談N+X冗余模塊化UPS

王其英

UPS模塊化結構無疑是今后發展的方向。因為模塊化具有帶電熱插拔的功能，熱更換的問題就解決了，無形中就帶來了另一個好處，即延長了數據中心連續工作的壽命。一個數據中心的設計壽命至少要10年以上，比如20年，30年等。但供電設備的壽命一般不足10年，若更新就必須停電，模塊化就解決了這個問題。

這就牽涉到模塊化的概念問題，即什么是模塊化？根據一個通用的“熱插拔”概念，可以看出一個機柜中至少有兩個互為冗余的模塊，拔掉一個仍不影響機器的正常供電。有的將幾百千伏安而直接放在地板上的一個機柜也叫模塊，顯然不太合適，這和以往的UPS多機并聯是一個概念：大家都是直接放置在機房地板上，最多也是8臺并聯，如果有冗余設置，也可一臺或幾臺退出維修，但不能帶電熱更換，這不能叫模塊，只能叫一臺UPS單機。大功率的UPS模塊也并非沒有，比如有的廠家推出一個機柜中放置兩個300kVA的UPS模塊，互為冗余，可帶電熱拆卸（插拔），熱更換，當然還有下面討論的一些特點和優點，這才符合習慣上的模塊化概念。

一、模塊化UPS的分類及特點

不要認為所有模塊化UPS都一樣，實際上他們之間從結構上還是功能上有很大差別。當前的模塊化UPS從電路結構上說分兩大類：功率模塊結構式和UPS結構模塊結構式。功率模塊結構式也稱第一代模塊化結構，它的特點是功率模塊和控制模塊分離，這種結構的任何一個模塊都不能單獨供電，由于存在單點故障，故可靠性不太高；第二代模塊化結構克服了第一代的缺點，將整套UPS做成一個模塊，即任何一個模塊都可單獨供電，所以它的可靠性遠高于第一代，也是第二代的替代產品。這里只對第二代模塊化結構進行討論。圖1所示就是第一代模塊化結構和第二代模塊化結構方框圖

 目前的單個UPS模塊從1kVA開始一直做到300kVA，這里的模塊概念是必須在一個機柜中有一個以上的模塊，一個機柜中只有一個模塊那還屬于單機范疇。比如這里的300kVA模塊在一個機柜中就可安裝兩個，也具有熱更換功能。

模塊化UPS和單機UPS相比不但具備了單機的一些優點，并且還有很多獨到的特點，下面一一介紹。

二、模塊化UPS是節能節資金產品

幾乎99%以上的模塊化UPS都是高頻化結構，和以前傳統的工頻化結構UPS相比，在同等技術指標的情況下取消了諧波濾波器和輸出變壓器，如圖2所示，因此效率就比單機UPS高了5%以上。比如同樣是100kVA的UPS，這種高頻模塊化UPS就比傳統的工頻化結構UPS每年至少節約50,000度電。以下的特點是模塊化UPS所特有的。

模塊化結構UPS為在連續運行的數據中心邊計劃邊投資邊建設提供了可能。這就合理的利用了資金，避免了一次性投資的壓力和浪費。

三、可靠性高

    對于單機UPS而言，機器做好后可靠性也就定了。但模塊化UPS的可靠性隨著組合的不同時刻改變的。比如每一個單機UPS和一個模塊UPS的可靠性都是r₁=0.99，即故障率是1%；一個100kVA的單機UPS可靠性就是0.99了，而120kVA的模塊UPS，當每個模塊是模塊15kVA時，定在100kVA就是7+1的組合，這時的可靠性R₇₊₁就是：

R₇₊₁=1-(1-r⁷) (1-r)=1- (1-0.99⁷) (1-0.99)= 0.999021

可靠性比單機時幾乎提高了10倍，故障率降低了10倍。如果采用6+2組合，其可靠性R₆₊₂就是：

R₆₊₂=1-(1-r⁶)（1-）²=1- (1-0.941480) (1-0.99)²= 0.9999941

可靠性比單機時幾乎提高了100倍，故障率降低了100倍。而且隨著負載的減小可靠性還會增大。比如定位為100kVA的負載，實際為90kVA以下時，就變成了6+2組合，故障率比單機降低了100倍；如果實際負載低于75kVA時，就變成了5+3組合，可用同樣的方法算出故障率比單機降低了1000倍。這是單機UPS無論如何都實現不了的。

四、并聯冗余性好

模塊化UPS所以冗余性好是因為在機器設計的初期就是按照冗余性規劃的，所以不論是從電路上還是從結構上就是作為一個整體考慮的，這樣一來既可以分開又可以組合。比如有一款名為ARRAY的UPS，它的機架就是一個名副其實的架子，架子上沒有任何電路。而且個模塊之間沒有任何通信信號線相連，是一種無線并聯功能，可靠性有大為提高。不像一般單機UPS結構那樣，還需要并聯板和各單機之間的通信信號線，一旦這個信號線

接觸不良，并聯就會失??；不少UPS單機電路是移植來的，只是將并聯功能添加上去，沒考慮和以前的電路又和沖突之處，往往有這種情況：在UPS組合正常運行中就有的單機因同步失諧而退出，埋下了隱患或導致故障。

五、動態擴展性好

（一）可以在線熱插拔和熱更換，保證了供電的連續性。單機UPS更換時比如關機，盡管有手動旁路，但由于輸出端仍和其他UPS一起連在負載上，有電壓存在，就不能帶電操作，除非裝機前預裝了隔離開關，但對于大功率來說這樣做勢不經濟的。

（二）延長了供電電源的服務壽命

一般一個數據中心的使用壽命希望越長越好，你如20年，30年等。但設備的壽命不可能這樣長。比如UPS的服務壽命最多不過10年，因為機器中大量的電解電容器壽命很短，但又無法在線更換。在用單機UPS供電時不得不停機更換，這個周期是比較長的，少則數小時，多則數天。

模塊化結構給了這種可能，因為一個模塊就是一臺UPS，在冗余的情況下也可以熱更換，即使是幾百公斤的300kVA模塊，也可以在線熱拆卸，從機柜中取出來進行更換。因為金屬機架如果做得好，幾十年是不會壞的。數據中心的連續供電問題解決了，其他問題就都好辦了，因為只要有了電，就有了糧食，肚子吃飽了，就好干活了。

六、綠色環保

環保就是沒有污染，污染分自然環境的污染、電氣環境的污染。這兩種污染都被模塊化結構克服。

（一）克服了對自然環境的污染

自然環境的污染包括聲音污染和大氣污染。模塊化結構由于絕大多數都是高頻化結構，工作頻率都在20kHz以上，超出了人的耳朵聽覺范圍，所以是安靜的。不像工頻機那樣，變壓器和電抗器的叫聲令人心煩意亂，影響工作情緒。至于大氣污染，由于現在都在執行ROHS指令，這一項是肯定要做的。

（二）克服了對電氣環境的污染

由于高頻化模塊UPS的輸入功率因數都在0.99以上，對電網而言幾乎是線性負載，所以基本不破壞市電電網電壓的正弦波形，諧波含量小于5%。因此，電網中的高次諧波干擾幾乎不用考慮。而單機工頻UPS一般400kVA以下都是6脈沖整流，輸入功率因數約為0.8，諧波含量達30%，5次和7次諧波能量較大，干擾用電設備。

七、管理性強

模塊化UPS由于它的結構特點，一般模塊在20kVA以下者居多，這也是應用最多的范圍，重量在20kg左右，一般一個人就可搬得動。許多模塊化機柜面板上的LCD都有人性化的圖示，當某一個模塊故障時就有明確標志，值班人員既可根據機上標示輕松更換模塊，不需要專門人員既可。

方便增容。比如一個機房規劃IT用電量是100kVA，目前只有20kVA的負載，比如選擇ARRAY 120kVA模塊化UPS，該機模塊單元是15kVA，就可先配置2+1，尚有5個空位，就可根據IT的增容情況來逐步增加電源模塊。

方便移動。機房搬家是常有的事，在單機UPS時由于重量很大又不可拆卸，使這種搬家相當復雜和費力，但在模塊化時就變得輕而易舉。

八、第二代模塊化之間的區別

    第二代模塊化也不都是一樣，它們之間也有質量和功能上的差別，用戶切不可只從價格上看問題。UPS技術發展到今天，各家采用的電路相差甚微。采用的元器件也就是國際和國內這些廠家的產品，同等元器件的體積和重量差別也不會大。因此UPS產品的單位體積重量（kg/kVA）也應相差無幾，如果相差甚遠，就值得考慮；如果在價格上再相差甚遠，就要認真考慮了。又是高科技，又是重量輕，又是性能好，又是價格便宜，等等。像這樣的好事是誰都向往的。有不少用戶因為貪圖便宜，設備選型安裝后，冒煙者有之，起火者有之，爆炸者也不少見，使整個數據中心癱瘓者也有之。

九、澄清對模塊化的誤解

對于模塊化有的就提出這樣的問題：原來一臺UPS是一套電路，現在變成了數套電路，多一個環節就多一個故障點，所以N+X模塊化結構的可靠性不會高。并肯定地說：當模塊多余8個的時候，其系統可靠性還不如單臺UPS高。這就使得有些用戶對模塊化結構心存疑慮，望而卻步。

這里有一個基本概念問題，多一個環節就多一個故障點是對串聯環節而言，如圖3（a）所示就是一個串聯環節構成的通路，路上的環節就好比閥門，水要經過閥門從A流到B。沿路的閥門只要卡死，水就流不過去了，串聯的閥門越多，故障率就越高，比如每個閥門平均每年就有一次卡死，10個閥門一年就可能有10次卡死，這就是多一個環節就多一個故障點的道理。

但是，如圖3（b）箭頭所示，如果通路上有了并聯分支，通道就增多了，多一個并聯閥門就多一條通路。所以說，模塊化UPS如果不冗余并聯是毫無意義的。N+X模塊化UPS的X10時才有意義。明白了這一點，上面的第二個問題就迎刃而解了。