倪冰 胡艷文 許瓊（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，武漢市 430071）

    摘要：介紹UPS及其供配電系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式，并對UPS供配電系統(tǒng)可信性及可測試性進(jìn)行分析，提出提高UPS及其供配電系統(tǒng)可信性及可測試性的方法。
    關(guān)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(shù)已滲透到人們生活與生產(chǎn)的方方面面，信息技術(shù)的載體——電子信息系統(tǒng)及過程控制系統(tǒng)一旦意外中斷，將帶來日益嚴(yán)重的影響。
    由于供電中斷造成的生產(chǎn)或管理系統(tǒng)運行中斷經(jīng)濟(jì)損失巨大，尤其是銀行、證券交易和現(xiàn)代化的石油化工廠，運行中斷造成的后果異常嚴(yán)重。銀行、證券交易的信息系統(tǒng)意外停止將造成社會的動蕩與巨大的經(jīng)濟(jì)損失；生產(chǎn)裝置突然停止運行將造成生產(chǎn)鏈中斷，甚至火災(zāi)、爆炸。
    正如國標(biāo)GB 50174-2008 《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》[1]中對A級電子信息系統(tǒng)機(jī)房的定義：
    a.電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失；
    b.電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序嚴(yán)重混亂。
    UPS供配電系統(tǒng)作為電子信息系統(tǒng)或生產(chǎn)控制中心正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，電力供應(yīng)的高可靠性、高安全性、高可測試性自然成為至關(guān)重要的問題。
    其中，UPS供配電系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在設(shè)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(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運行過程中的各種隱患。
    唯有經(jīng)常實施有效的驗證性測試才能確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與安全。發(fā)達(dá)國家在對關(guān)鍵應(yīng)用中UPS供配電系統(tǒng)的驗證性測試無論在設(shè)計、竣工與運行階段都非常重視，有專門機(jī)構(gòu)從事與此相關(guān)的服務(wù)以滿足客戶需求。
    1 UPS供配電系統(tǒng)故障的后果
    歐洲的獨立咨詢機(jī)構(gòu)曾在2005年對歐盟國家典型行業(yè)UPS系統(tǒng)供電中斷的損失進(jìn)行了統(tǒng)計并分析其原因，如圖1所示。隨著電子信息系統(tǒng)與工廠過程控制系統(tǒng)日益廣泛的應(yīng)用，上述損失的數(shù)字有可能上升一個數(shù)量級。 

    2 UPS供電系統(tǒng)評價指標(biāo)
    2.1系統(tǒng)可用性
    UPS供電系統(tǒng)可靠性與可維護(hù)性的綜合評價可采用系統(tǒng)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(fù)前時間，即從出現(xiàn)故障到恢復(fù)之前的這段時間。
    系統(tǒng)可用性在概念上囊括了系統(tǒng)中設(shè)備的可靠性、可管理性、可維護(hù)性。系統(tǒng)可用性高意味著系統(tǒng)能夠提供更多的正常運行時間，意味著一旦發(fā)生故障系統(tǒng)不可用的時間降低到更短的時間。
    2.2系統(tǒng)安全性
    對于關(guān)鍵的應(yīng)用，僅僅采用可用性來評價并不完整。從關(guān)鍵電力供應(yīng)需求的角度來說，UPS供電系統(tǒng)除具有高可用性外還應(yīng)具有以下的能力：發(fā)生某個局部失效時限制系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重后果的概率。這個能力可以表述為系統(tǒng)安全性，它與風(fēng)險意識相聯(lián)系，取決于系統(tǒng)的架構(gòu)。
    2.3系統(tǒng)可信性
    融合了系統(tǒng)可用性與系統(tǒng)安全性的綜合評價可以采用系統(tǒng)的可依賴性或可信性來表示，即可信性=可用性 + 安全性?？尚判匀婷枋隽擞脩魧ο到y(tǒng)的需求。
    UPS供電系統(tǒng)具有高的可信性即指UPS系統(tǒng)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(tǒng)中發(fā)生故障或出現(xiàn)缺陷，系統(tǒng)具有不造成嚴(yán)重后果的能力。
    UPS供電系統(tǒng)提升系統(tǒng)可信性需要通過以下幾個方面實現(xiàn)：
    a.采用高可靠性能的UPS產(chǎn)品；
    b.采用高可維護(hù)性的UPS產(chǎn)品；
    c.采用各種系統(tǒng)冗余的技術(shù)手段；
    d.采用有效的技術(shù)手段，提高管理水平。
    其中，采用各種系統(tǒng)冗余的技術(shù)手段是UPS供電系統(tǒng)提升可信性的關(guān)鍵因素。
    生產(chǎn)商可以生產(chǎn)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(jīng)常采用多臺UPS通過冗余連接構(gòu)成“一臺” 容錯的UPS。如圖2所示。

    在高質(zhì)量配電系統(tǒng)中雖然采用各種故障率非常低的線路保護(hù)裝置、電纜和規(guī)范的施工工藝，但供電故障還極有可能來自UPS設(shè)備下游的諸如供電支路的短路故障、保護(hù)裝置的誤動作。
    系統(tǒng)運行人員和設(shè)備維護(hù)人員即使具有相當(dāng)高的素質(zhì)，還是不能完全避免對UPS系統(tǒng)的誤操作。
    上述這一切完全是UPS設(shè)備自身無法解決的，需要采取措施對整個UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行冗余，例如采用所謂“2N” UPS輸出結(jié)構(gòu)或者DR分散系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)的UPS系統(tǒng)，使整個UPS供電系統(tǒng)具有高度的容錯能力。
    唯有采用系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)的UPS系統(tǒng)，才能使得UPS供電系統(tǒng)具有99.9999%以上的系統(tǒng)可用性，滿足企業(yè)的控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的客觀需要。
    根據(jù)系統(tǒng)對可靠性的不同要求，可以組成不同的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而各種形式的UPS系統(tǒng)具有不同等級的冗余程度與系統(tǒng)的可用性。
以A級電子信息系統(tǒng)為代表的電子信息系統(tǒng)機(jī)房的UPS系統(tǒng)采用雙回路冗余電源系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)是完全必要的?！峨娮有畔⑾到y(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》中針對不同的應(yīng)用，做出了明確的規(guī)定。
    以石油化工為代表的現(xiàn)代化工廠控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的UPS系統(tǒng)采用雙回路冗余電源系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)是完全必要的。中石化2005年10月頒發(fā)的生〔2005〕531號文件《生產(chǎn)裝置過程控制儀表電源供電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定（暫行）》也規(guī)定重要生產(chǎn)裝置的電力供應(yīng)應(yīng)具有系統(tǒng)性冗余。
單機(jī)UPS系統(tǒng)、并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)及系統(tǒng)性冗余UPS系統(tǒng)這三種UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較如表1所示。

    3 UPS供配電系統(tǒng)的可測試性分析
    UPS系統(tǒng)的可測試性是指：如果UPS供配電系統(tǒng)中存在缺陷，可通過測試或檢驗發(fā)現(xiàn)，且不會對負(fù)載用電產(chǎn)生影響的能力。
    UPS系統(tǒng)的可測試性在一些關(guān)鍵應(yīng)用中是非常重要的，最典型的應(yīng)用是我國的大型商業(yè)銀行。已經(jīng)完成電子化的大型商業(yè)銀行是必須保證365天×24小時連續(xù)對外運行的商業(yè)機(jī)構(gòu)，集中化的（全國的業(yè)務(wù)在一個平臺上運行）電子信息系統(tǒng)必須具有全天候的業(yè)務(wù)支撐能力（沒有維護(hù)時間窗口）。
    3.1各種UPS系統(tǒng)的可測試性
    與提升系統(tǒng)的可用性與可信性相同，冗余水平越高的UPS系統(tǒng)，其系統(tǒng)的可測試性也相對越好。
    普通的單機(jī)UPS供配電系統(tǒng)的可測試性非常差。例如，當(dāng)測試UPS設(shè)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(fā)現(xiàn)UPS存在故障，但負(fù)載停電的嚴(yán)重后果已經(jīng)造成。
    即便是具有系統(tǒng)性冗余的2N UPS供配電系統(tǒng)，其可測試性依然可能不滿足某些應(yīng)用的實際需求。例如大型商業(yè)銀行的數(shù)據(jù)機(jī)房，按照國標(biāo)GB 50174-2008中對A級電子信息系統(tǒng)機(jī)房定義的：“電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失；電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序嚴(yán)重混亂”，A級電子信息系統(tǒng)機(jī)房必定是采用具有系統(tǒng)性冗余的“2N”或“M（N + 1）”UPS供配電系統(tǒng)。假定，電子信息系統(tǒng)所有的IT設(shè)備全部采用雙電源供電，正常情況下兩個電源各自承擔(dān)50% 的負(fù)荷，一路電源失電或UPS電源系統(tǒng)內(nèi)部損壞時，另一路電源或UPS電源系統(tǒng)承擔(dān)100% 負(fù)荷。事實上，確實偶爾會發(fā)生因為IT設(shè)備UPS電源系統(tǒng)無法承擔(dān)高負(fù)荷水平而失效的情況。
    由于大型商業(yè)銀行電子信息系統(tǒng)規(guī)模龐大且非常重要性，對具有系統(tǒng)性冗余的“2N”UPS供配電系統(tǒng)的在線測試工作變成了風(fēng)險較大的事情。
    如果因為測試有風(fēng)險而回避對UPS系統(tǒng)進(jìn)行完整的測試，那么任何單個UPS的故障，都可能逐步導(dǎo)致電子信息系統(tǒng)運行的失敗。具有系統(tǒng)性冗余的“2N”UPS供配電系統(tǒng)將隨著運行時間的延長，可信性不斷下降。
    上述情況在國內(nèi)大型商業(yè)銀行電子信息系統(tǒng)中客觀存在，因此提高UPS系統(tǒng)的可測試性對于A級信息系統(tǒng)機(jī)房是基本的而且是必須的。
表2列出了三種UPS系統(tǒng)的可測試性比較。
 

    3.2采用STS裝置提高UPS系統(tǒng)的可測試性
    具有系統(tǒng)性冗余的“2N”UPS供配電系統(tǒng)提升可測試性的技術(shù)手段之一是采用STS裝置。
    STS靜態(tài)切換開關(guān) (Static Transfer Switch) 是實現(xiàn)二選一的自動電源切換裝置。它能夠自動或手動將負(fù)載以很短的時間（滿足特定的標(biāo)準(zhǔn)，例如ITI（CBEMA）標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切換時間能夠滿足IT設(shè)備短時電力供應(yīng)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(shè)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(shè)備依然可以連續(xù)運行。
    正常工作狀態(tài)下，負(fù)載由主電源供電。在主電源發(fā)生故障時，STS將負(fù)載自動切換到備用電源。STS靜態(tài)切換開關(guān)采用先斷后通（Break before make）的快速切換（通常為3～5ms）方式，實現(xiàn)IT負(fù)載在二個供電電源之間不中斷運行的切換。
    標(biāo)準(zhǔn)型STS 的切換元件由兩組靜態(tài)開關(guān)組成，如圖4所示。每組靜態(tài)開關(guān) (SS) 由一組反向并聯(lián)的可控硅(SCR)組成。STS的維修旁路開關(guān)支持STS進(jìn)行在線測試和維護(hù)。STS安裝有三個開關(guān)來隔離靜態(tài)開關(guān)，并配置兩個帶機(jī)械互鎖的手動維修旁路開關(guān)。STS由于具有上述維修旁路開關(guān)，使得STS設(shè)備具有充分的可測試性。即STS在測試狀態(tài)下，STS測試出現(xiàn)異常時能夠發(fā)現(xiàn)問題但不會對負(fù)載的供電造成任何的影響。

    配置有標(biāo)準(zhǔn)STS裝置的“2N”冗余UPS供電系統(tǒng)具有充分的系統(tǒng)可測試性。測試步驟如下：首先，完成對系統(tǒng)中所有STS的測試，確認(rèn)所有STS性能的完好；然后，對相互冗余的UPS供配電機(jī)組進(jìn)行各種測試，可以模擬“2N”冗余的UPS供電系統(tǒng)單側(cè)供電發(fā)生故障。系統(tǒng)中所有的STS將所有雙電源輸入IT設(shè)備的供電暫時轉(zhuǎn)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(tǒng)具有高度可測試性，充分滿足365天 / 24h連續(xù)運行（無維護(hù)檢測時間窗口）的關(guān)鍵應(yīng)用（例如大型商業(yè)銀行中的電子信息系統(tǒng)）。
    當(dāng)然，UPS供配電系統(tǒng)的可測試性還應(yīng)該在系統(tǒng)中設(shè)計有可以承擔(dān)測試系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)（變壓器、自備發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)與UPS設(shè)備）的測試假負(fù)載與相關(guān)的切換系統(tǒng)。
    關(guān)鍵應(yīng)用UPS供配電系統(tǒng)建設(shè)完成后，系統(tǒng)性集成驗證性測試的實施也是非常必要的。
    4 結(jié)束語
    高等級UPS供配電系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計在一些方面有別于傳統(tǒng)的供配電設(shè)計，它需要考慮的問題在傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中通常是不予考慮的。尤其是在系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)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(tǒng)的驗證性測試是非常必要的，系統(tǒng)的驗證性測試應(yīng)該覆蓋整個生命周期。
    另外，如何保證在沒有維護(hù)時間窗口的關(guān)鍵應(yīng)用時，提升UPS供配電系統(tǒng)的可測試性也同樣非常的重要。

參考文獻(xiàn)

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