模块化 UPS 可靠性计算与分析 谢凤华 张春光 中兴通讯股份有限公司 ( 深圳 518057) 摘要：文章通过对模块化 UPS 系统的基本可靠性/ 任务可靠性/ 可用性指标计算，分析出有冗余的模块化 UPS 系统的可用度会大大提高对于模块化 UPS 系统，系统的瓶颈将是静态开关/ 并机通信线以及模块的独立性（故障模块的可靠退出和正常模块的顺利接入系统） 叙词：模块化 UPS，MTBF ，MTTR ，可靠度，可用度，冗余，静态开关，旁路 Abstract： This paper introduces calculating methods for base reliability and task reliability and availability of modular UPS .The result of analyses is that the availability of modular UPS system with redundance is consumedly improved. The neck of modular UPS system is STS /parallel cable/independence of the module (fail module eit and normal module enter reliably) Keywords:modular UPS,MTBF,MTTR,reliability,availability,redundance,STS,bypass 1 引言 模块化 UPS 具有可用度高，便于生产物流以及安装维护扩容而成为 UPS 未来的发展趋势。
通信用开关电源的发展为 UPS 提供了榜样， DSP 器件和控制技术的发展为模块化 UPS 提供了物质和技术基础本文重点计算和分析模块化 UPS 的高可用性 2 模块化UPS 可靠性模型 2.1 系统介绍 模块化 UPS 采用模块化设计，系统由功率模块、静态开关 STS、监控模块三种功能模块组成 该系统可以根据用户需要将功率模块配置成（N+ ），其中，N 为保证系统输出需要配置的功率模块数量， 为功率模块冗余数量 系统的功能框图如图 1 所示 第 1 页 共 11 页 图 1 模块化 UPS 系统功能框图 2.2 前提和假设 UPS 系统可靠性模型是一个任务可靠性模型，其任务剖面是系统的交流输出正常变换、静态开关 STS 二个子系统其中逆变变换子系统由（N模块不影响其它模块继续运行 子系统的故障间3． 来说，监控模块是一个容错模块，不影响输出正常这一任务剖面，所以可4． 失效率相等 另外系统可靠性和可用性分析涉及到的参数符和子系统可靠性和可用性参数的符号 数 我们要分析的模块化待分析系统不包括蓄电池的可靠性 为了简化设计，将待分析系统分为逆变+）个功率模块组成本文计算基于如下假设： 1． 各模块的故障是相互独立的，即出现故障的功能2． 各功能模块以及由各功能模块组成的子系统的故障率是常数，也就是各功能模块和隔时间服从指数分布。
对输出正常这一任务剖面靠性分析时未包含该模块（监控模块拔出时，系统还能不间断给负载供电） 并联冗余使用的功率模块与非冗余使用的功率模块失效率按照同一个数据来计算各功能模块内部是一个串联模型，即各功能模块基本可靠性模型和任务可靠性模型的，假设功率模块的 MTBF=5 万小时，MTTR=5h 或者 50h 两种情况 2.3 “ N+”子系统的可靠性，可用性模型与计算公式 为了可靠性和可用性分析方便，对功率模块和功率模块并联子号进行定义定义结果如表 1 所示 表 1 各功率模块可靠性参数 可用性参子系统名称 基本可靠性模 可靠性模型 等效 可用型 任务 等效功率模块 N 功率模块 2 静态 STS功率模块 1 监控模块 旁路输入 主路输入 功率模块 N+2 功率模块 N+1 功率模块 N+ 运行状态输出第 2 页 共 11 页 失 可 效率 MTBF 靠度 MTBF MTBF MTTR 度 功率模块 λ1MTBF1R1MTTR1A1并联子系统 λ M MTBFS1MTBFeqS1M1BS1TBFBS1RS1TTReqSAS1文中可靠度除 特别 之 寿 期中 可2.3.1障则判断系统故障而需要维修，尽管系统还能完成如不间断给基本可靠性模型是一个各功指明 外，都是指 命周 每小时的 靠度。
“ N+”基本可靠性模型与计算公式 基本可靠性是指系统中有任何单元出现故负载供电的功能子系统的基本可靠性模型如图 2 所示 图 2 功率变换子系统基本可靠性框图 率模块的串联系统，其失效率λ 1BS、可 靠度 和平均无故障间隔时间 分别如公式 1、2 、 3 所示 1BSR1BSMTBF11)( λλ⋅+= NBS…………………………………………………公式 1 ………………………………………………………公式 2 )(11NBSRR+= BSBSMTBFλ11= ……………………………………………………………公式 3 2.3.2 “ N+”任务可靠性模型与计算公式 提供正常的交流输出 度相同的单元组成并联结构，其中4 和公式 5 所示 ……………………………………….公式 4 定义“N+ ”子系统的任务剖面为功率模块(N+）个功率模块并联形成一个表决系统，在该系统中 (N+)个可靠有 N 个单元正常工作，系统就可以正常工作 对该表决系统，其可靠度 R 和 MTBF 如公式1S 1S()()}1{111RiNiNNiiNSRCR−∑−++=+=∑=−+=iSiNMTBFMTBF111)(1* ……………………………………….公式 5 2.3.3 “ N+”可用性模型与计算公式 用 换子系统的任务剖面也是由功率模块提供正常的交流输出。
可用TBFeqS1、MTTReqS1和可用度AS1如公式 6、公式 7 和公式 8 所示 可 性也是针对任务可靠性，该逆变变该逆变变换子系统是一个表决模型，用等效 MTBF、等效 MTTR 和可用度三个参数来表征该系统的性 系统M功率模块功率模块 2 功率模块 1 N+1 功率模块 N+功率模块第 3 页 共 11 页 })!()!1(! NMTBF −⋅{)()(1111NMTTRMTBFMTBFeqS+⋅⋅= ……………………….公式 6 111+=MTTRMTTReqS……………………………………………………….公式 7 1111eqSeqSeqSSMTTRMTBFMTBFA+= …………………………………………….公式 8 3 功率模块并联子系统的可靠性及可用性分析 模型 MTBF 的与模块数的关系 3.1 可靠性分析 3.1.1 对基本可靠性0.00E+005.00E+031.00E+041.50E+042.00E+042.50E+043.00E+043.50E+044.00E+044.50E+045.00E+04时间(小时)12345678910配置数量（N+）(个)基本可靠性MTBF与配置数量（N+）关系曲线图 3 基本可靠性指标MTBF 与模块数的关系(MTBF1=50000h) 对非冗余 大，系统的基本可靠性模型MTB系统，在功率模块 MTBF 已知的情况下，随着配置数量 N 的增F 值急剧下降。
随着配置数量 N 的增大，开始时下降幅度大，后来越来越小 第 4 页 共 11 页 3.1.2 任务可靠性模型可靠度在冗余 =0 时随 N 变化关系 0.99970.999750.99980.999850.99990.999951可靠度12345678910配置数量N(个)任务可靠性模型可靠度与配置数量N关系曲线(=0)MTBF=50000小时 MTBF=100000小时图 4 任务可靠性模型的可靠度与模块数和基本 MTBF 的关系 对于非冗余系统，其任务可靠度由一个模块的 4 个“9 ”（MTBF1=100000 万小时时是 5 个“9 ”），到 10个模块并联时的可靠度是 3 个“ 9”（MTBF1=100000 万小时时是 4 个“ 9”） 3.1.3 =1 时，N 对可靠度的影响 0.999999970.9999999750.999999980.9999999850.999999990.9999999951可靠度123456789配置数量N(个)任务可靠性模型可靠度与配置数量N关系曲线(=1)MTBF=50000小时 MTBF=100000小时图 5 =1 时，可靠度与模块数和基本 MTBF 的关系 可见，当有冗余时，“1+1”的系统可靠度可以达到 9 个“ 9”（模块 MTBF=5 万 h），而对于“9+1 ”的系统可靠度也可以达到 7 个“ 9” （模块 MTBF=5 万 h）。
这个也说明，冗余一个模块比没有冗余的系统的可靠度提高 4 个“ 9” “5+1”系统的可靠度为 8 个“9 ”，“5+2 ”系统的可靠度超过 10 个“9 ”（模块 MTBF=5 万小时），冗余一个模块已经足够 第 5 页 共 11 页 3.2 可用性分析 3.2.1 无冗余（ =0）时可用度随 N 的变化 0.99840.99860.99880.9990.99920.99940.99960.99981可用度12345678910配置数量N(个)可用度与配置数量N关系曲线（=0,MTTR＝5h）MTBF=50000小时 MTBF=100000小时图 6 无冗余时，可用度与模块数 N 及基本 MTBF 的关系 可用度不仅与 MTBF（λ）有关，而且与 MTTR（μ）有关对于模块 MTBF=5 万小时，MTTR=5小时的系统的可用度，没有冗余时，一个模块的可用度可到 4 个“ 9”，但是当 10 个模块时，可用度减少到 3 个“ 9” 3.2.2 有冗余（ =1）时可用度随 N 的变化 0.99999930.99999940.99999950.99999960.99999970.99999980.99999991可用度123456789配置数量N(个)可用度与配置数量N关系曲线（=1,MTTR＝5h）MTBF=50000小时 MTBF=100000小时图 7 =1 ，MTTR=5 时，可用度与模块数 N 及基本 MTBF 的关系 对于模块 MTBF=5 万小时，MTTR=5 小时的系统的可用度，有一个模块冗余时，一个“1+1”系统的可用度可到 8 个“ 9”，但是当 10 个模块时，可用度减少到 6 个“ 9”。
因此，对于有 1 个模块的冗余系统，可以满足 IDC 机房 6 个“ 9”的要求！ 可见，“5+1 ”系统的可用度为 6 个“9 ”，“5+2 ”系统的可用度超过 10 个“9 ”（模块 MTBF=5 万小时），冗余一个模块已经足够 第 6 页 共 11 页 3.2.3 模块 MTBF 固定，冗余数 =1 时，可靠度随 MTTR 和 N 的变化 0.999930.999940.999950.999960.999970.999980.999991可用度123456789配置数量(个)MTTR对可用度影响（=1,MTBF=50000h）MTTR=50h MTTR=5h MTTR＝0.5h图 8 =1 时，可用度与 MTTR 的关系 系统的可用度不仅与模块的 MTBF 有关，而且与模块的 MTTR 有关，当 MTBF=5 万小时，冗余一个模块时，“ 1+1”系统的可用度，分别为 10 个“9 ”（ MTTR=0.5h） /8 个“9 ”（MTTR=5h ） /6 个“ 9”（MTTR=50h ），维修时间增加一个数量级，则可用度减少 2 个“ 9” 当“ 9+1”系统的可用度，分。