冗余并机与双总线UPS系统的可靠性及经济性比较分析.docx

作者：中国移动通信集团浙江有限公司 曹国水 胡坚钧       1 前言     随着通信业务和技术的迅猛发展，越来越多的数据设备被应用到通信系统中，除部分数据设备采用－48V直流供电方式外，绝大多数（包括小型机、交换机、路由器和磁盘阵列等）采用UPS供电方式在信息产业部《通信局（站）电源系统总技术要求》（YD/T1051-2000）中，规定通信枢纽楼的－48V电源系统的不可用度≤5×10－7，而对UPS供电系统的不可用度的要求是≤5×10－6该标准对UPS供电系统的可靠性要求是在系统仅用于业务支撑系统和非关键业务的背景下提出的，若在目前各重要业务网设备普遍采用UPS供电的情况下继续沿用该指标，这些设备提供的业务将无法达到由－48 V电源供电的质量标准    2  “1＋1”UPS冗余并机系统的特点及存在的问题    目前中国移动通信集团浙江有限公司（以下简称浙江移动）的UPS供电系统几乎全部采用“1＋1”冗余并机的供电方式，即通过各种并机方式，将两台相同型号和容量的UPS单机的输出直接并联而形成冗余并机供电系统相对于单机系统，“1＋1”冗余并机系统的可靠性得到了很大的提高，但这种供电系统仍有不少缺陷。

    （1）可靠性要求达不到核心网网元设备的供电要求    目前大型UPS产品的平均无故障工作时间（MTBF）为（2～4）×105h，假设故障恢复时间为2h，则单机不可用度≤（5～10）×10－6，显然无法达到YD/T1051-2000中对UPS系统不可用度≤5×10－6的要求，如恢复时间超过2 h则更不可能达到根据系统可靠性分析，一般“1＋1”冗余并机系统的典型MTBF值为单机的5.5倍，即（1.1～2.2）×106 h，不可用度≤（0.91～1.82）×10－6；“N＋1”冗余并机系统的典型MTBF值与单机值的倍数关系见表1由表1可知，“N＋1” 冗余并机系统的可靠性得到了显著提升，达到了YD/T 1051-2000中对UPS系统的可靠性要求，但仍无法达到YD/T 1051-2000中对－48 V电源系统的可靠性要求表1  “N＋1”冗余并机系统的可靠性    （2）维修期间的安全性得不到保障    尽管UPS“1＋1”冗余并机系统的MTBF越来越长，但仍不能保证“零”故障当系统中某台UPS出现故障时，将由单机承担所有负载功率，从单机开始运行到维修完毕，再将故障机重新并入系统的这段时间，系统仍非常危险。

因为一旦单机运行失败，系统将旁路至市电，所有关键性负载将由低质量的市电或油机电源直接供给，这给网络带来严重的故障隐患另外，维修后的UPS单机与原运行单机重新并机时，如果隐含故障并未完全排除或并机参数设置不良，则在故障单机切入供电回路的瞬间，可能由于两机不同步而产生环流，而一个足够大的环流可能导致UPS逆变器损坏，同时造成输入电流异常增大而使输入开关跳闸，致使UPS系统中断所有输出    （3）仍然存在“单点瓶颈”    虽然“1＋1”冗余并机系统在输出回路中采用了“双路由”供电，但此“双路由”仍由同一套系统输出，而且一般这种系统的两台UPS主机输入要求来自同一路电源，因此一旦系统中的输入开关、输入转换开关、输出并机开关、输出配电屏等“单点瓶颈”出现故障，仍可导致“双路由”同时中断    （4）系统扩容所引起的割接风险    随着网络规模的不断扩大，UPS系统的扩容割接也在不断增多，一般使用新老两套“1＋1”UPS系统串联同步的方法来进行不断电割接，但在割接过程中若操作失误或施工不当，则造成供电中断的可能性非常大尤其在割接开始和结束时，由于需要进行逆变转旁路和旁路转逆变的状态转换，加上此时系统会遭受负荷剧变，系统转换失败也将造成不可挽回的损失。

    综上所述，“1＋1”UPS冗余并机系统仅提高了UPS自身的MTBF，并没有解决UPS冗余并机系统的输入、输出装置及供电线路等发生的问题，也不能解决UPS供电系统的可维护性问题，这是“1＋1”UPS冗余并机系统自身无法克服的问题    3  现有通信设备UPS的配置情况    表2是2006年浙江移动网管中心对交换、智能网、短信、GPRS、互联网、支撑等专业408台/套采用UPS供电的数据通信设备电源配置情况的统计按目前的供电方式，一旦“1＋1”冗余并机UPS系统在单点瓶颈上发生中断或瞬间供电中断，将会影响该系统下所有的负载表2   现有通信设备UPS的配置情况    4  冗余式双总线“1＋1”（或“N＋1”）    UPS供电系统的特点    冗余式双总线“1＋1”（或“N＋1”）UPS供电系统是指由两套完全独立的“1＋1”或“N＋1”UPS冗余并机系统为核心，构成双总线输入/输出的冗余式UPS供电系统，具体结构如图1所示图1  双总线UPS冗余并机系统结构    从图1中可知，当其中一个系统发生供电中断时，有主备用电源供电或采用“2＋1”冗余电源的通信设备仍能正常工作；有备份系统的单电源通信设备则由于分别接在不同的UPS系统，仍有一个系统可以正常工作，对业务不产生影响；而重要性相对不高的单电源单系统通信设备（占数据通信设备总数的28.9％），不采用通常推荐的STS（静态转换开关）切换后供电的方式，避免造成两个系统间的相互关联，降低其可用度指标，但由于机柜内有两路UPS电源，因此可在很短的时间内把电源插拔到正常的供电系统上，从而大大缩短了通信设备的切换启动时间。

冗余式双总线“1＋1”UPS供电系统具有以下优点    （1）达到核心网网元设备对供电的可靠性要求    一般“1＋1”冗余并机系统的不可用度≤（0.91～1.82）×10－6，而“N＋1”冗余并机系统的不可用度≤（5～10）/n×10－6两个完全独立的系统，同时不可用的概率是两个系统不可用度的算术积，“1＋1”冗余并机系统的不可用度并不符合这个规律，主要原因是两台UPS之间有很多相互关联的割集；而冗余式双总线UPS供电系统由于其UPS冗余并机系统之间再无单点瓶颈，相互隔离度很高，虽然同样不适合采用两套系统不可用度的算术积，目前也尚无相互间可计算的量化依据，但其MTBF显然会比“1＋1”冗余并机系统高几个数量级，达到1.48×108h，不可用度≤1.36×10－8，远远超过YD/T1051-2000中对－48V电源系统的可靠性要求    （2）消除了“单点瓶颈”故障隐患    冗余式双总线UPS供电系统消除了可能出现在各种配电线路中由于各种设备、器件、线缆等因素而存在的单点瓶颈故障隐患因此，当其中一套“1＋1”冗余并机系统中某台UPS出现故障时，除了单机仍能继续向负载供电外，另一套系统将承担起供电可靠性保障的任务，即使维修过程中出现系统输出中断，也不会引起网元退出服务。

    5  配置模式和设备投资比较    表3是三种UPS供电系统的配置和设备投资情况，基于防止系统故障时影响面过大的考虑，冗余并机UPS系统容量一般为250kV·A，而冗余式双总线UPS供电系统容量则选择400kV·A表3   三种配置模式的投资情况比较    根据各种不同的配置情况，三种UPS供电系统的带载能力也不相同为保证UPS系统可靠稳定地运行，一般规定250kV·A“1＋1”UPS系统的最大允许负荷为160kW，因为通信设备负荷功率因数为0.8，单机工作时的容量冗余度可选为0.8；而采用冗余式双总线400kV·A“1＋1”UPS供电系统时，因同时出现三台UPS主机宕机的概率非常小，除通信设备负荷功率因数0.8仍需照常考虑外，单机工作时的容量冗余度可以考虑为0.95左右，即单侧“1＋1”冗余并机UPS系统的最大允许负荷可达到304 kW采用冗余式双总线400 kV·A“2＋1”UPS供电系统时，最小正常运行模式是单侧两台UPS主机正常运行，则工作时单机的容量冗余度可以考虑到0.90左右，即单侧“2＋1”冗余并机UPS系统的最大允许负荷可达到576 kW    冗余式双总线400kV·A“1＋1”UPS供电系统和冗余式双总线400kV·A“2＋1”UPS供电系统的实际带载容量是不是就是304kW和576 kW呢？答案是不。

因为对于由两套“1＋1”冗余并机UPS系统组成的供电系统来说，只有在所有负荷通信设备都是双电源（或四电源）时，其系统总带载容量才等于单侧UPS系统的带载容量（因为双电源设备在一侧电源中断后，所需功率需由另一侧来提供）；如果实际负荷中有一部分是单电源设备，则系统总带载容量就会超过单侧“1＋1”冗余并机UPS系统的带载容量，因为单电源设备在一侧电源中断后，所需功率不会转嫁到另一侧UPS系统中    表4是不同负载情况下，三种UPS供电系统的带载能力及投资分析，在目前的负荷情况下（约2/3负荷为双电源设备），采用冗余式双总线400kV·A“1＋1”UPS供电系统的单位功率投资与采用250kV·A“1＋1”冗余并机UPS系统的单位功率投资大体相当若采用冗余式双总线400kV·A“2＋1”UPS供电系统，则比采用250 kV·A“1＋1”冗余并机UPS系统模式还要节省16%，所不同的是采用冗余式双总线400 kV·A“1＋1”（或“2＋1”）UPS供电系统的初期投资会加大，但与其提供的高可用度相比，还是非常值得的表4    不同负载情况的带载能力及单位功率的投资情况比较    6  电池后备时间分析    目前，常用的250kV·A“1＋1”冗余并机UPS系统的电池后备时间是按照一台UPS故障情况下，满负荷单机支撑30min设计的，即交流输入中断（市电中断，油机不能供电）后可继续供电30min。

实际运行中，若UPS不发生任何故障，系统可提供80 min左右的后备时间，单机时可支撑38 min左右采用冗余式双总线400 kV·A“1＋1”UPS供电系统后，电池延用原配置，即单侧配置4组200 Ah电池；而冗余式双总线400 kV·A“2＋1”UPS供电系统则单侧配置6组2 000 Ah电池表5列出了系统出现UPS故障时，电池的后备时间（按电池容量进行计算，冗余式双总线负载按66%双电源）可以看出，在UPS无故障或同时故障台数不大于两台的情况下，蓄电池的后备时间完全满足原设计的要求表5   不同配置模式下电池的后备时间    7  装机占地面积比较    250kV·A“1＋1”冗余并机UPS系统由2台UPS主机、1台并机柜、1台输入柜、1台输出柜、4个电池架组成，净占地面积计10.7m2，按实际占地面积为净占地面积的2.5倍计，实际占地面积为26.7m2表6为各种配置模式下的占地面积分析表6   不同配置模式下占地面积比较    可以看出，采用冗余式双总线400kV·A“1＋1”（或“2＋1”）UPS供电系统后，单位功率的占地面积有不同程度地减少，因此不会出现装机面积增大的问题。

    8  结束语    通过上述比较可以看出，采用冗余式双总线400kV·A“1＋1”（或“2＋1”）UPS供电系统后，可为核心网元中的数据通信设备提供高可用度的UPS电源，为网络安全高效运行提供充分的保障同时，采用冗余式双总线400kV·A“1＋1”（或“2＋1”）UPS供电系统后，投资成本并不会成倍增加，即使负载中双电源设备达到100％，也仅增加26％的投资若采用冗余式双总线400kV·A“2＋1”UPS供电系统，单位功率的投资成本反而有较大幅度的下降对电池后备时间的分析和占地面积的分析也表明，采用冗余式双总线400 kV·A“1＋1”（或“2＋1”）UPS供电系统是可行的。