《电子技术应用》

高智能、容错UPS的发展趋势

2010/10/22 17:23:45

  纵观UPS的发展历史,由动态到静态、由工频到高频、由低指标到高性能 ……,短短几十年发生了巨大的变化,是什么原因促使它这样发展变化呢?

 

首先,人们的需求是UPS发展变化的原动力,需求的变化决定着UPS的发展方向。当市电频繁中断,使生产无法正常进行时,人们需求一种不断电的装置,于是出现了初级的动态式UPS;当UPS的使用场所和应用范围发生变化时,人们需求一种更轻便、更静音的UPS,于是出现了静态式的工频UPS;当人们越来越追求效益、越来越重视节能环保时,人们需求效率更高、节能指标更好的UPS,于是出现了高频UPS ……

 

其次,技术进步和元器件的更新换代是UPS发展变化的客观保障。IGBT高性能磁性器件、CPUDSP等功率和控制组件的出现,以及PFCPWM波等控制技术的成熟和广泛应用,使UPS的高功率密度、高效率、低成本、低污染等特性得以实现。

 

第三,计算机和网络技术的高速发展使UPS的需求量快速膨胀,这为UPS的发展变化提供了难得的历史机遇。

 

这三者之间相互作用,共同促进UPS的快速发展,但其中最重要、起决定性作用的因素还是人们的需求,离开了需求,技术再高,元器件再好,人们也不一定会想到将其应用到UPS中去,即便是应用了也不一定会得到市场的广泛采用。总之,没有需求就没有市场,人们的需求变化引导着UPS的发展趋势。

 

那么现阶段人们需要什么样的UPS呢?

经调查,目前人们对UPS的需求主要集中在以下五个方面:

    1.要求可靠,有没有从来不坏的?

2.强调可用,有没有坏了马上就能修好的?

3.需要扩容,有没有不加限制配置灵活的?

4.投入运行,有没有成本比别人都低的?

5.强化管理,有没有功能实用实施简便的?

其实,这五个方面基本可归纳为两点----智能、容错。

 人们最重视UPS的可靠性,那么有没有从来不坏的UPS呢?没有!不仅没有,和整个供电系统的其它环节比较起来,UPS还是最容易坏、最不可靠的。

 来自IEEE美国电气与电子工程师协会的一组数据显示:电池的MTBF(平均无故障时间)是1402524小时,断路器的MTBF2502878小时,接线端子的MTBF22993791小时,而带静态旁路UPSMTBF只有156362小时,也就是15万多小时,比系统中的电池、断路器、接线端子等环节都低。可能有人会说,15万小时相当于20年的时间,可靠性已经很高了呀!其实,MTBF虽然科学,但是不可信,因为它无法测量,仅代表设备的平均无故障时间,而每次发生故障的具体时间是不确定的,即使是MTBF20年的设备,也可能在开机运行的第一周就发生故障。

 既然没有从来不坏的UPS,那么人们就只能退而求其次了:能不能使UPS故障后对负载的影响达到最小,甚至没有影响呢?能不能使故障UPS快速修复呢?为了满足第一个需要,人们采用了串联热备份、1+1或者N+1并联冗余,双总线甚至三总线等复杂的系统解决方案。其实,方案越是复杂,故障点就越多,系统故障率也就越高,人们花巨资设法建立复杂UPS系统的目的就是为了提高系统的容错性。

 容错是一种能力,即UPS能够容忍故障的能力。最能体现UPS容错能力的指标是可用性,可用性衡量的是系统提供持续服务的能力,对于可用性高的UPS系统,当UPS发生故障时,不会影响系统的继续运行,并且可以快速修复。随着信息化的发展,人们对供电要求越来越高,一年365*24小时不能断电,所以对UPS的需求也正在由可靠性向可用性转变。可用性的公式如下:

 

从公式中可以看出,要想提高可用性就必须提高UPS的平均无故障时间(MTBF)或者降低UPS的平均维护时间(MTTR)。实际上要想提高UPS单机系统的可靠性是很困难的,它受到很多因素的制约。而通过降低UPS的平均维护时间(MTTR) 提高UPS的可用性却是很有效的。

 容错的核心是系统内部资源冗余,而资源冗余的技术支撑是模块化。串联热备份、并联冗余,双总线甚至三总线等方案正是通过各UPS间的相互冗余达到系统容错的。但是为达到这一目的所付出的采购、运营和维护成本等代价也是昂贵的,并且即便如此,仍然不一定满足人们对“故障UPS快速修复”的需求,因为这些系统的模块化程度还不够高。以台达海福(HIFT)系列UPS为例,真正的模块化UPS在容错方面具备下述优点:

1.最高的系统可靠性。当UPS容量一定时,负载越轻,模块冗余的数量越多,而等容量的单机或者1+1并机是无法随负载变化而提高系统冗余度的。例如,对于由520kVA模块组成的4+1冗余模块UPS,当负载只有75%时,系统配置就变成了3+2,此时其可靠性比同容量配置的1+1并机系统高出20倍。

 2.最快的修复时间。在N+X的冗余模式下,可以在线更换故障模块,系统修复时间完全可控,不会影响系统的正常运行, MTTR接近于0 不仅如此,模块标准化的返厂维修还可以降低再发生故障率500-2000倍。

 从以上两点结合可用性公式可以看出,模块化UPS具有最高的可用性,也就是说其容错能力最强。具有低成本、高效率、高可靠性,并且能够快速修复的容错性UPS必将成为UPS的发展趋势。

在目前的实际应用中,UPS容量的过度配置已经成为常态,甚至30kVA的负载配置160kVAUPS都不足为奇,这主要是因为以下几点:

1.负载扩容较快,如果设计人员设计了在一开始容量就不足的UPS,其犯的错误是不可饶恕的。

2.在设备运行期间增加UPS容量的成本非常高。

3. 在设备运行期间增加容量会造成严重的、无法估量的停机风险。

过度配置给用户带来的成本是巨大的,这不仅仅体现在初期的购置成本上,还体现在其它的一些相关方面。比如空调的购置成本、运营成本、设备的安装成本、资金的时间成本等等。模块化UPS可以随着业务的增长逐步扩容,最大限度地节省资源。能够不加限制地灵活扩容这一智能特性正成为人们对UPS的需求之一。

 

除了初装成本,人们对UPS的运营成本同样关注,这一点主要体现在UPS的效率上。

因为UPS的效率高低不仅决定了自身耗电的多少,还直接影响到制冷成本。节能降耗是当今世界的热门话题,很多行业或单位已经制定了节能减排的硬指标,能够低排高效地运行这一智能特性也已成为人们对UPS的重要需求之一。

 在节能减排方面,台达的海福(HIFT)系列UPS做的也特别优秀,我们不妨以此为例加以说明。当负载在15%时,海福UPS的整机效率已经超过90%,当负载在27%时,它的整机效率已经达到94%。轻载高效是一个非常实用的智能特色,因为UPS在大多数情况下都工作在较低的负载状态下,它能给用户带来的好处可通过以下例子看出来。

假设UPS功率为120kVA,带载30%,那么单台UPS每年的耗电量如下表:

 

从中可以看出,效率为94%的海福系列UPS与效率只有88%的普通UPS相比,每年可以节省近2万度电,若以一度电1.8元计算,每年可以节省近4万元人民币,而这还没有计算因UPS效率提高而节省下来的制冷费用。 所以说是效率一小步,节能一大步。

 

目前,UPS的管理功能也越来越受到人们的重视,因为人员的成本越来越高,UPS的管理功能是否智能直接影响到设备运营成本的高低,甚至会直接威胁到系统的安全。一条地铁线二十几个站,不可能在每个站都放一个维护人员,青藏铁路海拔四五千米以上,不可能在那里长期派人值守,所以说UPS的智能管理功能已变的非常重要。

 

UPS的管理功能不只是UPS对于自身的管理功能,还包括UPS对机房动力环境监控的管理功能,包括机房内的温湿度、门禁、烟雾、火警等等。目前能够实现自身管理功能的UPS已经非常普遍,机房的动力环境监控也可通过专门的动力环境监控系统实现,然而复杂而又昂贵的专用监控系统是人们难以接受的,智能的机房动力环境监控功能是人们对UPS的又一需求。

 

总之,随着人们需求的变化,可快速修复的容错能力以及包括扩容方便、运行高效、管理全面的智能特性必将成为UPS的发展趋势。 在这方面台达的海福(HIFT)系列UPS走在了所有品牌UPS的前面,它紧贴客户需求,定位明确,可插拔更换修复和冗余配置的模块化系统达到了UPS可用性的最高级别,重点强调最快的系统修复时间、最高的可靠性、最经济的投资策略、最低的运行成本以及最全面的动环监管,集中体现了客户的核心价值,是一款名副其实的高智能容错的UPS               

 

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