UPS冗餘並聯與雙總線連接供電方案

2021-01-11 電子產品世界

  一、 概述

  
  為了提高信息機房供電系統的運行可靠性,一般採用的方法有兩種,即供電系統的冗餘連接和負載設備的雙電源或三電源冗餘輸入。這可從下面的可用性表達式中看出:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201612/330858.htm

  
   


  式中的A(Availability)表示的是可用性,它的含義是在整個規定運行時間中,可靠供電時間的比例;MTBF是表示設備可靠性的平均無故障時間,它的含義是平均多長時間不出故障;MTTR表示的是平均修復時間,它的含義是電源所有故障維修時間之平均值。
  
  從式(1)中可以看出,為了提高可用性也有兩個途徑:提高電源的平均無故障時間和縮短平均修復時間。但當機器的期間質量達到一定程度後,再增大平均無故障時間的代價較大,而且效果也不太顯著,因為總不能將平均無故障時間做到無窮大。然而縮短平均修復時間的效果卻比較明顯,如果平均修復時間縮短為零(這種可能性是存在的,而且也不難實現),那麼可用性就是100%。採用UPS冗餘並聯方法就可達到這個目的:比如兩臺同容量的UPS並聯,其中任何一臺都具有承擔100%負載的能力,那麼兩臺並聯後就有了200%的供電能力,所以其中任何一臺因故障而停機後,另一臺仍可以接著繼續供電,使負載設備的工作得以不間斷地連續進行下去,達到了修復時間縮短為零的目的。
  
  負載設備的多電源入口,也可達到上述目的。多電源入口就意味著需要多個電源供電,任何一個入口的電源都具有100%的負載能力,所以其中任何一臺電源因故障而停機後,另外的電源仍可以接著繼續供電,使負載設備的工作得以不間斷地連續進行下去。
  
  正是由於有這兩種提高系統可靠性的方式,也就引出了下面幾種供電方案的模式。
  
  二、 UPS冗餘並聯供電方案的可靠性與可用性
  
  1.兩臺UPS冗餘並聯舉例
  
  為了容易分析,在這裡只用兩臺UPS作1+1冗餘並聯,如圖1所示。後面的所有負載之和小於100kVA,兩臺UPS的輸出電壓在輸出配電櫃內直接並聯,然後再通過開關S給負載供電。如果遇到雙電源負載就可以分別從兩相電壓上各引一路到負載,照樣滿足雙電源輸入的條件,如圖中S3、S4所示。


  
  2.雙機1+1冗餘並聯供電的可靠性
  
  為了對可靠性有一個大略的數值概念,在這裡只對UPS本身的並聯進行討論,至於那些必不可少的斷路器開關,不論用什麼方式供電都是必不可少的,大家都一樣,所以暫不考慮,在這裡只討論有區別的部分。假如每臺UPS的可靠性r=0.99,為了簡單起見,暫認為兩臺UPS的可靠性相等,就可做出雙機1+1冗餘並聯供電的可靠性模型圖,如圖2所示。


  
  此時,這個供電系統的可靠性就R2是:

     
  不可靠性Q=1-可靠性=1-0.9999=0.0001,不可靠性是萬分之一,故障率也大約是萬分之一。即雙機冗餘並聯後,使系統的可靠性提高了兩個數量級。其原因是它可以使可用性表達式中的平均修復時間MTTR減到最小。
  
  另外,雙機冗餘並聯結構的系統有一個突出優點,就是過載能力特強:具有2倍UPS單機的過載能力。

  三、 UPS雙總線供電方案的可靠性與可用性
  
  1.UPS雙總線供電方案的出現
  
  (1)STS的出現
  
  STS(StaticTransferSwitch)的出現原本是為了代替ATS,由於ATS具有切換時間長、壽命短、切換聲音大和有火花幹擾的缺點,為用戶在一定程度上帶來了不便。Cyberex公司首先推出了用晶閘管構成的電子式靜態轉換開關,以區別於那種機械式的自動轉換開關ATS.(AutomaticTransferSwitch)。尤其現在所說的STS實際上已經是DSTS(DigitalStaticTransferSwitch),即數字式靜態開關,其整個切換時間小於4ms,它的切換方式是先斷後合,因此兩電源在切換時的相位差甚至可以大於180°。這種產品的可靠性與電磁兼容指標等均應符合UL1008Listed。圖3示出了DSTS(DigitalStaticTransferSwitch)的電原理圖,右邊是它的電路符號。
  
  DSTS的確解決了ATS所無法做到的一些性能,比如DSTS的切換時間比ATS要快上一千多倍,而且沒有聲音、沒有火花,對一般電子設備來說,這種兩個電源之間的切換間隔幾乎是沒有感覺的。


  
  由於DSTS對構成元器件質量的要求很高,再加之在多處都採用了冗餘措施,所以造價也很高,相應地為銷售商也帶來了不菲的利潤,於是在被引入機房的時候就出現了一些誤會。比如本來可以用於並聯冗餘的兩臺UPS供電系統,有的供應商就硬把它們分割開了,在兩臺UPS輸出端加了一臺DSTS,說這樣比直接並聯可靠性高,如圖4所示。其工作原理是:兩臺UPS的輸出端都連接到DSTS上,比如開始由UPS1向負載供電,UPS2備用,一旦UPS1故障,DSTS就馬上切斷UPS1而接通UPS2,繼續向負載供電,這就保證了負載設備的連續運行。


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