并機和雙總線比較

1、冗余并機與雙總線UPS系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟性比較1、前言隨著通信業(yè)務和技術的迅猛發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)設備被應用到通信系統(tǒng)中，除部分數(shù)據(jù)設備采用48V直流供電方式外，絕大多數(shù)（包括小型機、交換機、路由器和磁盤陣列等）采用UPS供電方式。在信息產(chǎn)業(yè)部通信局（站）電源系統(tǒng)總技術要求（YD/T1051-2000）中，規(guī)定通信樞紐樓的48V電源系統(tǒng)的不可用度5×107，而對UPS供電系統(tǒng)的不可用度的要求是5×106。該標準對UPS供電系統(tǒng)的可靠性要求是在系統(tǒng)僅用于業(yè)務支撐系統(tǒng)和非關鍵業(yè)務的背景下提出的，若在目前各重要業(yè)務網(wǎng)設備普遍采用UPS供電的情況下繼續(xù)沿用該指標，這些設備提供的業(yè)務

2、將無法達到由48 V電源供電的質(zhì)量標準。2、“11”UPS冗余并機系統(tǒng)的特點及存在的問題（1） 可靠性要求達不到核心網(wǎng)網(wǎng)元設備的供電要求。目前大型UPS產(chǎn)品的平均無故障工作時間（MTBF）為（24）×105h，假設故障恢復時間為2h，則單機不可用度（510）×106，顯然無法達到Y(jié)D/T1051-2000中對UPS系統(tǒng)不可用度5×106的要求，如恢復時間超過2 h則更不可能達到。根據(jù)系統(tǒng)可靠性分析，一般“11”冗余并機系統(tǒng)的典型MTBF值為單機的5.5倍，即（1.12.2）×106 h，不可用度（0.911.82）×106；“N1”冗余并機系統(tǒng)

3、的典型MTBF值與單機值的倍數(shù)關系見表1。由表1可知，“N1” 冗余并機系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提升，達到了YD/T1051-2000中對UPS系統(tǒng)的可靠性要求，但仍無法達到Y(jié)D/T 1051-2000中對48 V電源系統(tǒng)的可靠性要注。表1“N+1“冗余并機系統(tǒng)的可靠性（2） 維修期間的安全性得不到保障盡管UPS“11”冗余并機系統(tǒng)的MTBF越來越長，但仍不能保證“零”故障。當系統(tǒng)中某臺UPS出現(xiàn)故障時，將由單機承擔所有負載功率，從單機開始運行到維修完畢，再將故障機重新并入系統(tǒng)的這段時間，系統(tǒng)仍非常危險。因為一旦單機運行失敗，系統(tǒng)將旁路至市電，所有關鍵性負載將由低質(zhì)量的市電或油機電源直接供給，這

4、給網(wǎng)絡帶來嚴重的故障隱患。另外，維修后的UPS單機與原運行單機重新并機時，如果隱含故障并未完全排除或并機參數(shù)設置不良，則在故障單機切入供電回路的瞬間，可能由于兩機不同步而產(chǎn)生環(huán)流，而一個足夠大的環(huán)流可能導致UPS逆變器損壞，同時造成輸入電流異常增大而使輸入開關跳閘，致使UPS系統(tǒng)中斷所有輸出。（3） 仍然存在“單點瓶頸”雖然“11”冗余并機系統(tǒng)在輸出回路中采用了“雙路由”供電，但此“雙路由”仍由同一套系統(tǒng)輸出，而且一般這種系統(tǒng)的兩臺UPS主機輸入要求來自同一路電源，因此一旦系統(tǒng)中的輸入開關、輸入轉(zhuǎn)換開關，輸出并機開關、輸出配電屏等“單點瓶頸”出現(xiàn)故障，仍可導致“雙路由”同時中斷。（4） 系統(tǒng)擴

5、容所引起的割接風險隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，UPS系統(tǒng)的擴容割接也在不斷增多，一般使用新老兩套“11”UPS系統(tǒng)串聯(lián)同步的方法來進行不斷電割接，但在割接過程中若操作失誤或施工不當，則造成供電中斷的可能性非常大。尤其在割接開始和結(jié)束時，由于需要進行逆變轉(zhuǎn)旁路和旁路轉(zhuǎn)逆變的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，加上此時系統(tǒng)會遭受負荷劇變，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換失敗也將造成不可挽回的損失。綜上所述，“11”UPS冗余并機系統(tǒng)僅提高了UPS自身的MTBF，并沒有解決UPS冗余并機系統(tǒng)的輸入，輸出裝置及供電線路等發(fā)生的問題，也不能解決UPS供電系統(tǒng)的可維護性問題，這是“11”UPS冗余并機系統(tǒng)自身無法克服的問題。3、現(xiàn)有通信設備UPS的配置情況表

6、2是2006年浙江移動網(wǎng)管中心對交換、智能網(wǎng)、短信、GPRS、互聯(lián)網(wǎng)、支撐等專業(yè)408臺/套采用UPS供電的數(shù)據(jù)通信設備電源配置情況的統(tǒng)計。按目前的供電方式，一旦“11”冗余并機UPS系統(tǒng)在單點瓶頸上發(fā)生中斷或瞬間供電中斷，將會影響該系統(tǒng)下所有的負載。表2 現(xiàn)有通信設備UPS配置情況4、冗余式雙總線“11”（或“N1”）UPS供電系統(tǒng)的特點冗余式雙總線“11”（或“N1”）UPS供電系統(tǒng)是指由兩套完全獨立的“11”或“N1”UPS冗余并機系統(tǒng)為核心，構(gòu)成雙總線輸入/輸出的冗余式UPS供電系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1中可知，當其中一個系統(tǒng)發(fā)生供電中斷時，有主備用電源供電或采用“21”冗余電源

7、的通信設備仍能正常工作；有備份系統(tǒng)的單電源通信設備則由于分別接在不同的UPS系統(tǒng)，仍有一個系統(tǒng)可以正常工作，對業(yè)務不產(chǎn)生影響；而重要性相對不高的單電源單系統(tǒng)通信設備（占數(shù)據(jù)通信設備總數(shù)的28.9），不采用通常推薦的STS（靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關）切換后供電的方式，避免造成兩個系統(tǒng)間的相互關聯(lián)，降低其可用度指標，但由于機柜內(nèi)有兩路UPS電源，因此可在很短的時間內(nèi)把電源插拔到正常的供電系統(tǒng)上，從而大大縮短了通信設備的切換啟動時間。冗余式雙總線“11”UPS供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。（1）達到核心網(wǎng)網(wǎng)元設備對供電的可靠性要求一般“11”冗余并機系統(tǒng)的不可用度（0.911.82）×106，而“N1”冗余并

8、機系統(tǒng)的不可用度（510）/n×106。兩個完全獨立的系統(tǒng)，同時不可用的概率是兩個系統(tǒng)不可用度的算術積，“11”冗余并機系統(tǒng)的不可用度并不符合這個規(guī)律，主要原因是兩臺UPS之間有很多相互關聯(lián)的割集；而冗余式雙總線UPS供電系統(tǒng)由于其UPS冗余并機系統(tǒng)之間再無單點瓶頸，相互隔離度很高，雖然同樣不適合采用兩套系統(tǒng)不可用度的算術積，目前也尚無相互間可計算的量化依據(jù)，但其MTBF顯然會比“11”冗余并機系統(tǒng)高幾個數(shù)量級，達到1.48×108h，不可用度1.36×108，遠遠超過YD/T1051-2000中對48V電源系統(tǒng)的可靠性要求。（2）消除了“單點瓶頸”故障隱患冗余式

9、雙總線UPS供電系統(tǒng)消除了可能出現(xiàn)在各種配電線路中由于各種設備、器件、線纜等因素而存在的單點瓶頸故障隱患。因此，當其中一套“11”冗余并機系統(tǒng)中某臺UPS出現(xiàn)故障時，除了單機仍能繼續(xù)向負載供電外，另一套系統(tǒng)將承擔起供電可靠性保障的任務，即使維修過程中出現(xiàn)系統(tǒng)輸出中斷，也不會引起網(wǎng)元退出服務。5 配置模式和設備投資比較表3是三種UPS供電系統(tǒng)的配置和設備投資情況，基于防止系統(tǒng)故障時影響面過大的考慮，冗余并機UPS系統(tǒng)容量一般為250kV·A，而冗余式雙總線UPS供電系統(tǒng)容量則選擇400kV·A。表3 三種配置模式的投資情況比較根據(jù)各種不同的配置情況，三種UPS供電系統(tǒng)的帶載能

10、力也不相同。為保證UPS系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運行，一般規(guī)定250kV·A“11”UPS系統(tǒng)的最大允許負荷為160kW，因為通信設備負荷功率因數(shù)為0.8，單機工作時的容量冗余度可選為0.8；而采用冗余式雙總線400kV·A“11”UPS供電系統(tǒng)時，因同時出現(xiàn)三臺UPS主機宕機的概率非常小，除通信設備負荷功率因數(shù)0.8仍需照?？紤]外，單機工作時的容量冗余度可以考慮為0.95左右，即單側(cè)“11”冗余并機UPS系統(tǒng)的最大允許負荷可達到304 kW。采用冗余式雙總線400 kV·A“21”UPS供電系統(tǒng)時，最小正常運行模式是單側(cè)兩臺UPS主機正常運行，則工作時單機的容量冗余度可以

11、考慮到0.90左右，即單側(cè)“21”冗余并機UPS系統(tǒng)的最大允許負荷可達到576 kW。冗余式雙總線400kV·A“11”UPS供電系統(tǒng)和冗余式雙總線400kV·A“21”UPS供電系統(tǒng)的實際帶載容量是不是就是304kW和576 kW呢？答案是不。因為對于由兩套“11”冗余并機UPS系統(tǒng)組成的供電系統(tǒng)來說，只有在所有負荷通信設備都是雙電源（或四電源）時，其系統(tǒng)總帶載容量才等于單側(cè)UPS系統(tǒng)的帶載容量（因為雙電源設備在一側(cè)電源中斷后，所需功率需由另一側(cè)來提供）；如果實際負荷中有一部分是單電源設備，則系統(tǒng)總帶載容量就會超過單側(cè)“11”冗余并機UPS系統(tǒng)的帶載容量，因為單電源設備在

12、一側(cè)電源中斷后，所需功率不會轉(zhuǎn)嫁到另一側(cè)UPS系統(tǒng)中。表4是不同負載情況下，三種UPS供電系統(tǒng)的帶載能力及投資分析，在目前的負荷情況下（約2/3負荷為雙電源設備），采用冗余式雙總線400kV·A“11”UPS供電系統(tǒng)的單位功率投資與采用250kV·A“11”冗余并機UPS系統(tǒng)的單位功率投資大體相當。若采用冗余式雙總線400kV·A“21”UPS供電系統(tǒng)，則比采用250 kV·A“11”冗余并機UPS系統(tǒng)模式還要節(jié)省16%，所不同的是采用冗余式雙總線400 kV·A“11”（或“21”）UPS供電系統(tǒng)的初期投資會加大，但與其提供的高可用度相比，還

13、是非常值得的。表4 不同負載情況的帶載能力及單位功率的投資情況比較 6 電池后備時間分析目前，常用的250kV·A“11”冗余并機UPS系統(tǒng)的電池后備時間是按照一臺UPS故障情況下，滿負荷單機支撐30min設計的，即交流輸入中斷（市電中斷，油機不能供電）后可繼續(xù)供電30min。實際運行中，若UPS不發(fā)生任何故障，系統(tǒng)可提供80 min左右的后備時間，單機時可支撐38 min左右。采用冗余式雙總線400 kV·A“11”UPS供電系統(tǒng)后，電池延用原配置，即單側(cè)配置4組200 Ah電池；而冗余式雙總線400 kV·A“21”UPS供電系統(tǒng)則單側(cè)配置6組2 000 Ah

14、電池。表5列出了系統(tǒng)出現(xiàn)UPS故障時，電池的后備時間（按電池容量進行計算，冗余式雙總線負載按66%雙電源）?？梢钥闯?，在UPS無故障或同時故障臺數(shù)不大于兩臺的情況下，蓄電池的后備時間完全滿足原設計的要求。表5 不同配置模式下電池的后備時間7 裝機占地面積比較250kV·A“11”冗余并機UPS系統(tǒng)由2臺UPS主機、1臺并機柜、1臺輸入柜、1臺輸出柜、4個電池架組成，凈占地面積計10.7m2，按實際占地面積為凈占地面積的2.5倍計，實際占地面積為26.7m2。表6為各種配置模式下的占地面積分析。表6 不同配置模式下占地面積比較可以看出，采用冗余式雙總線400kV·A“11”（或“21”）UPS供電系統(tǒng)后，單位功率的占地面積有不同程度地減少，因此不會出現(xiàn)裝機面積增大的問題。 8 結(jié)束語通過上述比較可以看出，采用冗余式雙總線400kV·A“11”（或“21”）UPS供電系統(tǒng)后，可為核心網(wǎng)元中的數(shù)據(jù)通信設備提供高