台达UPS与智能、容错UPS的发展趋势

——中达电通UPS产品开发处  张彦和

    引  言：人们对UPS需求的改变引导着UPS不断地发展变化，现阶段智能、容错是UPS的发展趋势。

    纵观UPS的发展历史，由动态到静态、由工频到高频、由低指标到高性能 ……，短短几十年发生了巨大的变化，是什么原因促使它这样发展变化呢? 

    首先，人们的需求是UPS发展变化的原动力，需求的变化决定着UPS的发展方向。当市电频繁中断，使生产无法正常进行时，人们需求一种不断电的装置，于是出现了初级的动态式UPS；当UPS的使用场所和应用范围发生变化时，人们需求一种更轻便、更静音的UPS，于是出现了静态式的工频UPS；当人们越来越追求效益、越来越重视节能环保时，人们需求效率更高、节能指标更好的UPS，于是出现了高频UPS ……

    其次，技术进步和元器件的更新换代是UPS发展变化的客观保障。IGBT、高性能磁性器件、CPU、DSP等功率和控制组件的出现，以及PFC、PWM波等控制技术的成熟和广泛应用，使UPS的高功率密度、高效率、低成本、低污染等特性得以实现。

    第三，计算机和网络技术的高速发展使UPS的需求量快速膨胀，这为UPS的发展变化提供了难得的历史机遇。

    这三者之间相互作用，共同促进UPS的快速发展，但其中最重要、起决定性作用的因素还是人们的需求，离开了需求，技术再高，元器件再好，人们也不一定会想到将其应用到UPS中去，即便是应用了也不一定会得到市场的广泛采用。总之，没有需求就没有市场，人们的需求变化引导着UPS的发展趋势。

    那么现阶段人们需要什么样的UPS呢？

    经调查，目前人们对UPS的需求主要集中在以下五个方面:

    1.要求可靠，有没有从来不坏的？

    2.强调可用，有没有坏了马上就能修好的？

    3.需要扩容，有没有不加限制配置灵活的？

    4.投入运行，有没有成本比别人都低的？

    5.强化管理，有没有功能实用实施简便的？

    其实，这五个方面基本可归纳为两点----智能、容错。

    人们最重视UPS的可靠性，那么有没有从来不坏的UPS呢？没有！不仅没有，和整个供电系统的其它环节比较起来，UPS还是最容易坏、最不可靠的。

    来自IEEE（美国电气与电子工程师协会）的一组数据显示：电池的MTBF（平均无故障时间）是1402524小时，断路器的MTBF是2502878小时，接线端子的MTBF是22993791小时，而带静态旁路UPS的MTBF只有156362小时，也就是15万多小时，比系统中的电池、断路器、接线端子等环节都低。可能有人会说，15万小时相当于20年的时间，可靠性已经很高了呀！其实，MTBF虽然科学，但是不可信，因为它无法测量,仅代表设备的平均无故障时间，而每次发生故障的具体时间是不确定的，即使是MTBF为20年的设备，也可能在开机运行的第一周就发生故障。 

    既然没有从来不坏的UPS，那么人们就只能退而求其次了：能不能使UPS故障后对负载的影响达到最小，甚至没有影响呢？能不能使故障UPS快速修复呢？为了满足第一个需要，人们采用了串联热备份、1+1或者N+1并联冗余，双总线甚至三总线等复杂的系统解决方案。其实，方案越是复杂，故障点就越多，系统故障率也就越高，人们花巨资设法建立复杂UPS系统的目的就是为了提高系统的容错性。

    容错是一种能力，即UPS能够容忍故障的能力。最能体现UPS容错能力的指标是可用性，可用性衡量的是系统提供持续服务的能力，对于可用性高的UPS系统，当UPS发生故障时,不会影响系统的继续运行，并且可以快速修复。随着信息化的发展，人们对供电要求越来越高，一年365天*24小时不能断电，所以对UPS的需求也正在由可靠性向可用性转变。可用性的公式如下： 

    从公式中可以看出，要想提高可用性就必须提高UPS的平均无故障时间（MTBF）或者降低UPS的平均维护时间(MTTR)。实际上要想提高UPS单机系统的可靠性是很困难的，它受到很多因素的制约。而通过降低UPS的平均维护时间(MTTR) 提高UPS的可用性却是很有效的。

    容错的核心是系统内部资源冗余，而资源冗余的技术支撑是模块化。串联热备份、并联冗余，双总线甚至三总线等方案正是通过各UPS间的相互冗余达到系统容错的。但是为达到这一目的所付出的采购、运营和维护成本等代价也是昂贵的，并且即便如此，仍然不一定满足人们对“故障UPS快速修复”的需求，因为这些系统的模块化程度还不够高。以台达海福（HIFT）系列UPS为例，真正的模块化UPS在容错方面具备下述优点：

    1.最高的系统可靠性。当UPS容量一定时，负载越轻，模块冗余的数量越多，而等容量的单机或者1+1并机是无法随负载变化而提高系统冗余度的。例如，对于由5个20kVA模块组成的4+1冗余模块UPS，当负载只有75%时，系统配置就变成了3+2，此时其可靠性比同容量配置的1+1并机系统高出20倍。

    2.最快的修复时间。在N+X的冗余模式下，可以在线更换故障模块，系统修复时间完全可控，不会影响系统的正常运行， MTTR接近于0。 不仅如此，模块标准化的返厂维修还可以降低“再发生故障率500-2000倍。

    从以上两点结合可用性公式可以看出，模块化UPS具有最高的可用性，也就是说其容错能力最强。具有低成本、高效率、高可靠性，并且能够快速修复的容错性UPS必将成为UPS的发展趋势。

    1．负载扩容较快，如果设计人员设计了在一开始容量就不足的UPS，其犯的错误是不可饶恕的。

    2．在设备运行期间增加UPS容量的成本非常高。

    3. 在设备运行期间增加容量会造成严重的、无法估量的停机风险。

    过度配置给用户带来的成本是巨大的，这不仅仅体现在初期的购置成本上，还体现在其它的一些相关方面。比如空调的购置成本、运营成本、设备的安装成本、资金的时间成本等等。模块化UPS可以随着业务的增长逐步扩容，最大限度地节省资源。能够不加限制地灵活扩容这一智能特性正成为人们对UPS的需求之一。

    除了初装成本，人们对UPS的运营成本同样关注，这一点主要体现在UPS的效率上。 

    因为UPS的效率高低不仅决定了自身耗电的多少，还直接影响到制冷成本。节能降耗是当今世界的热门话题，很多行业或单位已经制定了节能减排的硬指标，能够低排高效地运行这一智能特性也已成为人们对UPS的重要需求之一。

    在节能减排方面，台达的海福（HIFT）系列UPS做的也特别优秀，我们不妨以此为例加以说明。当负载在15%时，海福UPS的整机效率已经超过90%，当负载在27%时，它的整机效率已经达到94%。轻载高效是一个非常实用的智能特色，因为UPS在大多数情况下都工作在较低的负载状态下，它能给用户带来的好处可通过以下例子看出来。

    假设UPS功率为120kVA，带载30%，那么单台UPS每年的耗电量如下表：

    从中可以看出，效率为94%的海福系列UPS与效率只有88%的普通UPS相比，每年可以节省近2万度电，若以一度电1.8元计算，每年可以节省近4万元人民币，而这还没有计算因UPS效率提高而节省下来的制冷费用。 所以说是效率一小步，节能一大步。

    目前，UPS的管理功能也越来越受到人们的重视,因为人员的成本越来越高，UPS的管理功能是否智能直接影响到设备运营成本的高低，甚至会直接威胁到系统的安全。一条地铁线二十几个站，不可能在每个站都放一个维护人员，青藏铁路海拔四五千米以上，不可能在那里长期派人值守，所以说UPS的智能管理功能已变的非常重要。

    UPS的管理功能不只是UPS对于自身的管理功能，还包括UPS对机房动力环境监控的管理功能,包括机房内的温湿度、门禁、烟雾、火警等等。目前能够实现自身管理功能的UPS已经非常普遍，机房的动力环境监控也可通过专门的动力环境监控系统实现，然而复杂而又昂贵的专用监控系统是人们难以接受的，智能的机房动力环境监控功能是人们对UPS的又一需求。

    总之，随着人们需求的变化，可快速修复的容错能力以及包括扩容方便、运行高效、管理全面的智能特性必将成为UPS的发展趋势。 在这方面台达的海福（HIFT）系列UPS走在了所有品牌UPS的前面，它紧贴客户需求，定位明确，可插拔更换修复和冗余配置的模块化系统达到了UPS可用性的最高级别，重点强调最快的系统修复时间、最高的可靠性、最经济的投资策略、最低的运行成本以及最全面的动环监管，集中体现了客户的核心价值，是一款名副其实的高智能容错的UPS。■