UPS平均无故障时间MTBF计算

UPS平均无故障时间MTBF计算实现UPS系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故障或间断的可能。50年代，第一台静态UPS系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构成。逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单独维持）。这种简单的UPS电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。逆变器的故障将直接导致负载失效。而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。在60年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载切换至备用电网供电电源。尽管备用电网供电电源远不如UPS那么可靠，但发生逆变器故障时，它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。这一新的结构，切实提高了总体可靠性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。带静态开关的新型UPS的可靠性，取决于备用电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。此外，本文（第4页）还阐述了，MTBFMAINS和'MTTRUPS对于UPS整体可靠性的影响。近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠UPS配置的需求已成千真万确的事实。特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的UPS这样的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用UPS的供电配置，正在成为当今的标准要求。本文阐述各种不同UPS配置的可靠性。整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其它部件的可靠性指标，源于资料MIL-HDBK-217F（Not.21995）中列举的可靠性数据。以下计算，在NEWAVECONCEPTPOWER（概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。可惜，因NEWAVE公司的规定，不能公布这些统计资料。1.无静态旁路切换开关（SBS）的UPS单机无静态旁路切换开关的UPS单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠性（见图1中的电气原理框图）例：逆变器发生故障时，负载装置即失效。UPS系统的可靠性公式中所用的变量说明：MTBFSU:无静态旁路的单UPS装置，两次故障之间的平均时间入UPS：无静态旁路开关单UPS装置的故障率入RECT：整流器的故障率入BATT：电池的故障率入INV：逆变器的故障率无旁路UPS系统的MTBF（即MTBFSU）的计算：MTBFUPS=1/入UPS入UPS=入RECT+入BATT+入INV（E.1）若按NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，入RECT=20・10—6［小时T］；入BATT=10・10—6［小时T］；入INV=20・10-6［小时T］,代入方程（E.1），则无静态旁路UPS系统的故障平均间隔时间（MTBFUPS）MTBFUPS=20,000［小时］2.带静态旁路切换开关（SBS）的单UPS引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主UPS电源连接，就能大大提高单UPS的可靠性。例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。负载将无间断地转接至电网供电电源。公式中所用的变量说明：MTBFUPS+SBS:带静态旁路开关（SBS）的单UPS装置，两次故障之间的平均时间MTBFM：电网供电电源，两次故障之间的平均时间入UPS+SBS:带静态旁路开关的单UPS系统的故障率入SBS:含控制电路的静态旁路开关的故障率入PBUS:并联总线的故障率（仅适用于并联系统）入M：电网供电电源的故障率UPS系统的可靠性pSU:静态旁路开关的修复率(pSU=1/MTBFUPS)pM:电网供电电源的修复率(pM=1/MTBFM)MTTRSBS:静态旁路开关的平均修复时间MTTRM:电网供电电源的平均修复时间注意，所有的计算，都采用以下的常数进行：MTBFM=50［小时］，该指标表示“优质”的电网供电电源MTTRUPS=6［小时］MTTRM=0.1［小时］此外，根据NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电子线路引起的静态旁路开关故障率，取下列数值：入SBS=2・10-6［小时-1］带静态旁路开关的UPS系统的MTBF(即MTBFSU+SBS)的计算：MTBFUPS+SBS=1/入UPS+SBS=6-i0rLpm-i入UPS+SBS=入UPS//AM+入SBS(E.2)AAht=A卯5Ah-(AAw+Pyps+Mw)AypjAm+UymUwHA护4执d(山则+IW)+Ahiyps+A'j-/AUPS+SBS=AUPS//AM+ASBS=6・10—6［小时T］+2・10—6［小时-1］=8・10-6［小时-1］MTBFUPS+SBS=125,000［小时］注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的UPS系统的可靠性(即MTBFSU+SBS)取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS的MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。其关系曲线示于图3中。3•带静态旁路切换开关(SBS)的并联冗余的备用UPS引入并联冗余配置，能够大大地提高单个UPS的可靠性。m逆兼昭瞎夺霜晦A-REtF.扎J^mLTTAQu£TT酵志豎陥达吏figFEi±图4(n+1)并联冗余UPS配置的电气原理框图和可靠性框图。UPS系统的可靠性(n+1)并联冗余UPS系统的MTBF(即MTBF(n+l)UPS+SBS)的计算:我们将从计算故障率的公式着手：入(n+1)UPS+SBS=(入UPS1//入UPS2…入UPS(n+1))+(n+1)入PBUS+(入SBS1//ASBS2…//入SBS(n+1))(E.3)故障率：A(n+1)UPS+SBS〜(n+1)APBUS(E.4)可靠性:MTBF(n+1)UPS+SBS=1/A(n+1)UPS+SBS(E.5)利用率：A(n+1)UPS+SBS=MTBF(n+1)UPS+SBS/MTBFUPS+SBS+MTTRUPS(E.6)(译者注：公式(E.6)有误，分母上似乎应加括号。原文如此)(n+1)并联冗余UPS系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行总线是唯一的单点故障。在并联冗余UPS系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。这里，将采用下列常数，对并联冗余UPS系统进行一些计算：MTBFM=50［小时］，该指标表示“优质”的电网供电电源APBUS=0.4・10-6［小时T］并联冗余配置可靠性(MTBF)故障率(久)(1+1)冗余配置1,250,000［小时］〜0.8・10—6［小时-1］(2+1)冗余配置830,000［小时］〜1.2・10—6［小时-1］（3+1）冗余配置625,000［小时］〜1.6・10—6［小时-1］（4+1）冗余配置500,000［小时］〜2.0・10—6［小时-1］（5+1）冗余配置420,000［小时］〜2.4・10-6［小时-1］表1（n+1）冗余配置的MTBF及故障率，n=l,2,3,4和5结论在单UPS电路结构（整流器，电池及逆变器）的情况下，UPS的可靠性主要取决于逆变器的可靠性。通过引入静态旁路开关，即备用的电网供电电源，假如电网供电电源的MTBF为50小时（优质），而UPS的MTTR为6小时，则可靠性将提高6倍。可惜这一可靠程度仍然不足，因为它仍在很大程度上取决于电网原先的可靠性，依赖于售后服务的质量（回应客户的速度，交通耗时，修理时间等）。现代紧要的用电设备，对于可靠性的要求极其苛刻，不能受制于电网质量和修理时间。为克服原始电网的制约，我们建议采用（n+1）并联冗余UPS配置。传统的独立（n+1）并联冗余UPS配置，有一个缺点，即UPS的修理时间较长（通常6-12小时）。采用了模块化可带电更换的（n+1）并联冗余UPS系统，要求苛刻的负载设备就完全不受电网影响：不必将其余UPS模块转接到原始电网，就能更换故障UPS（带电更换）。而且，更换模块最多只需0.5小时。这与传统的并联系统相比，极大地减少了修理时间。UPS系统的可靠性以下将介绍一个例子，对几种不同的UPS配置进行比较，它说明，正确选择系统/配置，对于可靠性和利用率，会带来多么大的影响。举例：传统的独立（1+1）冗余UPS配置与模块化（4+1）冗余UPS配置，在利用率方面的比较图5给出了两种冗余UPS配置的框图。左面的系统为，由传统独立UPS组成的（1+1）冗余配置，而右面的系统为，由模块化可带电更换UPS组成的（4+1）冗余配置。A=…一匹竺匸（E.7）+MTTRjupz''UPS系统的可靠性由公式（E.7）可见，一个UPS的可靠性，取决于：MTBFUPS=某一UPS配置，两次故障之间的平均时间MTTRUPS=UPS的平均修复时间。表2所示，为图5中的两种UPS配置，利用率之间的比较。注意，这里考虑两种情况：情况1：两种UPS配置，具有相同的平均修复时间：MTTRUPS=6［小时］情况2：对传统独立UPS配置：MTTRUPS=6［小时］,而可带电更换模块化UPS配置：MTTRUPS=0.5［小时］（1+1）冗余配置（4+1）冗余配置情况1MTBF1,250,000［小时］500,000［小时］MTTR6［小时］6［小时］利用率0.9999952（5个9）0.9999888（4个9）情况2MTBF1,250,000［小时］500,000［小时］MTTR6［小时］0.5［小时］利用率0.9999952（5个9）0.9999990（6个9）说明：情况1：在两种冗余配置MTTR相同的情况下，（1+1）冗余配置的利用率高于（4+1）冗余配置。之所以如此明显，是由于（1+1）冗余配置的MTBF高于（4+1）冗余配置。情况2：具有较长MTTR的（1+1）冗余配置的利用率，可能低于具有较短MTTR的（4+1）冗余配置。结论从上述情况可见，为达到高利用率，参数MTTR有多么重要。要是上述某一冗余配置中，有一个UPS发生故障就不再存在冗余度（低利用率状态），那么就必须尽快修理/更换损坏的另件/模块，以便重建冗余度（高利用率状态）。使用瑞士Newave公司的CONCEPTPOWER-模块化UPS，就能够达到最短的MTTR数值，从而达到最高的利用率，甚至在大量的模块并联配置的情况下也一样。