1、UPS 平均无故障时间 MTBF 计算实现 UPS 系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故障或间断的可能。50 年代，第一台静态 UPS 系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构成。逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单独维持）。这种简单的 UPS 电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。逆变器的故障将直接导致负载失效。而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。在 60年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载切换至备用电网供电电源。尽管备用电网供电电源
2、远不如 UPS 那么可靠，但发生逆变器故障时，它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。这一新的结构，切实提高了总体可靠性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。带静态开关的新型 UPS 的可靠性，取决于备用电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS 的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。此外，本文（第 4 页）还阐述了，MTBFMAINS 和 MTTRUPS 对于 UPS 整体可靠性的影响。近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠 UPS 配置的需求已成千真万确的事实。特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的 UPS 这样
3、的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用 UPS 的供电配置，正在成为当今的标准要求。本文阐述各种不同 UPS 配置的可靠性。整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其它部件的可靠性指标，源于资料 MIL-HDBK-217 F (Not.2 1995) 中列举的可靠性数据。以下计算，在 NEWAVE CONCEPTPOWER（概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。可惜，因 NEWAVE 公司的规定，不能公布这些统计资料。1.无静态旁路切换开关（SBS）的 UPS 单机无静态旁路切换开关的 UPS 单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠性（见图 1 中的电气原
4、理框图） 例：逆变器发生故障时，负载装置即失效。UPS 系统的可靠性公式中所用的变量说明：MTBFSU：无静态旁路的单 UPS 装置，两次故障之间的平均时间UPS： 无静态旁路开关单 UPS 装置的故障率RECT： 整流器的故障率BATT： 电池的故障率INV： 逆变器的故障率无旁路 UPS 系统的 MTBF（即 MTBFSU）的计算：MTBFUPS = 1/UPS UPS =RECT +BATT+INV (E.1)若按 NEWAVE 公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，RECT = 2010-6 小时-1；BATT = 10 10-6 小时-1；INV = 2010-6 小时-1，代
5、入方程（E.1），则无静态旁路 UPS 系统的故障平均间隔时间 （MTBFUPS）MTBFUPS =20,000 小时2.带静态旁路切换开关（SBS）的单 UPS引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主 UPS 电源连接，就能大大提高单 UPS 的可靠性。例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。负载将无间断地转接至电网供电电源。公式中所用的变量说明：MTBFUPS+SBS：带静态旁路开关（SBS）的单 UPS 装置，两次故障之间的平均时间MTBFM：电网供电电源，两次故障之间的平均时间UPS+SBS: 带静态旁路开关的单 UPS 系统的故障率SBS：含控制电路的静态旁路开关的故障
6、率PBUS：并联总线的故障率（仅适用于并联系统）M：电网供电电源的故障率UPS 系统的可靠性SU:静态旁路开关的修复率（SU = 1/ MTBFUPS）M:电网供电电源的修复率（M = 1/ MTBFM）MTTRSBS: 静态旁路开关的平均修复时间MTTRM:电网供电电源的平均修复时间注意，所有的计算，都采用以下的常数进行：MTBFM = 50 小时， 该指标表示“优质”的电网供电电源MTTRUPS = 6 小时MTTRM = 0.1 小时此外，根据 NEWAVE 公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电子线路引起的静态旁路开关故障率，取 下列数值：SBS = 210-6 小时-1带静态
7、旁路开关的 UPS 系统的 MTBF（即 MTBFSU+SBS）的计算：MTBFUPS+SBS = 1/UPS+SBSUPS+SBS =UPS/M+SBS (E.2)UPS+SBS =UPS/M+SBS = 610-6 小时-1+ 210-6 小时-1 = 810-6 小时-1MTBFUPS+SBS = 125,000 小时注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的 UPS 系统的可靠性（即 MTBFSU+SBS）取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS 的 MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。其关系曲线示于图 3 中。3.带静态旁路切换开关（SBS）的并联冗余的备用 UPS引入并联冗余配置，
8、能够大大地提高单个 UPS 的可靠性。图 4 （n+1）并联冗余 UPS 配置的电气原理框图和可靠性框图。UPS 系统的可靠性(n+1)并联冗余 UPS 系统的 MTBF（即 MTBF(n+1)UPS+SBS）的计算：我们将从计算故障率的公式着手：(n+1)UPS+SBS =(UPS1/UPS2UPS(n+1)+(n+1)PBUS+(SBS1/SBS2/SBS(n+1) (E.3)故障率： (n+1)UPS+SBS (n+1)PBUS (E.4)可靠性： MTBF(n+1)UPS+SBS = 1/(n+1)UPS+SBS (E.5)利用率： A(n+1)UPS+SBS = MTBF(n+1)U
9、PS+SBS / MTBFUPS+SBS +MTTRUPS (E.6)（译者注：公式（E.6）有误，分母上似乎应加括号。原文如此）(n+1)并联冗余 UPS 系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行总线是唯一的单点故障。 在并联冗余 UPS 系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。这里，将采用下列常数，对并联冗余 UPS 系统进行一些计算：MTBFM = 50 小时， 该指标表示“优质”的电网供电电源PBUS = 0.410-6 小时-1 并联冗余配置 可靠性(MTBF) 故障率()(1+1)
10、冗余配置 1,250,000 小时 0.810-6 小时-1(2+1)冗余配置 830,000 小时 1.210-6 小时-1(3+1)冗余配置 625,000 小时 1.610-6 小时-1(4+1)冗余配置 500,000 小时 2.010-6 小时-1(5+1)冗余配置 420,000 小时 2.410-6 小时-1表 1 （n+1）冗余配置的 MTBF 及故障率，n=1,2,3,4 和 5 结论在单 UPS 电路结构（整流器，电池及逆变器）的情况下，UPS 的可靠性主要取决于逆变器的可靠性。通过引入静态旁路开关，即备用的电网供电电源，假如电网供电电源的 MTBF 为 50 小时（优质）
11、，而 UPS 的 MTTR 为 6 小时，则可靠性将提高 6 倍。可惜这一可靠程度仍然不足，因为它仍在很大程度上取决于电网原先的可靠性，依赖于售后服务的质量（回应客户的速度，交通耗时，修理时间等）。现代紧要的用电设备，对于可靠性的要求极其苛刻，不能受制于电网质量和修理时间。为克服原始电网的制约，我们建议采用（n+1）并联冗余 UPS 配置。传统的独立（n+1）并联冗余 UPS 配置，有一个缺点，即 UPS 的修理时间较长(通常 6-12 小时)。采用了模块化可带电更换的（n+1）并联冗余 UPS 系统，要求苛刻的负载设备就完全不受电网影响：不必将其余 UPS 模块转接到原始电网，就能更换故障
12、UPS（带电更换）。而且，更换模块最多只需 0.5 小时。这与传统的并联系统相比，极大地减少了修理时间。UPS 系统的可靠性以下将介绍一个例子，对几种不同的 UPS 配置进行比较，它说明，正确选择系统/配置，对于可靠性和利用率，会带来多么大的影响。举例： 传统的独立（1+1）冗余 UPS 配置与模块化（4+1）冗余 UPS 配置，在利用率方面的比较图 5 给出了两种冗余 UPS 配置的框图。左面的系统为，由传统独立 UPS 组成的（1+1）冗余配置，而右面的系统为，由模块化可带电更换 UPS 组成的（4+1）冗余配置。评价 UPS 配置的可靠性时，利用率(A)是一个重要的参数。A 的定义如下：
13、UPS 系统的可靠性由公式（E.7）可见，一个 UPS 的可靠性，取决于：MTBFUPS = 某一 UPS 配置，两次故障之间的平均时间 MTTRUPS = UPS 的平均修复时间。表 2 所示，为图 5 中的两种 UPS 配置，利用率之间的比较。注意，这里考虑两种情况：情况 1：两种 UPS 配置，具有相同的平均修复时间：MTTRUPS = 6 小时情况 2：对传统独立 UPS 配置：MTTRUPS = 6 小时，而可带电更换模块化 UPS 配置：MTTRUPS = 0.5 小时（1+1）冗余配置 （4+1）冗余配置情况 1MTBF 1,250,000 小时 500,000 小时MTTR 6
14、 小时 6 小时利用率 0.9999952 (5 个 9) 0.9999888（4 个 9）情况 2MTBF 1,250,000 小时 500,000 小时MTTR 6 小时 0.5 小时利用率 0.9999952 (5 个 9) 0.9999990（6 个 9）说明：情况 1：在两种冗余配置 MTTR 相同的情况下，（1+1）冗余配置的利用率高于（4+1）冗余配置。之所以 如此明显，是由于（1+1）冗余配置的 MTBF 高于（4+1）冗余配置。情况 2：具有较长 MTTR 的（1+1）冗余配置的利用率，可能低于具有较短 MTTR 的（4+1）冗余配置。结论 从上述情况可见，为达到高利用率，参数 MTTR 有多么重要。要是上述某一冗余配置中，有一个 UPS 发生故障就不再存在冗余度（低利用率状态），那么就必须尽快修理/更换损坏的另件/模块，以便重建冗余度（高利用率状态）。 使用瑞士 Newave 公司的 CONCEPTPOWER-模块化UPS，就能够达到最短的 MTTR 数值，从而达到最高的利用率，甚至在大量的模块并联配置的情况下也一样。
