引言
模塊化UPS系統(tǒng)由功率模塊、旁路模塊、顯示模塊、機柜等組件構(gòu)成。其中功率模塊是最主要的構(gòu)成部分。在系統(tǒng)容量確定的情況下,模塊化UPS系統(tǒng)可由不同容量和數(shù)量的功率模塊構(gòu)成。
可以說功率模塊的容量或數(shù)量的確定是影響系統(tǒng)架構(gòu)的主要因素。
2 模塊數(shù)量對系統(tǒng)可用性的影響
(1)系統(tǒng)分析模型
為了簡化分析過程,只考慮功率模塊數(shù)量對系統(tǒng)可靠性的影響,采用圖1所示的系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型中雖然忽略了控制系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)等因素,但對系統(tǒng)的定性分析沒有影響。
(2)可用性計算
根據(jù)概率統(tǒng)計學(xué)相關(guān)理論,系統(tǒng)模型的可用性表達式為
其中,A為系統(tǒng)可用性;A0為單模塊可用性;
n為系統(tǒng)模塊總數(shù)量;
k為必需模塊數(shù)量;
n-k為冗余模塊數(shù)量。
由式(1),分別計算一個模塊化電源系統(tǒng)在各種配置情況下的可用性,假設(shè)單個模塊的可用性為A0=0.99。其計算結(jié)果如表1～表4所示,分別為系統(tǒng)無冗余模塊時的可用性、系統(tǒng)冗余1個模塊時的可用性、系統(tǒng)冗余2個模塊時的可用性和系統(tǒng)冗余3個模塊時的可用性。
(3)計算結(jié)果分析
根據(jù)以上計算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:
�、倌K化UPS系統(tǒng)必須保持至少有1個冗余功率模塊(X≥1),否則系統(tǒng)的可用性將隨模塊數(shù)量增多而大幅下降,如表1所示;
�、谌哂嗄K的數(shù)量X對系統(tǒng)的可靠性起到?jīng)Q定性的作用。每增加1個冗余模塊,可靠性呈現(xiàn)數(shù)量級增加。如表2、表3、表4所示;
�、墼谌哂嗄K數(shù)量一定的情況下,組成系統(tǒng)的模塊數(shù)量越多,可用性越低;
�、軓南到y(tǒng)可用性考慮,希望系統(tǒng)冗余模塊數(shù)量X越大越好。
3 模塊數(shù)量對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響
模塊數(shù)量主要在以下兩個方面對系統(tǒng)的經(jīng)濟性產(chǎn)生影響:
① 初期的采購費用
在同一系統(tǒng)容量下,組成系統(tǒng)的模塊數(shù)量越多,成本越高。如20個10kVA模塊成本要高于10個20kVA模塊成本。
�、谙到y(tǒng)后期運維成本
模塊的數(shù)量越多,后期的運維成本越高。這可以由系統(tǒng)故障率反映出來。
系統(tǒng)故障率的計算公式為 λ=(k+X)λ0 (2)
式中,λ0-單模塊故障率;
k-基本功率模塊數(shù)量;
X-冗余功率模塊數(shù)量。
系統(tǒng)故障率λ與單模塊率λ0、模塊數(shù)量(k+X)的關(guān)系見表5。
可見隨著模塊數(shù)量的增加,系統(tǒng)的故障率也成倍上升。而系統(tǒng)故障率與系統(tǒng)的后期運維費用有關(guān)。這里包括了用戶的運維人員的工作量、模塊的維修費用等。
因此,從系統(tǒng)經(jīng)濟性考慮,希望系統(tǒng)的模塊數(shù)量(k+X)越小越好。
4 電源系統(tǒng)容量和冗余模塊容量的確定
依據(jù)國標(biāo)GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》,不間斷電源系統(tǒng)基本容量的計算公式為
E≥1.2P (3)
式中,E-不間斷電源系統(tǒng)的基本容量;
P-電子信息設(shè)備的計算負荷。
據(jù)此,模塊化UPS系統(tǒng)電源系統(tǒng)的基本容量可以表達為
E=(k+X)P0 (4)
式中,P0-功率模塊容量;
k-基本功率模塊數(shù)量;
X-冗余功率模塊數(shù)量。
由式(3)和式(4)可知:
系統(tǒng)冗余功率為E-P=E-(1/1.2)E≈17%E≈XPo
功率模塊的容量、數(shù)量和系統(tǒng)容量的關(guān)系為
(5)
可見雖然冗余數(shù)量X越大,系統(tǒng)可用性越高;但功率模塊容量P0越小。系統(tǒng)總模塊數(shù)量k+X越大,系統(tǒng)經(jīng)濟性越差。為兼顧系統(tǒng)的可用性和經(jīng)濟性,必須在一定的可用性指導(dǎo)下,合理選擇模塊數(shù)量。表6給出了不同冗余模塊數(shù)量X的可用性和經(jīng)濟性。
由表6可知,X=2時,即系統(tǒng)具有2個冗余模塊時,模塊化UPS系統(tǒng)可獲得較好的綜合性能。X≥3時,可獲得不具實際意義的超高的可用性,而且系統(tǒng)的復(fù)雜性增加,經(jīng)濟性將明顯變差。所以,合理的功率模塊的容量范圍應(yīng)該是:
實際應(yīng)用中,由于運行負荷往往低于計算負荷,系統(tǒng)實際冗余量遠大于17%E。即便按照X=1設(shè)計,系統(tǒng)實際運行時,冗余模塊的數(shù)量也可能等于或大于2,已經(jīng)具備了較高的可用性。因此,在確定模塊容量時,可以適當(dāng)?shù)叵蚱蠓较蜻M行修正。
5 結(jié)束語
在構(gòu)建模塊化UPS系統(tǒng)時,功率模塊容量的確定至關(guān)重要。模塊的容量和數(shù)量決定了模塊化UPS系統(tǒng)的可用性和經(jīng)濟性。模塊容量越小(數(shù)量越多),越容易獲得系統(tǒng)高可用性;但同時系統(tǒng)故障率增加、經(jīng)濟性變差。功率模塊的容量應(yīng)在
范圍內(nèi)選擇。
作者簡介
張成，雷樂士(上海)電源系統(tǒng)有限公司市場部經(jīng)理,UPS高級工程師,具有近二十年UPS電源行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗,長期從事不間斷電源供電系統(tǒng)的設(shè)計及市場推廣工作。 |
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