一、概述

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

　　式中的A(Availability)表示的是可用性，它的含義是在整個規(guī)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：提高電源的平均時間和縮短平均修復時間。但當機器的期間質(zhì)量達到一定程度后，再增大平均時間的代價較大，而且效果也不太顯著，因為總不能將平均時間做到無窮大。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(xiàn))，那么可用性就是99%。采用UPS冗余并聯(lián)方法就可達到這個目的：比如兩臺同容量的UPS并聯(lián)，其中任何一臺都具有承擔99%負載的能力，那么兩臺并聯(lián)后就有了200%的供電能力，所以其中任何一臺因故障而停機后，另一臺仍可以接著繼續(xù)供電，使負載設備的工作得以不間斷地連續(xù)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99%的負載能力，所以其中任何一臺電源因故障而停機后，另外的電源仍可以接著繼續(xù)供電，使負載設備的工作得以不間斷地連續(xù)進行下去。

　　正是由于有這兩種提高系統(tǒng)可靠性的方式，也就引出了下面幾種供電方案的模式。

　　二、 UPS冗余并聯(lián)供電方案的可靠性與可用性

　　1. 兩臺UPS冗余并聯(lián)舉例

　　為了容易分析，在這里只用兩臺UPS作1+1冗余并聯(lián)。后面的所有負載之和小于100kVA，兩臺UPS的輸出電壓在輸出配電柜內(nèi)直接并聯(lián)，然后再通過開關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冗余并聯(lián)供電的可靠性

　　為了對可靠性有一個大略的數(shù)值概念，在這里只對UPS本身的并聯(lián)進行討論，至于那些的斷路器開關，不論用什么方式供電都是的，大家都一樣，所以暫不考慮，在這里只討論有區(qū)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冗余并聯(lián)供電的可靠性模型圖。

　　此時，這個供電系統(tǒng)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。即雙機冗余并聯(lián)后，使系統(tǒng)的可靠性提高了兩個數(shù)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，雙機冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)有一個突出優(yōu)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(xiàn)

　　(1)STS的出現(xiàn)

　　STS(StaticTransferSwitch)的出現(xiàn)原本是為了代替ATS，由于ATS具有切換時間長、壽命短、切換聲音大和有火花干擾的缺點，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(gòu)成的電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關，以區(qū)別于那種機械式的自動轉(zhuǎn)換開關ATS. (AutomaticTransferSwitch)。尤其現(xiàn)在所說的STS實際上已經(jīng)是 DSTS(DigitalStaticTransferSwitch)，即數(shù)字式靜態(tài)開關，其整個切換時間小于4ms，它的切換方式是先斷后合，因此兩電源在切換時的相位差甚至可以大于180°。這種產(chǎn)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。

　　由于DSTS對構(gòu)成元器件質(zhì)量的要求很高，再加之在多處都采用了冗余措施，所以造價也很高，相應地為銷售商也帶來了不菲的利潤，于是在被引入機房的時候就出現(xiàn)了一些誤會。比如本來可以用于并聯(lián)冗余的兩臺UPS供電系統(tǒng)，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，說這樣比直接并聯(lián)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(xù)向負載供電，這就保證了負載設備的連續(xù)運行。

　　但從前面雙臺UPS冗余并聯(lián)的例子可以看出，即使不加DSTS也已經(jīng)實現(xiàn)了在一臺UPS故障的情況下負載連續(xù)運行下去的功能，而且還有雙倍單機的過載能力，這個能力在此已經(jīng)消失了。還不僅如此，這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性R也有了變化，根據(jù)可靠性公式算出：

　　不可靠性Q=1-可靠性=1-0.9996=0.0001，不可靠性是萬分之四。是冗余并聯(lián)時的4倍。而故障率也是冗余并聯(lián)時的4倍。

　　由此可以看出，原來1+1并聯(lián)冗余的系統(tǒng)在增加了DSTS后，不但喪失了原來的高過載能力(一臺UPS過載，切換后另一臺也同樣過載)，其不可靠性或故障率也增加到原來的四倍。

　　(2)雙電源負載的“需要”

　　為了提高包括服務器等電子設備的供電可靠性，用電設備本身對輸入電源也作了冗余考慮，比如采用雙電源入口就是其中一種。是不是為了適應雙電源設備就必須將原本可以直接并聯(lián)的兩臺UPS分開呢？這要看UPS直接并聯(lián)冗余和分開的目的是什么，很明顯，這樣做的目的無非是在任一臺UPS故障時都不影響負載機器的正常運行。這兩種辦法都可以達到這個目的。前一種在前面已經(jīng)介紹，后一種如圖5所示。

　　兩路UPS交流電壓分別輸入到用電設備的兩個入口，該兩個入口的整流器將輸入交流電整流成直流，而后在二者的輸出端并聯(lián)成一個電壓再濾波。即使輸入的交流電壓值不一樣也無妨，電壓高的就得多輸出電流，這就造成了整流器的負載不平衡。尤其是在一臺UPS是旁路供電時，由于市電波動很大，這種情況就更嚴重。如果是兩臺UPS直接并聯(lián)而不分開，由于穩(wěn)壓作用，就不會出現(xiàn)這種情況，即使有也不會這樣大。

　　就是說，即使人為地將可以并聯(lián)的兩臺UPS硬行分開，到了設備上還是要并聯(lián)在一起。白白損失了兩倍UPS的過載能力，這就有“費力不討好”的結(jié)果。

　　2.UPS雙總線供電方案的電路結(jié)構(gòu)

　　有一種說法，雙總線是根據(jù)美國T4等級(Tier4)標準的要求而來的。圖6就是這種雙總線UPS冗余供電方案。從圖中可以明顯地看出，雙總線的每一路都不是單單一臺UPS，也不是兩臺，更不是3臺，而是一個表示多臺的刪節(jié)號。在目前的一般UPS并聯(lián)水平來看，應該是8臺。比如中國臺灣至少有5個數(shù)據(jù)中心采用的就是8臺并聯(lián)′2的雙總線供電系統(tǒng)。如果在8臺UPS冗余并聯(lián)之內(nèi)就可以解決的問題，不要輕易采用雙總線。尤其是在兩臺單機UPS就可以做1+1 并聯(lián)冗余的時候，如果這時硬要改用雙總線方案，不但使設備量成倍增加，而且由于引入了串聯(lián)功能的設備STS，使能量通道上又多增加了故障點，導致的投資還要遠高于雙倍1+1并聯(lián)冗余時的情況，因為STS要比同容量的UPS價格高得多，同時還失去了原來直接并聯(lián)時過載能力強的優(yōu)點，可靠性比原來也有所降低。

　　，任何解決方案和規(guī)劃都是有條件的，有其特定的使用環(huán)境，也就是有其局限性。因此，不可不講條件、時間和地點地到處亂用，否則，不但達不到預期的目的，反而會事倍功半。

　四、兩種供電方案的比較

　　1.兩種供電方案的可靠性及故障率比較

　　為了有一個量的概念，為了直觀而容易理解，仍設所有設備的可靠性r都是0.99;也是為了簡單明了，暫不考慮UPS以前和STS以后的這些共有的配電部分。由此見圖7(a)

　　虛線方框內(nèi)的部分，并由此作出可靠性結(jié)構(gòu)模型圖。從可靠性的觀點出發(fā)，凡是在該環(huán)節(jié)故障時都能導致系統(tǒng)不正常的情況通通算作串聯(lián)環(huán)節(jié)，因此連接圖7(a)的同步器LBS、靜態(tài)開關STS和隔離變壓器B1在可靠性上同UPS都是串聯(lián)關系，如圖8所示：

　　由于兩臺UPS在STS的輸出端在功能上對雙電源負載是并聯(lián)關系，就認為二者是并聯(lián)關系，由此得出系統(tǒng)可靠性：

　　不可靠性或故障率就是0.00155，即萬分之十五。從前面的式(3)可以看出，兩臺UPS直接并聯(lián)時的供電系統(tǒng)可靠性是萬分之一，像圖7(a)增加了6個設備以后，造價成倍地增加了，而可靠性則成十倍地降低了。根據(jù)上面的計算，故障率是前者的15倍。

　　2.雙輸入交流電時兩種供電方案ATS功能的比較

　　有的認為雙機冗余并聯(lián)時只用了一個ATS，這是個單點故障點，或稱為瓶頸;而雙機雙總線時則用了兩個ATS，由于有冗余關系，消除了瓶頸效應。

　　(1)雙UPS冗余并聯(lián)ATS的功能

　　雙交流輸入可能是雙市電，也可能是一路市電和一路燃油發(fā)電機組。在這里以雙路市電輸入為例。雙機冗余并聯(lián)時一般是利用ATS將雙市電互投為一路輸出，如圖9(a)所示。比如原來以市電1為主電源，市電2為備用電源，此時ATS通常就接通市電1到UPS組。當市電1故障時，ATS就斷開市電1而將市電2轉(zhuǎn)接到UPS組上。一旦ATS故障，就無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能而使后面的所有UPS失去輸入電壓。這就是所謂的瓶頸效應，也有的稱為單點故障。

　　當然，為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，一般都采取了補救措施，比如有的廠家在ATS切換無法進行時就采用搖臂以手動的方式進行轉(zhuǎn)換;也有的廠家有可選擇的旁路開關，在ATS故障時用人工的方法把旁路開關合上去。但在先不考慮這些措施的前提下就認為是瓶頸。

　　(2)雙機雙總線時ATS的功能是不是圖9(b)的雙ATS的連接法就消除了這種隱患呢。首先討論一下它的工作原理。

　　在正常情況下，一般都是這樣設置的：ATS1將市電1接通到UPS1，ATS2將市電2接通到UPS2。比如由于某種原因?qū)е率须?斷電，ATS1就自動切換到市電2，以使UPS1能夠不間斷地得到輸入電壓;但由于某種故障原因使得ATS1在市電1斷電時而無法實現(xiàn)切換，即市電2因 ATS1無法切換而使UPS1得不到市電2的支持，仍然會處于無輸入電壓狀態(tài)，只好待電池放電終結(jié)后而關機，但由于STS1的存在，UPS2的輸出電壓會及時地經(jīng)STS1切換到UPS1后面的負載上去，如圖10所示。由于此時UPS2的輸入電壓尚在正常供電，所以可使UPS1和UPS2的負載仍然不間斷地工作下去。雙總線的優(yōu)點只有在這里才得到了體現(xiàn)。不過，現(xiàn)在已處于無冗余供電狀態(tài)，維修時間已成關鍵，為了改善這種狀況，雙總線的每一路增加冗余，比如都變成1+1，不過這時的設備量又成倍增加了。

　　另一方面，在雙總線的情況下，雙電源負載的兩個輸入電壓是從兩路引來的同相電壓，即都是A相或都是B相、或C相，這又買下一個隱患：當一路故障時(如上例中的市電1故障時的情況)，最后經(jīng)STS2將UPS2的輸出電壓切換到UPS1的負載上，可以看出，此時雙電源負載的兩路輸入電壓是同一相，如果這時對應這一相的開關故障(接觸不良或斷開)該雙電源負載就會因全部斷電而停機。原來的目的是即使一個UPS后面的單電源負載全部斷電時，該雙電源負載也不至于斷電，而此時的目的就達不到了。