平均*時間（MTBF）之惑

一直以來，MTBF（平均*時間）是UPS生產(chǎn)商用來測量和說明UPS可靠性的關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)。不過，用MTBF來測UPS的可用性實際上卻難具說服力。

為了說明這一點，我們來舉一個例子，假設(shè)一臺UPS的MTBF是200,000小時，非專業(yè)人士可能簡單地以為該設(shè)備可以*運行200,000小時（約為23年）。但是，事實上UPS生產(chǎn)商不可能也不會對產(chǎn)品進行為期23年的*運行測試。相反，他們只是根據(jù)UPS組件的預(yù)計使用壽命先行計算出一個MTBF值。然后，在其出貨量增長到具有統(tǒng)計學(xué)意義時，會根據(jù)這批設(shè)備實際的性能數(shù)據(jù)替換到某些初步的預(yù)估值。盡管這些修正后的數(shù)據(jù)可能存在誤導(dǎo)性。比如，假如2,500臺UPS在5年的研究期內(nèi)運行良好，那么得到的MTBF值可能會相當(dāng)高。但是，如果這些系統(tǒng)中有一個組件的使用壽命只有6年，那么在5年研究期過后的一年，它們中的90%可能會發(fā)生故障。

而且，MTBF的測量至今還沒有一個通用的標(biāo)準(zhǔn)。多年來，許多的政府機構(gòu)不斷要求生產(chǎn)商根據(jù)版的MIL-HDBK-217F手冊提供計算數(shù)據(jù)，但是許多的商業(yè)客戶卻采用cordia (Bellcore) SR-332標(biāo)準(zhǔn)流程。近期，經(jīng)技術(shù)行業(yè)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這些測量方法雖然頗有用處，卻并非是制造商評定產(chǎn)品可靠性的*方法。也因此，如今的生產(chǎn)商逐漸將注意力放在了可靠性設(shè)計（DFR）上。過往標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注單個電氣組件及其與產(chǎn)品設(shè)計中采用的電路之間的關(guān)系，而DFR則側(cè)重于產(chǎn)品在各種條件下的預(yù)定或預(yù)期用途。

不過，zui終還是沒有對測量供電負(fù)載的UPS運行情況給出一個標(biāo)準(zhǔn)方案。也因而，將一家生產(chǎn)商的UPS與另一家的UPS就MTBF數(shù)值進行比較時仍很難實現(xiàn)。

用可用性來測量關(guān)鍵電源后備系統(tǒng)更加具有實質(zhì)意義。鑒于UPS在數(shù)據(jù)中心所占據(jù)的重要作用，能否快速更換舊零件或*件就顯得至關(guān)重要。可用性表示的是MTBF與另一度量單位MTTR（平均故障修復(fù)時間）相互之間的關(guān)系。MTTR（平均故障修復(fù)時間）是指從發(fā)現(xiàn)故障、給予響應(yīng)到*修復(fù)所需的耗時。
 

可用性的數(shù)值一般由多個數(shù)字9構(gòu)成的百分比數(shù)表示，表明特定系統(tǒng)在一年使用期限內(nèi)正常運行的時間比例。舉例說明，一臺UPS的MTBF是500,000小時，MTTR是4小時，那么，它的可用性為0.999992或者99.9992%（500,000 ÷ 500,004）。這也就是說，該臺UPS每年的預(yù)期宕機時間是4.2分鐘。

然而，單獨來講，盡管可用性比MTBF更能說明UPS的可靠性，但是在一些重要方面仍存在不足。具體來說，可用性無法說明例行保養(yǎng)的耗時。如果一個系統(tǒng)每年都必須安排進行檢查、重新校準(zhǔn)或常規(guī)維護，它實際的運行可用性會比上面公式得出的數(shù)值來的低。

UPS設(shè)計和內(nèi)部電源通路

盡管UPS內(nèi)電源通路數(shù)量的增多會使成本增加，但是這可以確保一旦某些系統(tǒng)組件（譬如整流器、逆變器或內(nèi)部備用電池）發(fā)生故障，關(guān)鍵負(fù)載的供電免于中斷。

UPS從設(shè)計類型上基本分為四類：

當(dāng)UPS檢測到停電故障時，后備式UPS可以切斷IT設(shè)備（ITE）的市電供電，為系統(tǒng)提供電源保護。不過，一些備用電源系統(tǒng)會在過壓或欠壓時提供局部的電源保護，對電池電源的使用較為有限。可見，雖然后備式UPS可提率和降低成本，但有時提供的電源保護并不全面。

在線互動式UPS通常視情況適度調(diào)節(jié)電壓之后，再對受保護設(shè)備供電。不過，在線互動式UPS必須使用電池電源來防止各種頻率異?，F(xiàn)象和停電情況。雙轉(zhuǎn)換UPS可以將關(guān)鍵負(fù)載與市電電源*隔絕，從而確保為IT設(shè)備提供潔凈、可靠的電力。雙轉(zhuǎn)換UPS比后備式UPS和在線互動式UPS更耗能，因此它們在數(shù)據(jù)中心或設(shè)備間內(nèi)的散熱量更高。

帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS通常在模式下運行，既省錢又節(jié)能。在保證供電質(zhì)量后，它們會自動切換至雙轉(zhuǎn)換模式的更高電源保護級別。此外，大多數(shù)帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS使用模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件設(shè)計，通過縮短執(zhí)行維護和維修的用時來提高系統(tǒng)的可用性。

這些UPS設(shè)計的不同之處在于其內(nèi)部的電源通路。后備式UPS通常有兩條電源通路，由一個電源開關(guān)同時控制。因此，如果電源開關(guān)故障，那么IT設(shè)備便會斷電。大多數(shù)的備用電源系統(tǒng)功率在2 kVA以下，因此故障只會對一部分的IT設(shè)備造成影響。
 

圖1：使用標(biāo)準(zhǔn)后備式UPS供電，一旦電源開關(guān)故障，則IT設(shè)備便會斷電。

在線互動式任達(dá)UPS通常有兩條*獨立的電源通路，其中一條通路使用電源接口。如果電源接口發(fā)生故障，則UPS將由電池供電以確保將所有連接的設(shè)備從容關(guān)閉。部分*的在線互動式系統(tǒng)也會包含一個靜態(tài)旁路通路，可以自動旁路UPS中發(fā)生故障的組件，將IT設(shè)備直接連接至市電電源。
 

圖2：標(biāo)準(zhǔn)在線互動式UPS的電源通路
 

大多數(shù)的雙轉(zhuǎn)換UPS有兩條電源通路，一條由市電電源或發(fā)電機供電，一條則由電池電源供電，此外UPS內(nèi)還包括：

自動靜態(tài)旁路開關(guān)可以旁路發(fā)生故障的整流器或逆變器，并由市電電源直接供電IT設(shè)備

手動維護旁路設(shè)備允許技術(shù)人員在不中斷受保護負(fù)載供電的情況下對系統(tǒng)進行維修

圖3：標(biāo)準(zhǔn)雙轉(zhuǎn)換UPS的電源通路
 

一些帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS除了具備標(biāo)準(zhǔn)雙轉(zhuǎn)換UPS的兩條電源通路之外，還包括一個自動維護旁路設(shè)備，可在UPS進行維修或維護時自動旁路逆變器。此外，如果在模塊化冗余設(shè)計中使用帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS，它可以自動選擇是否要將負(fù)載連接旁路，確保在執(zhí)行維護時由UPS的備用電源供電系統(tǒng)。如此可以縮短MTTR，并降低維護和維修期內(nèi)宕機或意外斷電的風(fēng)險。
 

圖4：帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS的電源通路
 

提高UPS電源通路可用性的策略

提高UPS電源通路的可靠性的方法有很多：

 添加并聯(lián)電池組：使用單組串聯(lián)電池的UPS其無法正常供電負(fù)載的風(fēng)險會大大加強。舉例來說，一臺大型的UPS有40個電池串聯(lián)連接（即一個電池的正極與相鄰電池的負(fù)極相連）。如果這些電池其中一個出了問題，那么整串電池組就會故障，從而導(dǎo)致UPS無法正常供電。如果在UPS上再額外并聯(lián)一串由40個電池正負(fù)級串聯(lián)連接的電池組的話，假設(shè)其中一串電池組發(fā)生故障，那么UPS仍可由另一串正常的電池組供電一段時間，從而有時間連接備用發(fā)電機供電或者從容關(guān)閉負(fù)載設(shè)備。

圖5：有兩串并聯(lián)電池組供電的UPS其因電池故障導(dǎo)致UPS無法正常供電的可能性會有所降低

安裝發(fā)電機：電池供電只能解決一時的燃眉之急。如果面臨長時間的斷電情況，即使使用了zui長時效的電池組可能也是“有心無力”。因此，在長時間的停電情況下，使用發(fā)電機zui為備用供電電源較為理想。

圖6：配有應(yīng)急發(fā)電機的UPS電源通路

 確保UPS包含一個自動靜態(tài)旁路開關(guān)：在UPS內(nèi)部出現(xiàn)故障時或者由UPS供電的負(fù)載出現(xiàn)嚴(yán)重過載或短路情況時，UPS的自動靜態(tài)旁路開關(guān)會旁路整流器和逆變器，由市電電源或發(fā)電機直接向IT設(shè)備供電。在故障情況下，靜態(tài)旁路開關(guān)切換供電電源僅耗時3-8毫秒，因此不會影響IT設(shè)備的正常供電。

圖7：內(nèi)置靜態(tài)開關(guān)的UPS電源通路

通過并聯(lián)安裝UPS提高可用性

冗余的設(shè)計邏輯，不僅適用于電源保護方案，同樣亦適用于UPS設(shè)計。在電源設(shè)計中構(gòu)建多條電源通路能夠從根本上提高系統(tǒng)的可靠性。
 

圖8：系統(tǒng)和子系統(tǒng)可靠性。資料來源：美國*
 

從圖8中，我們可以歸納出兩個簡單卻十分重要的觀點。*點，串聯(lián)連接的電源通路組件（比如子系統(tǒng)A、子系統(tǒng)C和子系統(tǒng)D），削弱了系統(tǒng)的整體可靠性；第二點，并聯(lián)冗余的電源通路組件（比如子系統(tǒng)B），增強了整體可用性。這是因為，如果子系統(tǒng)A、子系統(tǒng)C或者子系統(tǒng)D有一個發(fā)生故障，整條電源通路便無法正常工作。相反，由3個組件并聯(lián)的子系統(tǒng)B，如果其中一個故障，則另外兩個組件進行“接手”，確保整個系統(tǒng)如常運行。

換言之，“短板效應(yīng)”同樣適用于此：電源供應(yīng)鏈的zui終性能受限于其zui弱的一環(huán)。因此，在供應(yīng)鏈的每一點上添加多個冗余可以提高其整體的可靠性。因此，zui可靠的輸電系統(tǒng)通常包括了從總電源至用電負(fù)載的多條相互獨立的電源通路，相互盡可能避免重疊。采用冗余配置的電源系統(tǒng)，當(dāng)組件發(fā)生故障或者進行例行維護時都不會導(dǎo)致IT設(shè)備關(guān)閉。
 

圖9：市電電源到UPS間分支出多條電源通路供電IT設(shè)備，從而通過增加冗余來提高系統(tǒng)的可靠性

并聯(lián)UPS架構(gòu)

在UPS行業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)并聯(lián)部署的方式有很多。zui常見的兩種方式是串并聯(lián)組合部署的架構(gòu)或者是全冗余并聯(lián)部署的架構(gòu)。
 

圖10：正常運行（上）和存在故障運行（下）的串并聯(lián)組合部署的系統(tǒng)架構(gòu)
 

當(dāng)需要使用兩個不同型號或者是由兩個不同廠商生產(chǎn)的UPS系統(tǒng)支持基本負(fù)載時，有時會使用串聯(lián)冗余的配置架構(gòu)，它們無法在冗余配置中并聯(lián)。但是使用串并聯(lián)組合部署的架構(gòu)可以幫助你克服這種限制。

不過，采用串并聯(lián)組合部署架構(gòu)的系統(tǒng)提供的冗余十分有限，同時還要求有幾件關(guān)鍵事件發(fā)生才能在故障期間為負(fù)載提供保護。這些事件包括：

1.)     故障系統(tǒng)必須檢測到發(fā)生的故障

2.)     故障系統(tǒng)必須能夠安全切換到系統(tǒng)內(nèi)置的靜態(tài)開關(guān)

3.)     故障系統(tǒng)必須將故障組件從輸出電源總線上斷開

4.)     備用電源系統(tǒng)必須能夠應(yīng)（負(fù)載供電）要求立即支持滿負(fù)載運行

此外，若采用串并聯(lián)組合部署架構(gòu)的系統(tǒng)，用戶還需承擔(dān)無負(fù)載UPS的運行和維護費用。

一般來說，全冗余并聯(lián)架構(gòu)具備的可靠性更高，不過這也取決于其實施的形式。某些UPS聲稱具有并聯(lián)架構(gòu)，但實際上只是有限的幾個組件進行并聯(lián)。這也就是說，雖然在一個類似的零件出現(xiàn)故障時系統(tǒng)可以提供一定的冗余，但是系統(tǒng)中沒有獨立的子系統(tǒng)。一旦子系統(tǒng)發(fā)生故障，那么整個UPS便需要關(guān)閉進行維修。

圖11：部分內(nèi)置冗余的并聯(lián)架構(gòu)
 

其它的UPS設(shè)計還包括帶有獨立子系統(tǒng)的UPS和帶有點對點并機能力的UPS，就是說由UPS自身進行控制，而不是使用主控制器，這就賦予了UPSzui高的可靠性級別。并聯(lián)架構(gòu)的設(shè)計旨在不增加降低設(shè)計復(fù)雜程度的情況下盡可能地消除單點故障。因此，并聯(lián)架構(gòu)可以使用獨立子系統(tǒng)和點對點控制，提供zui少故障點zui高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計。

圖12：每個任達(dá)UPS帶有點對點控制和獨立子系統(tǒng)的并聯(lián)冗余架構(gòu)
 

當(dāng)然，組件數(shù)量和連接點較多的并聯(lián)冗余UPS配置其潛在的故障點也更多，因而MTBF較短。也因此，IT時常會認(rèn)為，如果并聯(lián)架構(gòu)中UPS的數(shù)量越少，那么系統(tǒng)的可靠性也就越高。雖然向UPS架構(gòu)不斷增加組件，終究會達(dá)到回報趨減的一個點，但是，相對于配置較少UPS的系統(tǒng)，一個設(shè)計謹(jǐn)慎、包含更多UPS的系統(tǒng)必然會提供更高的可用性。

為了說明這一點，我們假定兩個采用并聯(lián)冗余設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)樣本為60 kW負(fù)載提供保護。*個架構(gòu)包含2個傳統(tǒng)的60 kW的UPS，第二個使用的是6個由模塊化標(biāo)準(zhǔn)組件構(gòu)成的12 kW的UPS。

現(xiàn)在我們假設(shè)下，如果發(fā)生硬件故障，這會對這兩種配置有何影響：

采用兩個60 kW UPS為負(fù)載提供保護的架構(gòu)僅可由受過培訓(xùn)的專業(yè)人員進行維修。即使專業(yè)的維修人員可以承諾在4小時內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場，系統(tǒng)宕機的總耗時可能也將達(dá)到6-8小時。而且，如果維修人員隨身未帶有需要更換的零部件，那么宕機時間可能就會延長至24小時。在這段時期內(nèi)，由于缺少UPS冗余，IT設(shè)備的風(fēng)險指數(shù)就會很高。

反觀使用6個12 kW UPS的系統(tǒng)，其使用熱插拔電子組件和電池模塊，假設(shè)zui終用戶手上有可更換的零部件的話，他們便可在幾分鐘內(nèi)自行更換故障的組件。

圖13：兩個使用并聯(lián)冗余為60 kW負(fù)載提供電源保護的系統(tǒng)架構(gòu)
 

電池方面的考量進一步提供了佐證。一般UPS電池的使用壽命是4年。因而，采用60 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)可能會因為電池相關(guān)問題每四年至少有6個小時未能提供冗余。但是對于采用12 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)，其每四年可能約只有1個小時未能提供冗余。

對電池是如此，對風(fēng)機、電容器等的電子機械組件同樣也是如此，所要考慮的一般都是UPS內(nèi)磨損零件或是消耗品。使用熱插拔件設(shè)計的UPS產(chǎn)品很少會發(fā)生宕機。因此，即使采用6個12 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)比采用2個60 kW UPS配置的系統(tǒng)架構(gòu)的零件故障MTBF更短，但是它的MTTR也相對較短，因而zui終的可用性還是相對較佳。

電池如何影響可靠性

UPS的設(shè)計理念決定了其使用電池電源的頻率，而電池使用頻率又與電池的運行時間和使用壽命直接相關(guān)。

后備式UPS會頻繁切換至電池供電模式，這會減少電池的運行時間并縮短使用壽命。而且，在頻繁切換供電模式的過程中會存在短暫的斷電，可能會使IT系統(tǒng)關(guān)閉。同時，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，會導(dǎo)致IT電源關(guān)閉。

在線互動式UPS比后備式任達(dá)UPS能夠更好地提供電源異常保護，然而當(dāng)在正常模式和調(diào)節(jié)模式之間進行轉(zhuǎn)換時或者為應(yīng)對發(fā)動機啟動時的電壓不穩(wěn)定，必須依靠電池進行供電。

雙轉(zhuǎn)換UPS的電池使用則更為適度。在較寬的輸入電壓容限范圍內(nèi)，UPS整流器和逆變器會共同調(diào)節(jié)輸出電壓，而不需要借助于電池進行供電。此外，從正常供電模式轉(zhuǎn)換至電池供電模式的切換時間很短，因此不必?fù)?dān)心IT系統(tǒng)會出現(xiàn)供電中斷的情況。

帶有多運行模式的新型雙轉(zhuǎn)換UPS，其使用電池的時間和頻率與雙轉(zhuǎn)換UPS相似，在某些情況下可能要來得更低。而且，這些UPS在正常運行模式下效率可高達(dá)99%。效率更高就相當(dāng)于電池的運行時間更長，運行溫度更低，這兩點都有助于延長電池的使用壽命。
 

    圖14：不同UPS設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)電源使用模式
 

總結(jié)：電源系統(tǒng)可用性zui大化的六個關(guān)鍵步驟

1.       高品質(zhì)UPS的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計：選擇資歷出眾、擁有諸多成功案例的業(yè)界廠商。UPS的設(shè)計應(yīng)當(dāng)包括內(nèi)置關(guān)鍵組件冗余，采用多條電源通路，使用性能*的組件，同時在生產(chǎn)過程中對質(zhì)量進行嚴(yán)格把關(guān)。

2.       選擇內(nèi)置有多條電源通路的UPS：良好的UPS設(shè)計應(yīng)當(dāng)能提供多條電源通路進行額外冗余，包括靜態(tài)旁路開關(guān)，手動維護旁路或自動維護旁路。

3.       尋找可滿足您IT設(shè)備需求的UPS：一些UPS的價格雖低，但卻無法正常支援用電負(fù)載，這就會導(dǎo)致IT設(shè)備被重置、數(shù)據(jù)被破壞甚至設(shè)備被關(guān)閉。帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS可以在IT設(shè)備和工業(yè)設(shè)備容許的電壓和頻率范圍內(nèi)對電源進行很好地凈化。

4.       部署冗余并聯(lián)UPS：如此可以對電源通路、電子組件和電池模塊進行冗余，從而提供zui高的可靠性保護。

5.       注重可以縮短MTTR的各種特性：選擇模塊化系統(tǒng)設(shè)計，UPS應(yīng)使用便于維修的零部件，比如熱插拔電池和電子組件。從根本上來說，MTTR比MTBF對可用性的影響更大。

6.       選擇使用電池可能性zui小的UPS：頻繁使用電池供電的UPS，其電池的運行時間和使用壽命會相對縮減。帶有多運行模式的雙轉(zhuǎn)換UPS使用電池的可能性更小，有助于延長電池的使用壽命。