模块化UPS全面提升交流不间断供电的稳定性

在通信系统中，作为各种网络硬件设备必不可少的供电设备——不间断电源，主要承担的任务已不仅是确保不间断地向重要的负载供电，更重要的是要确保在通信网、互联网中所运行的数据得以安全、高速、可靠和连续地被处理、存储和转送。从某种意义上讲，衡量一套不间断供电系统性能高低的主要标志应该是能否为高速的、大数据吞吐量的网络系统提供能确保其数据安全和可靠运行的具有“高信噪比”的供电环境，从而使通信和网络系统获得尽可能高的可靠性、安全性和可供利用率。

 但在实际的运行过程中，因不间断电源自身发生故障，或用户对不间断电源的选配不和理，而造成计算机数据丢失或设备运行中断的事故屡见不鲜，正因为如此，用户对不间断电源的要求日益提高，主要体现在：高可靠性、高效率低噪声、高输入功率因数、扩容方便、结构合理、体积小、重量轻、成本低、维护简单等。为此，无论是不间断电源的产品设计师，还是负责选配不间断电源供电系统的设计师，都有必要时刻跟踪了解不间断电源的发展动向，计算机网络、数据通信网络和工业自动控制网络等的技术发展和需求。只有这样，才有可能为高速发展的通信网、互联网提供符合需求的高质量交流不间断供电系统。

一、通信系统不间断电源现状：

通信系统在中国是最早大规模使用UPS电源的行业之一，在近20年的使用过程中，对UPS电源电源总结和积累了大量的设计、使用和维护的理论和经验，同时对UPS电源电源行业的发展起到积极的推动和促进作用，纵观通信系统的交流不间断供电方案，主要有以下几种：

 1.单机在线式供电方案

该方案为传统在线式UPS电源的典型应用，UPS电源电源首先将市电输入交流电源变成稳压直流电源。然后，再利用这种直流电源经逆变器重新被变成稳定的、纯洁的、高质量的逆变器电源。显然，由于用这种AC-DC和DC-AC双变换型设计方案，它可完全消除在输入电源中可能出现的任何电源问题（电压波动、频率波动、谐波失真和各种干扰），这是因为它是属于将市电电源进行彻底改造而得到的“再生型”电源。

该方案结构简单，投资成本较低，但UPS电源是串联在电网和用户设备之间而没有冗余，意味者UPS电源电源自身的任何一部分如整流器、逆变器、控制电路、静态开关等电路出现故障，都会影响对负载的供电，因此不适合使用在中大功率和高要求的供电场所。

2.在线式“N+1”并联供电方案

 为了解决单机供电没有冗余的缺点，各UPS电源电源厂商在传统电路的基础上通过增加均流电路和同步控制器的方案，组成N+1并联的供电方案，从理论上可以解决单机供电没有冗余的缺点，但在长期的使用过程中依然存在一些问题，主要体现在以下几个方面：

没有从根本上解决环流：

UPS电源不同于直流电源，因为交流电流是双向的，因此环流是必然存在的，当环流值达到一定的限度时，其产生的能量就会转移到UPS电源的直流母线端，造成直流母线电压升高或失控，使UPS电源电源保护、退出或损坏，这是传统UPS电源电源主电路结构所决定的，而传统UPS电源电源在解决这个问题的措施主要是依靠均流电路的调节来减少环流，但当负载功率较小、负载谐波较大、浪涌电流产生、UPS电源并联数量较多、元器件参数漂移等现象发生时，仅仅依靠均流电路的调节是不够的，因此UPS电源电源并联数量越多，其可靠性反而减低。

扩容和维护的风险较大：

 传统UPS电源电源在扩容或维护时必须考虑下列一些因素，如因元器件使用年限不同而造成参数漂移的影响；系统比较复杂而能否准确查找故障点；维修人员所携带的备品、备件和测试仪器能否满足要求；维修人员的技术水平等诸多人为因素，所以风险较大。

冗余少、运行效率较低：

目前通信行业UPS电源电源的运行方式，主要是1+1或2+1的并联结构，这意味者该方案的容错率或冗余只有一次，同时由于并联数量少，以1+1方式为例，每个单机的输出功率不能超过其额定功率的50%，如果再考虑冗余和维护时的因素，实际只能运行在其额定功率的30%左右，而传统UPS电源的运行效率只有达到额定功率的50%-80%为最佳，再考虑2台设备的并联工作方式，其实际的运行效率从90%左右已降低到70%-80%。

3.在线式双总线供电方案

为解决传统UPS电源“N+1”并联存在的不足，一些厂商推出了双总线供电方案，它采用2条供电母线为负载供电，可以有效的解决UPS电源电源并联环流的问题，解决单点故障的瓶颈，实现在线升级、在线维护，并具有很好的容错性能，提高供电系统的可靠性；但该方案也存在一些不足，主要是加大了设备和工程投资，对单电源供电的设备须用较多的输出分配电辅助设备；需要两套独立的输入、输出供电回路，配电系统比较复杂，并需占用专用场地；与1+1并联运行方式道理一样，UPS电源的能效比较低。

二、模块化UPS电源的优势：

模块化UPS电源被认为UPS电源的发展趋势之一，因为通信用直流电源的高频模块化为UPS电源模块化树立了很好的榜样，高频模块化直流电源不仅在性能指标上有很大的改善，而且在可靠性、可维护性以及智能化方面更有划时代的提高，同时，DSP芯片大规模商用为模块化UPS电源发展打下技术和物质基础，通过采用DSP控制，只要软件测试合格，硬件设计不存在缺陷以及防干扰做得比较好，尽管还会有一些采样传感器以及驱动电路、功率变换电路还是模拟器件，但整个系统随着时间和温度变化而出现故障的可能性大大降低。对比而言，模块化UPS电源与传统UPS电源相比，优势主要体现在以下几个方面。

1.可靠性的提高

模块化UPS电源电源具有“N+X”的架构特性。从系统论的角度看，应该消除系统方案的公共故障点，这样的方案就是好的方案，局部的得失不影响系统的方案才是优秀的。以目前成熟的中稳VP系列模块化UPS电源电源为例，它的系统架构是由可并联冗余的UPS电源电源模块；独立的监测、报警、通信模块和系统保护用的静态开关模块三部分组成，不存在集中控制单元，系统没有故障瓶颈，并且有提供多次冗余的设计考虑。

通常我们的可靠性指标是以MTBF表示的。MTBF的计算是按照UPS电源内的元器件的可靠性指标，建立一个数学模块型（考虑使用条件和负载的最坏状况），通过概率计算出来的结果。传统机型中，不同品牌的整机架构基本一致，各个厂家选用的主要元器件也趋同，结果是以MTBF表示的UPS电源可靠性指标，不同的厂家也是趋同的，而传统的多机冗余并联方案的可靠性指标，对于模块化UPS电源电源实际上没有可用的衡量指标，简单的带入元器件的可靠性指标求概率，实际得出的结论必然是多机并联冗余的可靠性反而低于单机的可靠性指标，对于UPS电源这种需要高可靠性的产品来讲，人们走入了一个误区。

因此模块化UPS电源在可靠性上，我们提出了MTBCF的概念。MTBCF是指影响系统运行的平均无故障时间。因为，模块化的产品的系统复杂性大于传统的单机（等同于传统多机并联的复杂性）。简单的计算概率对于冗余系统显然是不合适的。按照中立机构的数学模块型计算如下（摘录，详细内容见附录）：

【可靠性的预测执行标准是IAW中TELCORDIA技术条款的SR-332，版本1。】

 以中稳VP系列模块化UPS电源为例，计算出来的MTBCF结果是大于700，000小时。表明，冗余的模块UPS电源的可靠性指标远大于传统机型的270，000小时的MTBF。

2.可用性的提高

 可能性指标实际是指修复故障设备的时间和两次修复故障之间的时间间隔。

表述如下：

 ☆可用性

A=MTBF/（MTBF+MTTR），

其中，MTTR—MEAN  TIAN  TO  RECOVER

MTBF↑，MTTR↓=A↑

☆可用性比可靠性具体

☆用户对可用性比可靠性更加关心

模块UPS电源的一个最大特点就是在线更换模块。因为模块的规格统一，具体的实施很简单，更换时间极短，几分钟内完成。相比之下，传统机型是修机器——换板子，从判断故障现象到更换完成、排除故障、设备正常运行，需依技术人员的水平而定，几小时至几天不等，因此传统UPS电源的可用性很差，这也是传统机型的主要缺陷之一。

 3.用户投资有效性的提高

单就模块UPS电源和传统机型的比较，模块UPS电源在物理尺寸整机重量对比传统机型有绝对优势，为用户节省大量的机房设资、承重加固投资。具体到品牌，比如先控的CMS系列，由于整机效率高，常年节省的空调费用累积起来很惊人，特别是逆变效率达到98%，在市电中断情况下，中央空调停机，效率每高一个百分点，对于100KVA的系统1小时就是少发热1千瓦，对机房温度的影响可想而知。这不单单是投资的考虑了，而是可能影响系统安全运行的问题。

对于行业用户来讲，设备的型号、规格统一带来的管理、使用和后勤维护的便利时极大的。节约了人力、物力、财力，提高了企业效率。对于提升企业的竞争力、提高效率都是巨大的帮助。

 （模块化UPS电源：http://www.zoomven.com）