磁兼容性及较低的”零线对地线”电位;
位于同一信息网络中的各IT设备均具有相同的”地电位”。
[page]3 得最佳的性价比是衡量信息网络机房设计水平高低的重要标志之一
当我们在从事规划和评价信息网络用机房的设计方案和决定该机房的投资规模和建设进度时，一般需遵循如下设计原则：
(a) 所选用的”一体化机房动力”保护系统(电源、空调、消防和集中监控系统)不仅需具有令人滿意的高可靠性,以确保IT设备硬件运行的安全性。而且，还需从完善电磁兼容及接地系统着手，以便消除各种电源干扰问题。对于当今信息网络时代的机房保护系统来说，应高度重视和考察它们能否为信息网络的数据安全运行创造出优良的运行环境。其重要标志是：能否消除可能导致出现”网络瘫痪”的故障隐患。
(b) 在确保信息网络及其所运行的数据安全的前提下，选用能确保用户的IT设备始终处于最佳运行状态、投资省、运行和维护成本低、并能随着用户的业务发展、易于实施分阶段的现场”增容”施工的设计方案, 以便使用户能获得最高的投资回报率(利润最大化/最佳的社会效益)。切忌釆用以牺牲”可靠性”为代价的”低成本”方案。
为建设具有最佳性价比的信息网络用机房, 请注意和处理好如下事项：
在充分调研市场需求、用户负载的重要程度及未来5年业务的预期增长趋势的基础上，尽可能准确地规划、估算和设计信息网络机房的最终容量、是否需要采用分期实施方案(如果需要的话，需合理规划”分期容量”及分期实施预案);
不管是釆用”一步到位”设计方案、还是”分期施工”设计方案,对于在电力基础设施中所用的主变压器、”双总线”冗余式输入切換柜、主输入配电柜、电缆桥架、各种地线系统等基础性的输配电电力系统均应按机房的最终容量来进行建设;
在考虑投资成本时、应统筹计划”机房基础设施”的投资额(例：机房设备安装楼层的承重能力大小等)、设备的釆购成本、运行成本、维护及维修成本、关键部件及易损件的使用寿命及更換成本。
信息网络机房用的”N+1”型UPS冗余并机系统应具有如下优良的运行特性：确保它能提供100%””可利用率”的 逆变器电源的能力、优良的”可維护性”和现场”可增容性”。
在供电系统输出功率相同的条件下、宜选用UPS单机容量大、可靠性高、并机数量少的”N+1”UPS冗余并机系统(典型配置为”1+1” 并机系统)，不宜选用UPS单机容量小、可靠性低、并机数量多的”N+1”UPS冗余 (典型配置为”4+1”/”5+1”并机系统)。这是因为后者存在故障率高、设备采购成本高、对机房楼房的局部承重”超重”及部件的更换维修成本偏高等弊端。
在设计UPS供电系统时，应时刻牢记：可靠性第一、节能第二。即”省电”服从于”可靠性”的设计原则。为此，应优选带”输出隔离变压器”的双变換、在线式UPS(效率=92-93%),不宜选用在线互动式UPS、Delta变换式UPS或采用ECO(节能方式)的双变換、在线式UPS(尽管这些UPS在市电供电时的效率高达96-97%)。 『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』
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