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从这一路径关系里可以看到,总共存在3条并联的路径,而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样,辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的,因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有最多的模块数量,也是可用性最低的一条路径。
要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点,如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案:一种是改进设计,提升MTBF;一种是对辅助电源也适用并联冗余设计,提升可用性;再一种是对UPS的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源,相当于把原来完全串联的路径改成并联。在UPS设计中可以混合使用这几种方式,由于上面三条可用性通路是并联的,而旁路通路本身是可用性最高的一条,因此最为推荐的设计就是优先提升旁路的可用性,对旁路单独使用一套辅助电源供电,并且这套电源的尽量采用简单的设计,以拥有高的MTBF。
控制模块同样也是影响到所有路径的关键点,也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法,也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块,并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样,旁路上的控制模块也要尽量简单,以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测UPS主控制模块的状态,如果发现主控制模块,则自动切换到旁路方式。此外,对于主控制模块来说也可以通过冗余的方式来提升可用性,比如采用双MCU结构,当一个MCU检测到另外一个MCU发生故障时可以接管另一个MCU的功能,或者采取紧急措施如转旁路来保证负载不断电。
对于UPS来说,电池是保证UPS能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键,但是串联环节最多,也恰恰是可用性最为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要超过0.15CC,这就意味着电池在UPS满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满,从这个意义上讲其可用性一般都在20%以下。但是由于电池并不是连续工作的,只要在电池放完前市电恢复,在重新充电的过程中也没有再发生断电,那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看,电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是很高的。
再重新来审视电池回路的可靠性,在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回,导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作,因此如果能够及时对充电器的状态进行监控,在发现充电器异常时及时报警,就能够避免充电器故障带来的问题,从而提升整个UPS的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题,但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换,也能够有效提升UPS的可用性。
UPS系统的可靠性
由于UPS并非一个单独的应用系统,而是要搭配有其他一些环境因素在里面,所以这些外部因素也是必须考虑进来的。前面提到过,UPS电池的备电时间是有限的,如果断电时间比较长,导致电池电放完,那么负载就仍然会断电。因此UPS可用性会受到市电发生长时间断电概率的影响。
为了解决这一瓶颈,可以在UPS系统中加入一个特性和电池互补的备用电源:在市电断电时的不需要很快反应,但是在长时间停电条件下能够持续提供电力,燃油发电机组就是最为合适的一个选择。因此在UPS系统配置上可以加入一个自动切换装置,在市电停电后切换到发电机组。这样一来能够极大的提升长时间断电条件下UPS系统的可用性。如此则UPS系统的可用性路径就成为
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虽然在可用性路径里面多串联了一个市电与发电机切换用的ATS,增加了单调路径发生故障的概率,但是相对长时间断电带来的可用性问题来说还是值得的。
在UPS应用的另外一个分支是目前正在兴起的直流UPS系统。直流系统的思路是出于提高效率的目的,减少电源系统中间的转换环节,电力分配部分由原来的交流转换成直流。一个理想的直流UPS系统服务器应用从市电到12V终端的应用结构见下图。