| 点击查看最新山特UPS价格 摘要 UPS的平均无故障工作时间(MTBF)的长短是判断UPS选型是否合理的重要指标。在分析UPS的失效率时，不宜简单地采用总失效率等于各元器件的失效率之和或其失效率乘积的分析方法。在UPS的总失效率中，其中52.3％的故障是由IGBT管的驱动电路和 IGBT功率模块的失效造成的。在评估信息网络机房的可利用率时，推荐使用信息网络的可利用率Va=MTBF/(MTBF＋MTPF＋MTTR)来进行分析(分母为总工作时间=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)。
1 确保信息网络的数据安全是衡量UPS供电系统设计是否合理的关键指标之一
在市场经济条件下，人们对信息网络的依赖程度是如此之高，以致于任何公司或企业如果长期游离于“网络经济”之外，将极易在激烈的市场竞争中被淘汰。在此背景下，越来越多的公司追求最大化的利润、提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举措。所有这一切都需要利用信息网络来及时和准确地处理、交换、分享信息资源。众所周知，对于当今的社会和经济生活来说，对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极高的。那怕仅是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及业务活动带来不应有的损失。从某种意义上讲，信息就是办事效率及财富。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0.5～1h的网络瘫痪事故时，就有可能造成高达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可能带来的典型故障隐患有：
1.1 明显的网络瘫痪故障
(1)由于长时间供电中断所造成的信息网络设备关机(宕机)；
(2)由于在供电电源上出现瞬态高压浪涌或瞬间供电中断故障，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；
(3)因电源干扰或零线对地线电压过高所造成的网络设备的死机故障。
显而易见，在信息网络的运行中，一旦遇到上述故障时，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。
1.2 隐形网络瘫痪故障
因供电系统的干扰过大、零地电压偏高、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出错、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下降导致公司利润减少。
由于市电存在停电、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，难于确保信息网络的安全运行。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错觉，只要选用“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，事实并非如此，如果由于UPS供电系统的设备选型不当，设计方案和接地系统考虑欠妥，仍会留下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性价比更高的UPS供电系统。
2 正确理解UPS供电系统的可靠性和可利用率
2.1 UPS单机的平均无故障工作时间(MTBF)
在UPS供电系统中，常用MTBF来评价UPS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。其大小不仅取决于UPS中的各种元件和部件的失效率(λ)，还取决于UPS设计方案和制备工艺。这就意味着：即使UPS厂家采用的是相同的元器件，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)与总失效率(λ)之间的关系为:MTBF=1/λ
如图1所示，在最常用的带输出隔离变压器的在线式双变换UPS中，有如下3条供电通道:
图1 一般双变换在线式UPS控制框图
（1）逆变器。由输入交流电源、整流器、逆变器、输出隔离变压器、输出静态开关/断路器开关等组成的UPS逆变器；
（2）交流旁路。由输入交流电源和旁路静态开关等组成的UPS交流旁路；
（3）维修旁路。由输入交流电源和手动维修旁路开关组成的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。
2.1.1 UPS逆变器的MTBF
它代表当UPS被置于没有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使UPS的逆变器进入自动关机，并造成UPS停止输出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，一旦在输入电源出现瞬间供电中断，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MTBF参数是判断UPS选型是否合理的最重要的指标之一。
2.1.2 UPS单机的MTBF(此时的UPS是运行在旁路的工作状态下)
它表示UPS在进入逆变器自动关机状态时，被自动切换到交流旁路工作状态后，又遇到输入电源出现停电事故或因旁路静态开关失效而导致UPS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。
对于那些能忍受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，一般它只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：供学生练习用的网络、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，才适于把这个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来考评。
对于UPS逆变器来说，它的总失效率λIN应该是位于逆变器供电通道内所有元器件的失效率之和：
λIN=∑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任何部件出故障都一定会导致产生逆变器自动关机的故障。
1台UPS单机失效率λ的数字仿真和计算分析流程图如图2所示，UPS的MTBF=1/λ取决于逆变器逻辑
图2 UPS单机的失效率分析图
控制PC板、整流器逻辑控制PC板、静态开关逻辑控制PC板、逆变器驱动模块、直流辅助电源、风扇等部件的失效率。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，常采用由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变换式直流电源和由蓄电池所产生DC/DC变换式直流电源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变换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，从计算程序上具有类似“与门”的逻辑关系。因此，在分析UPS的失效率时，不宜简单地采用总失效率等于各元部件失效率的“叠加和”或失效率“乘积”的计算办法。
为说明此问题，现以UPS逆变器的平均无故障工作时间MTBF为例。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。从表1可见：
（1）在UPS逆变器供电通道中，故障率最高的部件是：IGBT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管的驱动电路和IGBT功率模块的失效所造成的，10.8％的故障来自微处理器/DSP芯片的失效或误动作。从统计数据可见：当设计和选用UPS时，提高UPS可靠性就需提高元器件的可靠性。
（2）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，这些的确会导致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MTBF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。
（3）从图1和图2可见，UPS的各部件并非都处于串联工作状态。对于UPS的逆变器与交流旁路来说，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、输入电源停电及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MTBF必然是高于UPS逆变器的可靠性MTBF(I)。
下面举例说明，目前大型UPS的MTBF值所能达到的水平：
UPS逆变器的MTBF(I)=48,200h；
UPS单机的MTBF=383,400h；
“1＋1”型冗余并机系统的MTBF=2,315,100 h。
由上述可知：最能反映UPS可靠性的指标应该是逆变器的MTBF(I)值，而不是带交流旁路的UPS单机的MTBF值。这是因为在UPS单机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MTBF值的可比较性。
采用“N＋1”型冗余并机配置设计方案后，可以明显提高UPS供电系统的MTBF值。大量的运行实践证明：这的确是提高UPS供电系统可靠性行之有效的技术手段。
此外，大量的UPS运行实践表明：所选用UPS单机的额定输出功率越大，它的可靠性也越高(MTBF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和采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;
50～1000kVA UPS的MTBF=20～40万小时。
2.2 UPS的可利用率Va
UPS的可利用率Va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值的大小同时取决于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)
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，还与维修人员技术水平的高低和能否及时地赶到事故现场及备品、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，可以采取下述几种技术措施：
(1)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逆变器的MTBF(I)值和UPS单机的MTBF值。
(2)从提高输入电源的供电可靠性入手，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,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。
(3)从缩短UPS停机检修时间着手降低它的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。
(4)采用“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。
2.3 提高UPS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)之间的关系表，从该表可见，提高UPS的Va的技术途径有：
（1）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=4h相同的条件下，当UPS单机的MTBF值从4.8×103h增加到4.8×104h，它的可利用率可从99.9167％ 提高到99.9916％。
（2）通过降低UPS的平均修复时间(MTTR)来提高UPS的可利用率Va。
从表2可见，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提高到较高的可利用率。例如：对于MTBF值仅为4.8×103h的UPS来说，如果将能它的MTTR值从4h缩短到15min的话，就可将它的可利用率从99.9167％ 提高到99.9948％。
按照上述推理,似乎可以得出这样的结论：相比之下，采用降低UPS的MTTR值来提高UPS可利用率的办法比采用提高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4.8×103h的低质量UPS来说，如果能将它的修复时间缩短到15min的话，这种UPS的可利用率就能达到与MTBF为3.8×103h、MTTR为4h的UPS的几乎相同的可利用率。鉴于此种情况，人们往往会产生这样一种想法,与其采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、成本较低的而修复时间(MTTR)很短的UPS 来提高它的Va值。采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。
2.4 信息网络时代UPS的可利用率Va
在允许计算机单机或局域网络间断的时代，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，在选用UPS时的主要关注点是:一旦UPS发生故障后，如何能在尽可能短的时间内将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换性，对某些用户则有着相当大的吸引力。这是因为如果选用这种UPS的话，既无需去查找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/监控模块拔出，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，为确保用户能连续地、高效和可靠地在信息网络上处理/存储/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15～30ms。否则，就会导致网络瘫痪事故发生。熟悉网络的人们都知道，一旦出现这种局面，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：
（1）UPS供电系统必须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MTBF(I)值的UPS单机。
（2）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，无论采用什么措施来缩短UPS的MTTR值，那怕能在1秒钟内把UPS修复好，也无法弥补由于网络的恢复时间长达几十分钟到几小时可能造成的危害。 因此，在这个背景下，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；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2～4h之内已非易事。因此，任何建立在把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：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Va，它表示：信息网络的“有效运行时间”与“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即。
Va=MTBF/(MTBF＋MTPF＋MTTR)
MTBF(Mean Time between Failures)指的是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能高的可利用率Va，应选配具有高性能、高可靠性的UPS(例如带输出隔离变压器的双变换在线式UPS)来提高Va，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换取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UPS单机组成的双总线输入、双总线输出的“N＋1”型UPS冗余并机系统，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365×24h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地电压；
——位于同一信息网络中的各IT设备均具有相同的“地电位”。
3 能否获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，一般应遵循如下设计原则：
（1）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)不仅需具有令人满意的高可靠性，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，应高度重视和考察其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。
(2)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)。切忌采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)；
——不管是采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、冗余式输入切换柜、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)、设备的采购成本、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换成本。
——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％可利用率的逆变器供电能力，优良的可维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”型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”型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。 | 
