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蓄电池延伸新闻—高智能容错UPS的系统优势论证

随着企业对可用性的要求越来越高，为机房或数据中心配置采用容错技术的供电系统的必要性则突显出来。所谓容错，就是采用冗余的资源，使UPS系统具有容忍故障的能力，即在发生故障的情况下，仍能确保系统的逆变输出，为由服务器和存储等关键设备构成的网络系统提供洁净稳定的电源。

一、HIFT(海福)模块化UPS设计理念

冗余配置是提高系统可靠性的有效的措施，而“系统模块化”设计又是可修复和可快速修复的根本条件。把冗余容错和模块化快速插拔修复技术同时应用到一台UPS中，这就是“模块化UPS”。模块化UPS实质上是集成的N+1冗余并机系统与模块化体系结构的融合，如图（1）所示。

具有“冗余容错功能”和“热插拔修复技术”是模块化UPS的两个根本的特征。下面图（2）、（3）、（4）是单机、单机冗余并机和模块化UPS体系结构的区别。

二、模块化UPS与由单机组成的冗余并机系统的区别和优势：

1、系统集成的优势
同样是n+1冗余系统，而HIFT(海福)模块化UPS却是把整个系统集成起来。
集成的内容包括：输入配电、输出配电、维护旁路、集中静态旁路、集成的并机背板、集成的系统管理等。
与单机组成的n+1冗余系统相比，集成的优势表现在以下几点：

? 系统高度集成，省去了现场安装、连线、调试等工作，可缩短现场调试时间，并保证系统调试质量，减少认为错误，提高系统可靠性；
? 设备制造和供应渠道的统一化：无需再单独购置和安装输入输出配电、静态旁路和维修旁路等设备、缩短建设周期、缩短故障修复时间（发生故障后不再有设备供应上的推诿问题）；
? 设备及各环节的匹配（相当于定制）：包括设备容量的匹配、设备输入输出阻抗的匹配、设备及各环节的连接的规范化，提高系统运行的可靠性；
? 节省机房设备安装的物理空间；
? 集中管理：提高管理维护水平、降低运营费用

2、可热插拔快速修复的优势：
? 可快速修复的系统：对关键设备的故障修复时间是单机冗余系统的1/8~1/10；
? 提高安装、调试和维护的质量：减少人为错误、降低维护难度；
? 提高部署速度：模块化无工具安装，可将系统安装时间缩短到单机冗余系统的1/10~1/15
? 提高系统扩展能力：可按需要扩展系统容量；
? 避免过度规划：降低设备和备件成本，明显地提高设备工作效率；
? 简化规划、设计、安装流程：降低非设备资本成本。

3、可靠性方面的优势
绝大多数数据中心的实际负载要小于设计额定负载的70%，甚至只有50%，或30%，在这种情况下，凸显了模块化UPS 在可靠性方面的优势。
? 1+1单机冗余并机系统在运行中只允许一台发生故障，两台同时故障时系统就宕机。这种规律与负载量大小没有关系；
? 而模块化n+1冗余UPS冗余并机系统只是在100%负载允许一台功率模块发生故障，两台同时故障时系统就宕机，随着负载量的降低，可靠性随着冗余度得增加二增大。 
以上关系表示在表1中（假定模块化UPS为4+1冗余）
表1

	冗余度
	100%负载	75%负载	50%负载
单机1+1冗余	1+1冗余 （只允许一台故障）	1+1冗余 （只允许一台故障）	1+1冗余 （只允许一台故障）
模块化4+1冗余	4+1冗余 （只允许一台故障）	3+2冗余 （允许两台故障）	2+3冗余 （只允许三台故障）

假定单机（或模块）的年可靠度R=0.99，可计算出1+1冗余并机与模块化n+1冗余并机的区别，以及负载量的影响，如表2所示，这里取n=4。

表2

	可靠度R(t)
	100%负载	75%负载	50%负载
单机1+1冗余	0.9999	0.9999	0.9999
模块化4+1冗余	0.999	0.99999	0.99999995

通过以上对单机1+1冗余系统和模块化4+1冗余系统的分析，可得出下面的结论：
第一：由单机1+1组成冗余系统，当单机可靠度为0.99时，并机系统可靠度可达到0.9999，此值与负载无关，也就是说，不管系统实际负载量是多少，系统永远是1+1冗余，不允许两台同时故障，可靠度永远是0.9999；
第二：模块化4+1冗余系统，当系统实际负载等于系统设计额定负载量时，如果单个模块可靠度为0.99，则系统可靠度为0.999，低于单机1+1组成冗余系统。但是当系统实际负载等于UPS系统设计大负载量的75%时，则4+1冗余系统变成3+2冗余系统，系统可靠度高达0.99999，当系统实际负载等于UPS系统设计大负载量的50%时，4+1冗余系统变成2+3系统，可靠度再次提高到0.99999995。 

4、可用性方面的优势
与单机1+1冗余并机系统相比，模块化UPS在可用性方面的优势是有以下两个原因造成的：
? 故障修复时间大幅度减少：单机故障时间（统计值）为8个小时，而模块化UPS的功率模块的更换时间只需要30分钟，甚至更少；
? 当实际负载低于设计额定负载时，模块化UPS的可用性因冗余度增加而增大。
假定：单机UPS的MTBF=10万小时（这是目前产品的水平，相当于11年）；
单机UPS的MTTR=8小时（包括故障反应和故障修复时间）；
模块化UPS功率模块的MTBF=10万小时（同单机UPS）；
模块化UPS功率模块的MTTR=0.5小时（在有备份的情况下由维护人员热插拔修复）；
则：UPS单机的可用性 A=MTBF/（MTBF+MTTR）=0.9999
1+1单机冗余并机的可用性A1+1=1-（1-A）2 =0.99999999
模块化UPS单个功率模块的可用性 A=MTBF/（MTBF+MTTR）=0.999995

	可用性A(t)
	100%负载	75%负载	50%负载
UPS单机（MTTR=8h）	0.9999	0.9999	0.9999
功率模块（MTTR=0.5h）	0.99999	0.99999	0.99999
单机1+1冗余	0.99999999 (1+1冗余)	0.99999999 (1+1冗余)	0.99999999 (1+1冗余)
模块化4+1冗余	0.999999998 (4+1冗余)	≈1 (3+2冗余)	≈1 (3+2冗余)

通过以上分析可得出下面的结论：模块化UPS的可用性比1+1单机冗余并机的可用性高，根本原因是模块化UPS的模块故障后可由维护人员热插拔修复，使故障修复时间MTTR降到1个小时。再者，可用性也随着负载量的减轻而提高，当系统实际负载等于设计额定负载量的75%时，可用性已经近似为1。

注：可靠性和可用性指的都是整个供电系统，系统故障指的是整个系统停止供电，而非是系统中的不影响整个系统供电的某个设备故障