倪冰 胡艷文 許瓊（中南建筑設計院股份有限公司，武漢市 430071）

    摘要：介紹UPS及其供配電系統的幾種結構形式，并對UPS供配電系統可信性及可測試性進行分析，提出提高UPS及其供配電系統可信性及可測試性的方法。
    關鍵詞：UPS 可用性  可信性  可測試性  STS
Dependability and Testability of the UPS Power Supply and Distribution System
Ni Bing  Hu Yanwen   XU Qiong  (Central-South Architectural Design Institute Co.Ltd., Wuhan  430071,China)

Abstract  Several structures of UPS and their power supply and distribution system are introduced, the dependability and testability of UPS power supply and distribution system are analyzed,and methods for improving the dependability and testability of UPS power supply and distribution system are proposed.
Keywords  UPS  Availability Dependability Testability  STS
 
    信息技術已滲透到人們生活與生產的方方面面，信息技術的載體——電子信息系統及過程控制系統一旦意外中斷，將帶來日益嚴重的影響。
    由于供電中斷造成的生產或管理系統運行中斷經濟損失巨大，尤其是銀行、證券交易和現代化的石油化工廠，運行中斷造成的后果異常嚴重。銀行、證券交易的信息系統意外停止將造成社會的動蕩與巨大的經濟損失；生產裝置突然停止運行將造成生產鏈中斷，甚至火災、爆炸。
    正如國標GB 50174-2008 《電子信息系統機房設計規范》[1]中對A級電子信息系統機房的定義：
    a.電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失；
    b.電子信息系統運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂。
    UPS供配電系統作為電子信息系統或生產控制中心正常運轉的基礎，電力供應的高可靠性、高安全性、高可測試性自然成為至關重要的問題。
    其中，UPS供配電系統在竣工與運行過程中的測試，特別是驗證性測試是非常必要的:竣工階段驗證性測試能夠及時發現系統在設計、制造或施工方面的缺陷與問題；運行過程中驗證性測試能夠及時發現系統在運行過程中的各種隱患。
    唯有經常實施有效的驗證性測試才能確保系統運行的穩定與安全。發達國家在對關鍵應用中UPS供配電系統的驗證性測試無論在設計、竣工與運行階段都非常重視，有專門機構從事與此相關的服務以滿足客戶需求。
    1 UPS供配電系統故障的后果
    歐洲的獨立咨詢機構曾在2005年對歐盟國家典型行業UPS系統供電中斷的損失進行了統計并分析其原因，如圖1所示。隨著電子信息系統與工廠過程控制系統日益廣泛的應用，上述損失的數字有可能上升一個數量級。 

    2 UPS供電系統評價指標
    2.1系統可用性
    UPS供電系統可靠性與可維護性的綜合評價可采用系統可用性A（t）[2]來表示：
    A（t）=MTBF/（MTBF+MTTR）
    式中：MTBF（Mean Time Between Failures）——平均無故障時間，即相繼兩次故障之間工作的時間；
    MTTR（Mean Time To Restoration）——平均恢復前時間，即從出現故障到恢復之前的這段時間。
    系統可用性在概念上囊括了系統中設備的可靠性、可管理性、可維護性。系統可用性高意味著系統能夠提供更多的正常運行時間，意味著一旦發生故障系統不可用的時間降低到更短的時間。
    2.2系統安全性
    對于關鍵的應用，僅僅采用可用性來評價并不完整。從關鍵電力供應需求的角度來說，UPS供電系統除具有高可用性外還應具有以下的能力：發生某個局部失效時限制系統發生嚴重后果的概率。這個能力可以表述為系統安全性，它與風險意識相聯系，取決于系統的架構。
    2.3系統可信性
    融合了系統可用性與系統安全性的綜合評價可以采用系統的可依賴性或可信性來表示，即可信性=可用性 + 安全性。可信性全面描述了用戶對系統的需求。
    UPS供電系統具有高的可信性即指UPS系統除了具有較高可用性之外，還具有高度的安全性。所謂安全性是指UPS系統中發生故障或出現缺陷，系統具有不造成嚴重后果的能力。
    UPS供電系統提升系統可信性需要通過以下幾個方面實現：
    a.采用高可靠性能的UPS產品；
    b.采用高可維護性的UPS產品；
    c.采用各種系統冗余的技術手段；
    d.采用有效的技術手段，提高管理水平。
    其中，采用各種系統冗余的技術手段是UPS供電系統提升可信性的關鍵因素。
    生產商可以生產出故障率非常低的UPS，但不可能制造出故障率為零的UPS。所以工程中經常采用多臺UPS通過冗余連接構成“一臺” 容錯的UPS。如圖2所示。

    在高質量配電系統中雖然采用各種故障率非常低的線路保護裝置、電纜和規范的施工工藝，但供電故障還極有可能來自UPS設備下游的諸如供電支路的短路故障、保護裝置的誤動作。
    系統運行人員和設備維護人員即使具有相當高的素質，還是不能完全避免對UPS系統的誤操作。
    上述這一切完全是UPS設備自身無法解決的，需要采取措施對整個UPS供電系統進行冗余，例如采用所謂“2N” UPS輸出結構或者DR分散系統冗余結構的UPS系統，使整個UPS供電系統具有高度的容錯能力。
    唯有采用系統冗余結構的UPS系統，才能使得UPS供電系統具有99.9999%以上的系統可用性，滿足企業的控制系統與數據處理系統的客觀需要。
    根據系統對可靠性的不同要求，可以組成不同的UPS系統結構，而各種形式的UPS系統具有不同等級的冗余程度與系統的可用性。
以A級電子信息系統為代表的電子信息系統機房的UPS系統采用雙回路冗余電源系統冗余結構是完全必要的。《電子信息系統機房設計規范》中針對不同的應用，做出了明確的規定。
    以石油化工為代表的現代化工廠控制系統與管理系統的UPS系統采用雙回路冗余電源系統冗余結構是完全必要的。中石化2005年10月頒發的生〔2005〕531號文件《生產裝置過程控制儀表電源供電系統技術管理規定（暫行）》也規定重要生產裝置的電力供應應具有系統性冗余。
單機UPS系統、并聯冗余UPS系統及系統性冗余UPS系統這三種UPS系統結構的比較如表1所示。

    3 UPS供配電系統的可測試性分析
    UPS系統的可測試性是指：如果UPS供配電系統中存在缺陷，可通過測試或檢驗發現，且不會對負載用電產生影響的能力。
    UPS系統的可測試性在一些關鍵應用中是非常重要的，最典型的應用是我國的大型商業銀行。已經完成電子化的大型商業銀行是必須保證365天×24小時連續對外運行的商業機構，集中化的（全國的業務在一個平臺上運行）電子信息系統必須具有全天候的業務支撐能力（沒有維護時間窗口）。
    3.1各種UPS系統的可測試性
    與提升系統的可用性與可信性相同，冗余水平越高的UPS系統，其系統的可測試性也相對越好。
    普通的單機UPS供配電系統的可測試性非常差。例如，當測試UPS設備逆變器與自動旁路之間的切換功能時，一旦UPS存在故障，雖然能夠發現UPS存在故障，但負載停電的嚴重后果已經造成。
    即便是具有系統性冗余的2N UPS供配電系統，其可測試性依然可能不滿足某些應用的實際需求。例如大型商業銀行的數據機房，按照國標GB 50174-2008中對A級電子信息系統機房定義的：“電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失；電子信息系統運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂”，A級電子信息系統機房必定是采用具有系統性冗余的“2N”或“M（N + 1）”UPS供配電系統。假定，電子信息系統所有的IT設備全部采用雙電源供電，正常情況下兩個電源各自承擔50% 的負荷，一路電源失電或UPS電源系統內部損壞時，另一路電源或UPS電源系統承擔100% 負荷。事實上，確實偶爾會發生因為IT設備UPS電源系統無法承擔高負荷水平而失效的情況。
    由于大型商業銀行電子信息系統規模龐大且非常重要性，對具有系統性冗余的“2N”UPS供配電系統的在線測試工作變成了風險較大的事情。
    如果因為測試有風險而回避對UPS系統進行完整的測試，那么任何單個UPS的故障，都可能逐步導致電子信息系統運行的失敗。具有系統性冗余的“2N”UPS供配電系統將隨著運行時間的延長，可信性不斷下降。
    上述情況在國內大型商業銀行電子信息系統中客觀存在，因此提高UPS系統的可測試性對于A級信息系統機房是基本的而且是必須的。
表2列出了三種UPS系統的可測試性比較。
 

    3.2采用STS裝置提高UPS系統的可測試性
    具有系統性冗余的“2N”UPS供配電系統提升可測試性的技術手段之一是采用STS裝置。
    STS靜態切換開關 (Static Transfer Switch) 是實現二選一的自動電源切換裝置。它能夠自動或手動將負載以很短的時間（滿足特定的標準，例如ITI（CBEMA）標準，這些標準規定的切換時間能夠滿足IT設備短時電力供應中斷的要求）從一路電源(第1路電源)切換到另一路電源(第2路電源) (可設置返回切換)。

    從圖3可看到，即使電壓跌落到0V，只要時間不超過20ms，IT設備依然可以連續運行。
    正常工作狀態下，負載由主電源供電。在主電源發生故障時，STS將負載自動切換到備用電源。STS靜態切換開關采用先斷后通（Break before make）的快速切換（通常為3～5ms）方式，實現IT負載在二個供電電源之間不中斷運行的切換。
    標準型STS 的切換元件由兩組靜態開關組成，如圖4所示。每組靜態開關 (SS) 由一組反向并聯的可控硅(SCR)組成。STS的維修旁路開關支持STS進行在線測試和維護。STS安裝有三個開關來隔離靜態開關，并配置兩個帶機械互鎖的手動維修旁路開關。STS由于具有上述維修旁路開關，使得STS設備具有充分的可測試性。即STS在測試狀態下，STS測試出現異常時能夠發現問題但不會對負載的供電造成任何的影響。

    配置有標準STS裝置的“2N”冗余UPS供電系統具有充分的系統可測試性。測試步驟如下：首先，完成對系統中所有STS的測試，確認所有STS性能的完好；然后，對相互冗余的UPS供配電機組進行各種測試，可以模擬“2N”冗余的UPS供電系統單側供電發生故障。系統中所有的STS將所有雙電源輸入IT設備的供電暫時轉換成“假二路供電”，如圖5所示。
 

    上述配置有STS裝置的2N冗余的UPS供電系統具有高度可測試性，充分滿足365天 / 24h連續運行（無維護檢測時間窗口）的關鍵應用（例如大型商業銀行中的電子信息系統）。
    當然，UPS供配電系統的可測試性還應該在系統中設計有可以承擔測試系統中各個環節（變壓器、自備發電機、配電系統與UPS設備）的測試假負載與相關的切換系統。
    關鍵應用UPS供配電系統建設完成后，系統性集成驗證性測試的實施也是非常必要的。
    4 結束語
    高等級UPS供配電系統的系統設計在一些方面有別于傳統的供配電設計，它需要考慮的問題在傳統供配電系統中通常是不予考慮的。尤其是在系統的可靠性、可維護性、安全性或稱之為可信性（可依賴性）方面需要有特別的考慮。
    高等級UPS供配電系統的驗證性測試是非常必要的，系統的驗證性測試應該覆蓋整個生命周期。
    另外，如何保證在沒有維護時間窗口的關鍵應用時，提升UPS供配電系統的可測試性也同樣非常的重要。

參考文獻

[1] 中國電子工程設計院．GB 50174-2008  電子信息系統機房設計規范[S]．北京：中國計劃出版社，2009．
[2]  The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc．IEEE Std 493-2007  IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems[S]．New York：the Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 2007．
[3]  中國電力企業聯合會電力可靠性管理中心.  DL/T 861- 2004  電力可靠性基本名詞術語[S]. 北京：中國電力出版社，2004．