中心議題：

• UPS電源的可靠性
• UPS係統的可靠性
• 配電係統的可用性

解決方案：

• 采用旁路與市電獨立的電源
• 加入多CPU監控及電池監控
• 係統選擇模塊化結構

本文對UPS內部設計，UPS係統以及配電係統的可用性進行分析
，給出了提升UPS電源係統可用性的思路。通過分析結果可以發現在UPS中采用旁路與市電獨立的電源，加入多CPU監控
，加入電池監控等措施可以明顯提升UPS的可用性。另外一方麵在係統層次上
，選擇模塊化的結構，縮短維修更換時間，更多使用並聯結構，也可以明顯提升可用性。

UPS電源的可靠性

從單個UPS的設計來說，可以把整個產品按照模塊進行劃分，下麵圖中是一個典型的UPS係統結構圖

從圖中可以看到，UPS各個模塊之間的依賴關係比較複雜，但是還是可以分出串並聯的關係如下

輔助電源與所有其他模塊都是串聯的，因此輔助電源的可用性直接限製了係統能夠達到的最高可用性等級；
控製模塊與除輔助電源之外的其他模塊也都是串聯的，因此控製模塊的可用性也會直接影響到係統總體可用性設計；
對於負載端來說
，能夠直接相連的隻有旁路模塊與逆變模塊，而這兩個模塊是並聯的；
PFC/整流模塊與電池升壓模塊是並聯的
，之後再與逆變模塊串聯；

congnengyuantigongzhelaijiang，zhelipangludianyuanyushidiandianyuanshiliangludulidedianyuan，erdianchinengyuanshiyoushidianjingguochongdianmokuaitigongde。ruguochongdianmokuaiguzhangdehuadianchijiumeiyounengliangcunchu，shijishangyewufashixianzhengchangdeUPS功能，因此市電-充電模塊-電池也是串聯的。這樣可以畫出整個UPS係統的可用性串並聯路徑圖

從這一路徑關係裏可以看到，總共存在3條(tiao)並(bing)聯(lian)的(de)路(lu)徑(jing)，而(er)每(mei)一(yi)條(tiao)路(lu)徑(jing)各(ge)自(zi)又(you)是(shi)由(you)數(shu)個(ge)模(mo)塊(kuai)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)的(de)。正(zheng)與(yu)前(qian)麵(mian)分(fen)析(xi)的(de)一(yi)樣(yang)，輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)與(yu)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)的(de)可(ke)用(yong)性(xing)是(shi)串(chuan)聯(lian)在(zai)所(suo)有(you)通(tong)路(lu)上(shang)的(de)，因(yin)此(ci)如(ru)果(guo)這(zhe)兩(liang)者(zhe)設(she)計(ji)有(you)缺(que)陷(xian)的(de)話(hua)UPS的可用性是無法做的很高的。電池回路串聯有最多的模塊數量，也是可用性最低的一條路徑。

要提升係統的可用性首先要提升關鍵路徑的可用性。從路徑圖上可以看到就是控製模塊與輔助電源。輔助電源是整個UPS的關鍵點

，如果輔助電源不工作整個UPS都將癱瘓。提升輔助電源可用性的方式可以有很多種方案：一種是改進設計，提升MTBF;一種是對輔助電源也適用並聯冗餘設計，提升可用性；再一種是對UPS的三條可用性路徑分別使用不同的輔助電源
，相當於把原來完全串聯的路徑改成並聯。在UPS設she計ji中zhong可ke以yi混hun合he使shi用yong這zhe幾ji種zhong方fang式shi
，由you於yu上shang麵mian三san條tiao可ke用yong性xing通tong路lu是shi並bing聯lian的de，而er旁pang路lu通tong路lu本ben身shen是shi可ke用yong性xing最zui高gao的de一yi條tiao，因yin此ci最zui為wei推tui薦jian的de設she計ji就jiu是shi優you先xian提ti升sheng旁pang路lu的de可ke用yong性xing
，對dui旁pang路lu單dan獨du使shi用yong一yi套tao輔fu助zhu電dian源yuan供gong電dian

，並bing且qie這zhe套tao電dian源yuan的de盡jin量liang采cai用yong簡jian單dan的de設she計ji
，以yi擁yong有you高gao的deMTBF。

kongzhimokuaitongyangyeshiyingxiangdaosuoyoulujingdeguanjiandian，yebixuyongyougaodekeyongxing。canzhaofuzhudianyuandechulifangfa，yekeyigeixiangduidulidepanglulujingpeibeidandudekongzhimokuai，bingqietongguoyuqiyukongzhigongnengxietiaogongzuolaidadaogaokeyongxingdemude。tongyang
，panglushangdekongzhimokuaiyeyaojinliangjiandan，yitishengkekaoxing。yizhongtuijiandezuofashipanglukongzhimokuaibuduandejianceUPS主(zhu)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)的(de)狀(zhuang)態(tai)，如(ru)果(guo)發(fa)現(xian)主(zhu)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)，則(ze)自(zi)動(dong)切(qie)換(huan)到(dao)旁(pang)路(lu)方(fang)式(shi)。此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)主(zhu)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)來(lai)說(shuo)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)冗(rong)餘(yu)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)提(ti)升(sheng)可(ke)用(yong)性(xing)，比(bi)如(ru)采(cai)用(yong)雙(shuang)MCU結構，當一個MCU檢測到另外一個MCU發生故障時可以接管另一個MCU的功能，或者采取緊急措施如轉旁路來保證負載不斷電。
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對於UPS來說

，電池是保證UPS能(neng)夠(gou)在(zai)市(shi)電(dian)或(huo)者(zhe)旁(pang)路(lu)斷(duan)電(dian)發(fa)生(sheng)時(shi)繼(ji)續(xu)維(wei)持(chi)供(gong)電(dian)的(de)關(guan)鍵(jian)，但(dan)是(shi)串(chuan)聯(lian)環(huan)節(jie)最(zui)多(duo)，也(ye)恰(qia)恰(qia)是(shi)可(ke)用(yong)性(xing)最(zui)為(wei)薄(bo)弱(ruo)的(de)環(huan)節(jie)。一(yi)般(ban)電(dian)池(chi)規(gui)格(ge)書(shu)裏(li)麵(mian)會(hui)說(shuo)明(ming)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)不(bu)要(yao)超(chao)過(guo)0.15CC,這就意味著電池在UPS滿載放電放完之後要用數倍的時間才能重新充滿，從這個意義上講其可用性一般都在20%以yi下xia。但dan是shi由you於yu電dian池chi並bing不bu是shi連lian續xu工gong作zuo的de
，隻zhi要yao在zai電dian池chi放fang完wan前qian市shi電dian恢hui複fu
，在zai重zhong新xin充chong電dian的de過guo程cheng中zhong也ye沒mei有you再zai發fa生sheng斷duan電dian
，那na麼me負fu載zai仍reng然ran不bu會hui受shou到dao影ying響xiang。從cong這zhe方fang麵mian來lai看kan
，電dian池chi的de可ke用yong性xing在zai隻zhi會hui發fa生sheng短duan時shi間jian的de斷duan電dian情qing況kuang下xia還hai是shi很hen高gao的de。

再zai重zhong新xin來lai審shen視shi電dian池chi回hui路lu的de可ke靠kao性xing，在zai電dian池chi與yu市shi電dian之zhi間jian還hai有you一yi個ge充chong電dian器qi模mo塊kuai環huan節jie。如ru果guo充chong電dian器qi損sun壞huai則ze電dian池chi在zai一yi次ci放fang完wan電dian之zhi後hou就jiu無wu法fa再zai充chong回hui


，導dao致zhi下xia一yi次ci市shi電dian停ting電dian時shi負fu載zai斷duan電dian。但dan是shi充chong電dian器qi隻zhi是shi在zai電dian池chi需xu要yao充chong電dian時shi才cai會hui工gong作zuo，因yin此ci如ru果guo能neng夠gou及ji時shi對dui充chong電dian器qi的de狀zhuang態tai進jin行xing監jian控kong
，在zai發fa現xian充chong電dian器qi異yi常chang時shi及ji時shi報bao警jing
，就jiu能neng夠gou避bi免mian充chong電dian器qi故gu障zhang帶dai來lai的de問wen題ti
，從cong而er提ti升sheng整zheng個geUPSdekeyongxing。duiyudianchiyeyouyiyangdeshouduan。dianchizaishiyongduocizhihouyehuimianlinrongliangxiajiangheshixiaodewenti，danshiruguonenggoutongguodianchizhuangtaijiankongfaxiandianchishixiaobingjishigenghuan，yenenggouyouxiaotishengUPS的可用性。

UPS係統的可靠性

使用UPS電源係統時，不僅要定期對各主要元件進行檢查，還要對UPS電池組的各個電池單元端電壓與內阻進行檢測。若發現其電池組的某個電池單元的端電壓差值>0.4 V或者內阻>0.08Ωdeshihou
，jiuyinggaiduankaigongzuoyichangdedianchidanyuanyudianchizudelianjiedaoxian，shiyongwaizhidedulichongdianqiduigongzuoyichangdedianchidanyuanjinxingdanduchongdian


，jiangqichongdiandianya（對12V蓄電池而言）保持在13.5~13.8 V之間，充電時間控製在10~12h.需要注意的是
，UPS電源在使用過程中，電池組內的各個電池單元的充電會不一致，可能產生電池單元端電壓以及電池內阻的不平衡。這些是無法依靠UPS電dian源yuan係xi統tong內nei部bu充chong電dian回hui路lu對dui其qi充chong電dian而er得de到dao消xiao除chu和he校xiao正zheng的de，若ruo不bu及ji時shi對dui不bu平ping衡heng電dian池chi單dan元yuan進jin行xing脫tuo機ji均jun衡heng充chong電dian的de話hua，可ke能neng導dao致zhi上shang述shu問wen題ti更geng加jia嚴yan重zhong。

為了解決這一瓶頸，可以在UPS係統中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時的不需要很快反應
，但是在長時間停電條件下能夠持續提供電力

，燃油發電機組就是最為合適的一個選擇。因此在UPS係統配置上可以加入一個自動切換裝置，在市電停電後切換到發電機組。這樣一來能夠極大的提升長時間斷電條件下UPS係統的可用性。如此則UPS係統的可用性路徑就成為

雖然在可用性路徑裏麵多串聯了一個市電與發電機切換用的ATS
，增加了單調路徑發生故障的概率
，但是相對長時間斷電帶來的可用性問題來說還是值得的。

在UPS應用的另外一個分支是目前正在興起的直流UPS係xi統tong。直zhi流liu係xi統tong的de思si路lu是shi出chu於yu提ti高gao效xiao率lv的de目mu的de，減jian少shao電dian源yuan係xi統tong中zhong間jian的de轉zhuan換huan環huan節jie，電dian力li分fen配pei部bu分fen由you原yuan來lai的de交jiao流liu轉zhuan換huan成cheng直zhi流liu。一yi個ge理li想xiang的de直zhi流liuUPS係統服務器應用從市電到12V終端的應用結構見下圖。

可以看出
，理想的直流UPS係統由於把交流係統中UPS的逆變環節與服務器電源中的PFC環節使用一個隔離型DC/DC環節來取代
，從而可以改善效率。不過在直流UPSxitonglimianyouyudianchidianyadebiandongfanweishibijiaodade
，weilequdegengyouhuadexiaolvquxian，zaihoujidefuwuqidianyuanzhongyeyoukenengshiyongliangjijiegou。yejiushitongguoyigejiandandezhuanhuan
，jianxiaofuwuqidianyuangeliDC/DC轉換級的輸入範圍
，以得到更好的節能效果。此時的結構見下圖

在這種直流UPS體係裏麵，不存在交流UPS中的旁路回路了，隻存在一個市電到電池回路
，這個回路也兼有充電器的作用。因此從單個UPS的可用靠性角度考慮，直流UPS可靠性鏈路隻有兩條，其中一條是兩級變換加上輔助電源與控製板，另外一條是電池，見下圖所示

與交流UPS相比

，直流UPS供電少了交流UPS的旁路回路
，少了一個提升可用性的回路。但是電池是直接給負載供電的，可用性要高於交流UPS。因此在可用性的方麵直流供電係統有得有失。但是另一個方麵直流係統比交流UPS更容易進行並聯

，從而可以利用增加並聯台數的方式增加可用性。
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配電係統的可用性

對於一般的UPS係統應用來說，存在兩種常見的配置方式，一種是雙機熱備份，見下圖所示

這種配置方式下兩台UPS是完全並聯工作的。基於前麵可用性的原理，第二種配置方式比第一種會有更高的可用性。

這裏就反映了可用性與可靠性的一個明顯不同。對於兩台並聯冗餘配置的UPS，由於器件多了一倍，那麼出現故障的概率也會增高，因此從統計意義上來講整個係統的MTBF會下降。但是由於其中一台出現故障之後仍然有一台在工作，隻要出故障的UPS能夠很快修複，負載就仍然處在有效的保護之中，可用性是提升的。從負載的角度衡量，評估係統的可用性比可靠性更加有意義。

在zai可ke用yong性xing的de定ding義yi中zhong
，電dian源yuan係xi統tong恢hui複fu的de時shi間jian越yue短duan，則ze可ke用yong性xing也ye會hui越yue好hao。因yin此ci把ba電dian源yuan係xi統tong設she計ji為wei模mo塊kuai化hua易yi更geng換huan的de結jie構gou，可ke以yi大da大da減jian小xiao維wei護hu時shi間jian

，從cong而er使shi得de可ke用yong性xing顯xian著zhu改gai善shan。

duiyujifangyingyongdechanghe，shuangzongxiandegainianyingyongshifenguangfan。duiyuguanjiandefuwuqifuzai，yibandoutigongliangzudianyuanshuru。xiangyingde
，zaipeidianbufenjiuyekeyiduiyingcaiyongliangzudulidedianyuanzongxian。jieheUPS本身就支持雙總線輸入
，實際上可以構造出很多種組合形式。對不同方式進行比較後，比較推薦的一種典型的結構見下圖所示

這裏把兩組獨立市電都供給兩套UPS係統
，然後每一套UPS係統作為一條總線來使用，可以充分發揮市電雙總線，UPS內部雙總線以及負載雙總線高可用性的優勢。