如何提高网络服务器等重要负载供电的可靠性

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1、1如何提高网络服务器等重要负载供电的可靠性如何提高网络服务器等重要负载供电的可靠性HOW TO IMPROVE THE RELIABILITY OF THE POWER SUPPLY OF THE IMPORTANCE LOADS SUCH AS THE NETWORK SERVER翟玉杰翟玉杰 中国联通沈阳分公司中国联通沈阳分公司 邮编邮编 110021110021 1333241032013332410320关键词：关键词：UPSUPS 网络服务器网络服务器 冗余设计冗余设计 可靠性分析可靠性分析 摘要：网络服务器等重要负载供电的可靠性不仅取决于摘要：网络服务器等重要负载供电的可靠性不仅取

2、决于 UPSUPS、配电线路、服务器设备电源的、配电线路、服务器设备电源的 可靠性，而且还取决于冗余设计的可靠性。因此科学地选择可靠性，而且还取决于冗余设计的可靠性。因此科学地选择 UPSUPS 设备的类型、容量、冗余方设备的类型、容量、冗余方 式对于提高供电的可靠性具有非常重要的意义。文章通过图表分析、公式计算等通俗易懂方式对于提高供电的可靠性具有非常重要的意义。文章通过图表分析、公式计算等通俗易懂方 式详细阐述了单套式详细阐述了单套 UPSUPS 系统系统 n+1n+1、1+n1+n、n+mn+m 冗余电路的可靠性；两套冗余电路的可靠性；两套 1+11+1 并机冗余并机冗余 UPSUPS

3、系统系统 输出双路总线、双路零切换全冗余电路的可靠性，深入浅出地给出了各种设计方案的可靠度输出双路总线、双路零切换全冗余电路的可靠性，深入浅出地给出了各种设计方案的可靠度 分析和计算方法，可供电源设计时参考使用。分析和计算方法，可供电源设计时参考使用。众所周知，当今社会和经济生活对信息网络的准确度和时效性的要求越来越高，从某种 意义上讲，信息就是效率和财富。所以对于电信、金融、证券等行业的网络服务器等重要负 载而言，一旦出现电源中断故障，就可能造成巨大的经济损失，所以网络服务器等重要负载 供电的可靠性已经成为信息网络安全的首要问题。一、一、可靠性概述可靠性概述可靠性的指标之一是可靠度 R（t）

4、，它是指产品在规定的条件下，在规定的时间内、 产品完成规定功能的概率。它是时间的函数，记作R(t)。显而易见，可靠度 R（t）是时间 的概率分布函数，表示产品在时刻0处于完好状态时，从0时刻到时刻t的时间间隔内正常工 作的概率。 R R（t t）=P(Tt)=P(Tt) （公式（公式1 1） 可靠度 R（t）的时间分布曲线如图图1 1。图图1 1 众所周知，产品的可靠性随着工作时间的延长而越来越小。由图图1 1可见：当t=0时，R(0)=1; 当t=时，R()=0。我们把t时刻尚未失效的产品，在该时刻后的单位时间内发生失效的概 率与t时刻尚未失效的产品数之比称为瞬时失效率(Failure Ra

5、te)，用 (t)表示，简称失 效率。它反映电源系统或设备在t时刻失效的速率,也称为瞬时失效率。电源系统或设备的失效率遵循下面的浴盆曲线：) t (2瞬时失效率瞬时失效率（t）偶然失效期偶然失效期早期失效期早期失效期损耗失效期损耗失效期规定的规定的 失效率失效率使用寿命使用寿命时间时间 t图图 2 2电源系统或设备在运行初期的故障失效率 （t）较高，如图图 2 2，主要是由于设计缺陷、 元器件质量、制造技术、安装调试问题等方面产生的系统故障，一般成批出现，称为早期失 效期。设备出厂前进行整机检验和环境老化处理是预防早期失效的主要方法。早期失效的问 题全部发现和解决后，电源系统或设备失效率 （t

6、）迅速下降，趋于稳定，一直到寿命后 期的故障高发阶段为止，很少发生失效，故障的产生原因具有随机性，这个期间叫做偶然失 效期。在偶然失效期内，失效率 （t）近似为常数 ，这一阶段是电源系统或设备的可靠 工作期，也是最佳状态期，电源系统或设备的使用寿命主要取决于这一阶段的时间。电源系 统或设备在偶然失效期内的失效服从指数分布，其可靠度：（公式（公式2 2）tetR）（偶然失效期也决定着产品的寿命。对可维修产品而言，其平均寿命是指两次故障间的时 间平均值，称平均故障间隔时间，用 MTBF 表示（Mean Time Between Failures） 。它代表的 物理含义是电源系统或设备无故障工作时间

7、的平均值。（公式（公式 3 3）1dte)( 0t0dttRMTBF从公式公式 5 5 我们可以得出，电源系统或设备的平均无故障工作时间与瞬时失效率成倒数关 系。称平均故障间隔时间长，瞬时失效率就低。二、二、UPSUPS 主机的选型主机的选型对于网络服务器等重要负载而言，只要出现瞬间的供电中断故障，就可能会导致网络瘫 痪，那时无论釆用什么措施来缩短 UPS 的维修时间，也无法弥补长达几十分钟到几小时的网 络恢复时间所造成的危害。因此给网络服务器等重要负载供电的设备必须选用 MTBF 指标高 的、性能先进的名牌产品。 MTBF 参数是电源系统或设备选型最重要的指标之一。YD/T1051- 200

8、0通信局（站）电源系统总技术要求对交流不间断电源设备的可靠性规定如下：在使 用寿命期间内，MTBF 应1105h，即 11.4 年，现在进入中国市场 UPS 的 MTBF 一般都在 10 万小时以上，有的 UPS 标明 MTBF 是 330 万小时，不同品牌 UPS 的可靠性指标是有明显差别 的。大量的 UPS 运行实践表明：额定输出功率大于 15KVA 的大容量 UPS，其 MTBF 值较大，可 靠性也较高。因此，当我们在规划、设计给 IDC 机房/电信机房网络服务器等重要负载供电 的 UPS 时，应尽可能地选用大容量的 UPS 主机和釆用集中供电设计方案。 选择 UPS 的额定容 量的基本

9、原则是总视在功率、总有功功率 P、总无功功率都必须满足负载要求。选择 UPS 的 额定容量时还必须考虑冲击电流、峰值电流、过载能力、负载突变等因素，必要时进行补偿。3另外 UPS 的额定容量不宜接近负载功率。因为 UPS 长期处于重载运行状态，逆变器输出 波形将发生畸变，输出电压会大幅度波动，造成 UPS 的性能和可靠性下降，所以极易造成网 络服务器等重要负载损坏和 UPS 逆变器损坏；UPS 额定容量也不宜较负载过大，UPS 过度轻 载运行虽有利于降低逆变器的损坏概率，但可能造成大量的空载损耗和蓄电池的深度放电。 所以 UPS 负载量不宜长期超过其额定容量的 70%，也不应低于其额定容量的

10、20%。双变换在线式 UPS 电源能够确保负载与市电处于真正“隔离”状态，十分有利于避免来 自市电的各种“干扰”串入到用户的负载上，其处理电网干扰的能力最强。为确保网络服务 器等重要负载的正常工作，尽可能创造优良的电源运行环境，所以应首选双变换在线式 UPS。在线式 UPS 有高频机和工频机两种机型。高频机输出一般不带隔离变压器，输出零线 一般存在高频电流，主要来自 UPS 高频逆变器的脉动电流、负载的谐波干扰等，其干扰电压 不仅数值高而且难以消除，容易提高输出端的零-地电压。工频机一般带隔离变压器，其输 出端的零地电压较低，而且高频分量较少。大量运行实践证明，如果 UPS 输出端中线对地线

11、的“干扰”电位大于 1V，容易导致计算机网络数据通讯的误码率增高。所以对于计算机网络 的通信安全来讲，降低零-地电压非常重要。还有一些负载要求输入与输出全隔离，所以 UPS 必须配置输出隔离变压器。但需要注意的是，工频 UPS 虽然标准配置输出变压器，但其隔离 效果不一定完善，主要是由于一些工频 UPS 的旁路电源连接到 UPS 的市电输入，所以 UPS 的 输出隔离变压器的中性线与 UPS 输入市电的零线也连通，所以只有带双隔离变压器才能将逆 变输出与 UPS 市电输入和旁路输入完全隔离。工频机在抗干扰方面优于高频机，所以对于给 网络服务器等重要负载供电的 UPS 还应以工频机为首选。选择

12、UPS 除了根据各种 UPS 的抗干 扰性能以外，还应参考 UPS 的设计、制造、配套、服务等综合质量，应选择全数字化、高标 准的常规指标、高效率低噪声的 UPS。大型 UPS 应具有蓄电池智能化管理功能，以延长电池 的寿命。必须选用高质量的蓄电池才能保证 UPS 主机的可靠性。鉴于市场上的密封免维护蓄电池 质量良莠不齐，蓄电池的品牌的选择顺序应该是：国际的名牌厂家、国内的合资企业、引进 技术生产的大型国内企业、一般国内企业。就蓄电池的选型方面来说：阀控吸附式蓄电池比 阀控式胶体蓄电池寿命短，12V 蓄电池比 2V 蓄电池的寿命短。综上所述，选购 UPS 应遵循以下基本原则：1)选择抗干扰性能

13、较好的在线双变换式工频 UPS 主机。 2)选择旁路输出带隔离变压器的 UPS。 3)输入功率因素大于 0.9 的 UPS，具有恒压限流功能的 UPS。 4)选择优秀品牌和负载量在 20%70%的 UPS 主机。 5)选择优秀品牌和总容量2h 的2 组的蓄电池组。 6)选择电磁兼容性好、电池自动管理功强的 UPS。 7)选择操作简便，能够避免误操作的 UPS。 8)选择并机冗余性能较好的 UPS。 9)选择操作简便，能够避免误操作的 UPS。 三、三、UPSUPS 并机系统的可靠性并机系统的可靠性随着 Internet 网络、电子商务、IDC 机房的飞速发展，用户对 UPS 电源系统的可靠性提

14、 出了更高的要求，但是，如果从 UPS 单机的角度来看，无论其技术如何发展，仍然摆脱不了4容量和可靠性的限制。这是因为对于可靠性为 99.999 的 UPS 产品来说 ，它在一年中可能 造成的互联网的停机时间长达 315s，即使将 UPS 产品的可靠性提高到 99.999999 ，在一 年中可能造成的停机时间仍有 320ms 之长。对于 IDC 机房而言，如果真的发生长达 320ms 的 停机故障 ，它会带来巨大的损失。这是因为当前多数计算机所允许的瞬间供电中断时间为 1018ms，否则就会造成网络服务器的重新启动或硬盘损坏。因此，要想保证网络服务器等 重要负载连续不间断的运行，单纯靠提高 U

15、PS 单机的可靠性是没有出路的。我们只能制备出 故障率越来越低的 UPS 产品，还制造不出故障率为零的 UPS 产品。1.1.解决解决 UPSUPS 输出单点瓶颈的措施输出单点瓶颈的措施那么如何实现 UPS 的容量和可靠性的提高呢？在单机的基础上，我们可以通过增加一定 的冗余来提高 UPS 电源系统的可靠性。当使用 1 台 UPS 向网络电源系统供电，一旦这台 UPS 出现故障而断电，整个网络就会瘫痪,这就形成了单点瓶颈。解决 UPS 输出单点瓶颈的主要 措施有以下三种：1)双机主从式热备份。将作为从机的 UPS 输出接到主机的旁路输入，平时由主机供电， 从机处于备份。当主机故障时，负载切换至

16、主机旁路，由从机承担供电任务。此电 源系统结构和控制比较简单，但存在两机的元件老化程度不均匀、电源系统负载不 能超过单机容量而且以后无法扩容的缺点。 2)并机式热备份。两台或多台 UPS 并联运行，同时向负载均分供电，当其中一台故障 时，该 UPS 从电源系统中脱离，由剩余 UPS 均分负载。此方案的优点是易于扩容， 通过冗余备份能够提高供电的可靠性，但也存在各 UPS 在向负载供电同时，还在 UPS 内部的逆变器间形成环流缺点，当环流过大，将直接危及逆变器安全。一般来 说，供电电源系统中并机数量越多，UPS 电源系统发生故障的概率也越大。 3)选择式热备份。两台 UPS 同时工作，通过静态开关选择其中一台 UPS 的输出向负载 供电，UPS 分别互为备用，只有当两台 UPS 同时故障时，电源系统将负载切至两台 UPS 共同的静态旁路，由市电继续向负载供电。该方案没有上述故障点，任何一台 UPS 局部或整体