并機(jī)和雙總線比較

1、冗余并機(jī)與雙總線UPS系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性比較1、前言隨著通信業(yè)務(wù)和技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)設(shè)備被應(yīng)用到通信系統(tǒng)中，除部分?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)備采用48V直流供電方式外，絕大多數(shù)（包括小型機(jī)、交換機(jī)、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(shù)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(duì)UPS供電系統(tǒng)的不可用度的要求是5×106。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)UPS供電系統(tǒng)的可靠性要求是在系統(tǒng)僅用于業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)和非關(guān)鍵業(yè)務(wù)的背景下提出的，若在目前各重要業(yè)務(wù)網(wǎng)設(shè)備普遍采用UPS供電的情況下繼續(xù)沿用該指標(biāo)，這些設(shè)備提供的業(yè)務(wù)

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

3、的典型MTBF值與單機(jī)值的倍數(shù)關(guān)系見表1。由表1可知，“N1” 冗余并機(jī)系統(tǒng)的可靠性得到了顯著提升，達(dá)到了YD/T1051-2000中對(duì)UPS系統(tǒng)的可靠性要求，但仍無法達(dá)到Y(jié)D/T 1051-2000中對(duì)48 V電源系統(tǒng)的可靠性要注。表1“N+1“冗余并機(jī)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(jī)系統(tǒng)的MTBF越來越長，但仍不能保證“零”故障。當(dāng)系統(tǒng)中某臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，將由單機(jī)承擔(dān)所有負(fù)載功率，從單機(jī)開始運(yùn)行到維修完畢，再將故障機(jī)重新并入系統(tǒng)的這段時(shí)間，系統(tǒng)仍非常危險(xiǎn)。因?yàn)橐坏﹩螜C(jī)運(yùn)行失敗，系統(tǒng)將旁路至市電，所有關(guān)鍵性負(fù)載將由低質(zhì)量的市電或油機(jī)電源直接供給，這

4、給網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)重的故障隱患。另外，維修后的UPS單機(jī)與原運(yùn)行單機(jī)重新并機(jī)時(shí)，如果隱含故障并未完全排除或并機(jī)參數(shù)設(shè)置不良，則在故障單機(jī)切入供電回路的瞬間，可能由于兩機(jī)不同步而產(chǎn)生環(huán)流，而一個(gè)足夠大的環(huán)流可能導(dǎo)致UPS逆變器損壞，同時(shí)造成輸入電流異常增大而使輸入開關(guān)跳閘，致使UPS系統(tǒng)中斷所有輸出。（3） 仍然存在“單點(diǎn)瓶頸”雖然“11”冗余并機(jī)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(tái)UPS主機(jī)輸入要求來自同一路電源，因此一旦系統(tǒng)中的輸入開關(guān)、輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)，輸出并機(jī)開關(guān)、輸出配電屏等“單點(diǎn)瓶頸”出現(xiàn)故障，仍可導(dǎo)致“雙路由”同時(shí)中斷。（4） 系統(tǒng)擴(kuò)

5、容所引起的割接風(fēng)險(xiǎn)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，UPS系統(tǒng)的擴(kuò)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(jìn)行不斷電割接，但在割接過程中若操作失誤或施工不當(dāng)，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(shí)，由于需要進(jìn)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(shí)系統(tǒng)會(huì)遭受負(fù)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(jī)系統(tǒng)僅提高了UPS自身的MTBF，并沒有解決UPS冗余并機(jī)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(hù)性問題，這是“11”UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)自身無法克服的問題。3、現(xiàn)有通信設(shè)備UPS的配置情況表

6、2是2006年浙江移動(dòng)網(wǎng)管中心對(duì)交換、智能網(wǎng)、短信、GPRS、互聯(lián)網(wǎng)、支撐等專業(yè)408臺(tái)/套采用UPS供電的數(shù)據(jù)通信設(shè)備電源配置情況的統(tǒng)計(jì)。按目前的供電方式，一旦“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)在單點(diǎn)瓶頸上發(fā)生中斷或瞬間供電中斷，將會(huì)影響該系統(tǒng)下所有的負(fù)載。表2 現(xiàn)有通信設(shè)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(diǎn)冗余式雙總線“11”（或“N1”）UPS供電系統(tǒng)是指由兩套完全獨(dú)立的“11”或“N1”UPS冗余并機(jī)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(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電中斷時(shí)，有主備用電源供電或采用“21”冗余電源

7、的通信設(shè)備仍能正常工作；有備份系統(tǒng)的單電源通信設(shè)備則由于分別接在不同的UPS系統(tǒng)，仍有一個(gè)系統(tǒng)可以正常工作，對(duì)業(yè)務(wù)不產(chǎn)生影響；而重要性相對(duì)不高的單電源單系統(tǒng)通信設(shè)備（占數(shù)據(jù)通信設(shè)備總數(shù)的28.9），不采用通常推薦的STS（靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)）切換后供電的方式，避免造成兩個(gè)系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)，降低其可用度指標(biāo)，但由于機(jī)柜內(nèi)有兩路UPS電源，因此可在很短的時(shí)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(shè)備的切換啟動(dòng)時(shí)間。冗余式雙總線“11”UPS供電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）達(dá)到核心網(wǎng)網(wǎng)元設(shè)備對(duì)供電的可靠性要求一般“11”冗余并機(jī)系統(tǒng)的不可用度（0.911.82）×106，而“N1”冗余并

8、機(jī)系統(tǒng)的不可用度（510）/n×106。兩個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，同時(shí)不可用的概率是兩個(gè)系統(tǒng)不可用度的算術(shù)積，“11”冗余并機(jī)系統(tǒng)的不可用度并不符合這個(gè)規(guī)律，主要原因是兩臺(tái)UPS之間有很多相互關(guān)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(jī)系統(tǒng)之間再無單點(diǎn)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(shù)積，目前也尚無相互間可計(jì)算的量化依據(jù)，但其MTBF顯然會(huì)比“11”冗余并機(jī)系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1.48×108h，不可用度1.36×108，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過YD/T1051-2000中對(duì)48V電源系統(tǒng)的可靠性要求。（2）消除了“單點(diǎn)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(shè)備、器件、線纜等因素而存在的單點(diǎn)瓶頸故障隱患。因此，當(dāng)其中一套“11”冗余并機(jī)系統(tǒng)中某臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，除了單機(jī)仍能繼續(xù)向負(fù)載供電外，另一套系統(tǒng)將承擔(dān)起供電可靠性保障的任務(wù)，即使維修過程中出現(xiàn)系統(tǒng)輸出中斷，也不會(huì)引起網(wǎng)元退出服務(wù)。5 配置模式和設(shè)備投資比較表3是三種UPS供電系統(tǒng)的配置和設(shè)備投資情況，基于防止系統(tǒng)故障時(shí)影響面過大的考慮，冗余并機(jī)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(yùn)行，一般規(guī)定250kV·A“11”UPS系統(tǒng)的最大允許負(fù)荷為160kW，因?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備負(fù)荷功率因數(shù)為0.8，單機(jī)工作時(shí)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(shí)，因同時(shí)出現(xiàn)三臺(tái)UPS主機(jī)宕機(jī)的概率非常小，除通信設(shè)備負(fù)荷功率因數(shù)0.8仍需照常考慮外，單機(jī)工作時(shí)的容量冗余度可以考慮為0.95左右，即單側(cè)“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)的最大允許負(fù)荷可達(dá)到304 kW。采用冗余式雙總線400 kV·A“21”UPS供電系統(tǒng)時(shí)，最小正常運(yùn)行模式是單側(cè)兩臺(tái)UPS主機(jī)正常運(yùn)行，則工作時(shí)單機(jī)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(jī)UPS系統(tǒng)的最大允許負(fù)荷可達(dá)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(shí)際帶載容量是不是就是304kW和576 kW呢？答案是不。因?yàn)閷?duì)于由兩套“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)組成的供電系統(tǒng)來說，只有在所有負(fù)荷通信設(shè)備都是雙電源（或四電源）時(shí)，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?yàn)殡p電源設(shè)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(shí)際負(fù)荷中有一部分是單電源設(shè)備，則系統(tǒng)總帶載容量就會(huì)超過單側(cè)“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)的帶載容量，因?yàn)閱坞娫丛O(shè)備在

12、一側(cè)電源中斷后，所需功率不會(huì)轉(zhuǎn)嫁到另一側(cè)UPS系統(tǒng)中。表4是不同負(fù)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(fù)荷情況下（約2/3負(fù)荷為雙電源設(shè)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(jī)UPS系統(tǒng)的單位功率投資大體相當(dāng)。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(jī)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(huì)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(fù)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(shí)間分析目前，常用的250kV·A“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)的電池后備時(shí)間是按照一臺(tái)UPS故障情況下，滿負(fù)荷單機(jī)支撐30min設(shè)計(jì)的，即交流輸入中斷（市電中斷，油機(jī)不能供電）后可繼續(xù)供電30min。實(shí)際運(yùn)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(shí)間，單機(jī)時(shí)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(shí)，電池的后備時(shí)間（按電池容量進(jìn)行計(jì)算，冗余式雙總線負(fù)載按66%雙電源）?？梢钥闯觯赨PS無故障或同時(shí)故障臺(tái)數(shù)不大于兩臺(tái)的情況下，蓄電池的后備時(shí)間完全滿足原設(shè)計(jì)的要求。表5 不同配置模式下電池的后備時(shí)間7 裝機(jī)占地面積比較250kV·A“11”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)由2臺(tái)UPS主機(jī)、1臺(tái)并機(jī)柜、1臺(tái)輸入柜、1臺(tái)輸出柜、4個(gè)電池架組成，凈占地面積計(jì)10.7m2，按實(shí)際占地面積為凈占地面積的2.5倍計(jì)，實(shí)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(huì)出現(xiàn)裝機(jī)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(shè)備提供高