艾默生 NX-250KVA

                                                       模块化UPS系统设计浅析

通过不同系统架构可用性及经济性的分析,对科学地选择功率模块的容量和数量进行了探讨,以期构建经济高效的模块化UPS系统。

1 引言
  
  模块化UPS系统由功率模块、旁路模块、显示模块、机柜等组件构成。其中功率模块是最主要的构成部分。在系统容量确定的情况下,模块化UPS系统可由不同容量和数量的功率模块构成。
  
  可以说功率模块的容量或数量的确定是影响系统架构的主要因素。
  
  2 模块数量对系统可用性的影响
  
  (1)系统分析模型
  
  为了简化分析过程,只考虑功率模块数量对系统可靠性的影响,采用图1所示的系统模型。系统模型中虽然忽略了控制系统、蓄电池系统、旁路系统等因素,但对系统的定性分析没有影响。
  
  (2)可用性计算
  
  根据概率统计学相关理论,系统模型的可用性表达式为
  

  其中,A为系统可用性;A0为单模块可用性;
  
  n为系统模块总数量;
  
  k为必需模块数量;
  
  n-k为冗余模块数量。
  
  由式(1),分别计算一个模块化电源系统在各种配置情况下的可用性,假设单个模块的可用性为A0=0.99。其计算结果如表1～表4所示,分别为系统无冗余模块时的可用性、系统冗余1个模块时的可用性、系统冗余2个模块时的可用性和系统冗余3个模块时的可用性。
  

  (3)计算结果分析
  
  根据以上计算结果,可以得出以下结论:
  
  ①模块化UPS系统必须保持至少有1个冗余功率模块(X≥1),否则系统的可用性将随模块数量增多而大幅下降,如表1所示;
  
  ②冗余模块的数量X对系统的可靠性起到决定性的作用。每增加1个冗余模块,可靠性呈现数量级增加。如表2、表3、表4所示;
  
  ③在冗余模块数量一定的情况下,组成系统的模块数量越多,可用性越低;
  
  ④从系统可用性考虑,希望系统冗余模块数量X越大越好。
  
  3 模块数量对系统经济性的影响
  
  模块数量主要在以下两个方面对系统的经济性产生影响:
  
  ① 初期的采购费用
  
  在同一系统容量下,组成系统的模块数量越多,成本越高。如20个10kVA模块成本要高于10个20kVA模块成本。
  
  ②系统后期运维成本
  
  模块的数量越多,后期的运维成本越高。这可以由系统故障率反映出来。
  
  系统故障率的计算公式为 λ=(k+X)λ0 (2)

式中,λ0-单模块故障率;
  
  k-基本功率模块数量;
  
  X-冗余功率模块数量。
  
  系统故障率λ与单模块率λ0、模块数量(k+X)的关系见表5。
  
  可见随着模块数量的增加,系统的故障率也成倍上升。而系统故障率与系统的后期运维费用有关。这里包括了用户的运维人员的工作量、模块的维修费用等。
  
  因此,从系统经济性考虑,希望系统的模块数量(k+X)越小越好。
  
  4 电源系统容量和冗余模块容量的确定

    依据国标GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》,不间断电源系统基本容量的计算公式为
  
  E≥1.2P (3)

式中,E-不间断电源系统的基本容量;
  
  P-电子信息设备的计算负荷。
  
  据此,模块化UPS系统电源系统的基本容量可以表达为
  
  E=(k+X)P0  (4)

式中,P0-功率模块容量;
  
  k-基本功率模块数量;
  
  X-冗余功率模块数量。
  
  由式(3)和式(4)可知:
  
  系统冗余功率为E-P=E-(1/1.2)E≈17%E≈XPo
  
  功率模块的容量、数量和系统容量的关系为(5)
  
  可见虽然冗余数量X越大,系统可用性越高;但功率模块容量P0越小。系统总模块数量k+X越大,系统经济性越差。为兼顾系统的可用性和经济性,必须在一定的可用性指导下,合理选择模块数量。表6给出了不同冗余模块数量X的可用性和经济性。
  
  由表6可知,X=2时,即系统具有2个冗余模块时,模块化UPS系统可获得较好的综合性能。X≥3时,可获得不具实际意义的超高的可用性,而且系统的复杂性增加,经济性将明显变差。所以,合理的功率模块的容量范围应该是:
  
  实际应用中,由于运行负荷往往低于计算负荷,系统实际冗余量远大于17%E。即便按照X=1设计,系统实际运行时,冗余模块的数量也可能等于或大于2,已经具备了较高的可用性。因此,在确定模块容量时,可以适当地向偏大方向进行修正。
  
  5 结束语
  
  在构建模块化UPS系统时,功率模块容量的确定至关重要。模块的容量和数量决定了模块化UPS系统的可用性和经济性。模块容量越小(数量越多),越容易获得系统高可用性;但同时系统故障率增加、经济性变差。功率模块的容量应在范围内选择。