谈N+X冗余模块化UPS

王其英

UPS模块化结构无疑是今后发展的方向。因为模块化具有带电热插拔的功能，热更换的问题就解决了，无形中就带来了另一个好处，即延长了数据中心连续工作的寿命。一个数据中心的设计寿命至少要10年以上，比如20年，30年等。但供电设备的寿命一般不足10年，若更新就必须停电，模块化就解决了这个问题。

这就牵涉到模块化的概念问题，即什么是模块化？根据一个通用的“热插拔”概念，可以看出一个机柜中至少有两个互为冗余的模块，拔掉一个仍不影响机器的正常供电。有的将几百千伏安而直接放在地板上的一个机柜也叫模块，显然不太合适，这和以往的UPS多机并联是一个概念：大家都是直接放置在机房地板上，最多也是8台并联，如果有冗余设置，也可一台或几台退出维修，但不能带电热更换，这不能叫模块，只能叫一台UPS单机。大功率的UPS模块也并非没有，比如有的厂家推出一个机柜中放置两个300kVA的UPS模块，互为冗余，可带电热拆卸（插拔），热更换，当然还有下面讨论的一些特点和优点，这才符合习惯上的模块化概念。

一、模块化UPS的分类及特点

不要认为所有模块化UPS都一样，实际上他们之间从结构上还是功能上有很大差别。当前的模块化UPS从电路结构上说分两大类：功率模块结构式和UPS结构模块结构式。功率模块结构式也称第一代模块化结构，它的特点是功率模块和控制模块分离，这种结构的任何一个模块都不能单独供电，由于存在单点故障，故可靠性不太高；第二代模块化结构克服了第一代的缺点，将整套UPS做成一个模块，即任何一个模块都可单独供电，所以它的可靠性远高于第一代，也是第二代的替代产品。这里只对第二代模块化结构进行讨论。图1所示就是第一代模块化结构和第二代模块化结构方框图

 目前的单个UPS模块从1kVA开始一直做到300kVA，这里的模块概念是必须在一个机柜中有一个以上的模块，一个机柜中只有一个模块那还属于单机范畴。比如这里的300kVA模块在一个机柜中就可安装两个，也具有热更换功能。

模块化UPS和单机UPS相比不但具备了单机的一些优点，并且还有很多独到的特点，下面一一介绍。

二、模块化UPS是节能节资金产品

几乎99%以上的模块化UPS都是高频化结构，和以前传统的工频化结构UPS相比，在同等技术指标的情况下取消了谐波滤波器和输出变压器，如图2所示，因此效率就比单机UPS高了5%以上。比如同样是100kVA的UPS，这种高频模块化UPS就比传统的工频化结构UPS每年至少节约50,000度电。以下的特点是模块化UPS所特有的。

模块化结构UPS为在连续运行的数据中心边计划边投资边建设提供了可能。这就合理的利用了资金，避免了一次性投资的压力和浪费。

三、可靠性高

    对于单机UPS而言，机器做好后可靠性也就定了。但模块化UPS的可靠性随着组合的不同时刻改变的。比如每一个单机UPS和一个模块UPS的可靠性都是r₁=0.99，即故障率是1%；一个100kVA的单机UPS可靠性就是0.99了，而120kVA的模块UPS，当每个模块是模块15kVA时，定在100kVA就是7+1的组合，这时的可靠性R₇₊₁就是：

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

可靠性比单机时几乎提高了10倍，故障率降低了10倍。如果采用6+2组合，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

可靠性比单机时几乎提高了100倍，故障率降低了100倍。而且随着负载的减小可靠性还会增大。比如定位为100kVA的负载，实际为90kVA以下时，就变成了6+2组合，故障率比单机降低了100倍；如果实际负载低于75kVA时，就变成了5+3组合，可用同样的方法算出故障率比单机降低了1000倍。这是单机UPS无论如何都实现不了的。

四、并联冗余性好

模块化UPS所以冗余性好是因为在机器设计的初期就是按照冗余性规划的，所以不论是从电路上还是从结构上就是作为一个整体考虑的，这样一来既可以分开又可以组合。比如有一款名为ARRAY的UPS，它的机架就是一个名副其实的架子，架子上没有任何电路。而且个模块之间没有任何通信信号线相连，是一种无线并联功能，可靠性有大为提高。不像一般单机UPS结构那样，还需要并联板和各单机之间的通信信号线，一旦这个信号线

接触不良，并联就会失败；不少UPS单机电路是移植来的，只是将并联功能添加上去，没考虑和以前的电路又和冲突之处，往往有这种情况：在UPS组合正常运行中就有的单机因同步失谐而退出，埋下了隐患或导致故障。

五、动态扩展性好

（一）可以在线热插拔和热更换，保证了供电的连续性。单机UPS更换时比如关机，尽管有手动旁路，但由于输出端仍和其他UPS一起连在负载上，有电压存在，就不能带电操作，除非装机前预装了隔离开关，但对于大功率来说这样做势不经济的。

（二）延长了供电电源的服务寿命

一般一个数据中心的使用寿命希望越长越好，你如20年，30年等。但设备的寿命不可能这样长。比如UPS的服务寿命最多不过10年，因为机器中大量的电解电容器寿命很短，但又无法在线更换。在用单机UPS供电时不得不停机更换，这个周期是比较长的，少则数小时，多则数天。

模块化结构给了这种可能，因为一个模块就是一台UPS，在冗余的情况下也可以热更换，即使是几百公斤的300kVA模块，也可以在线热拆卸，从机柜中取出来进行更换。因为金属机架如果做得好，几十年是不会坏的。数据中心的连续供电问题解决了，其他问题就都好办了，因为只要有了电，就有了粮食，肚子吃饱了，就好干活了。

六、绿色环保

环保就是没有污染，污染分自然环境的污染、电气环境的污染。这两种污染都被模块化结构克服。

（一）克服了对自然环境的污染

自然环境的污染包括声音污染和大气污染。模块化结构由于绝大多数都是高频化结构，工作频率都在20kHz以上，超出了人的耳朵听觉范围，所以是安静的。不像工频机那样，变压器和电抗器的叫声令人心烦意乱，影响工作情绪。至于大气污染，由于现在都在执行ROHS指令，这一项是肯定要做的。

（二）克服了对电气环境的污染

由于高频化模块UPS的输入功率因数都在0.99以上，对电网而言几乎是线性负载，所以基本不破坏市电电网电压的正弦波形，谐波含量小于5%。因此，电网中的高次谐波干扰几乎不用考虑。而单机工频UPS一般400kVA以下都是6脉冲整流，输入功率因数约为0.8，谐波含量达30%，5次和7次谐波能量较大，干扰用电设备。

七、管理性强

模块化UPS由于它的结构特点，一般模块在20kVA以下者居多，这也是应用最多的范围，重量在20kg左右，一般一个人就可搬得动。许多模块化机柜面板上的LCD都有人性化的图示，当某一个模块故障时就有明确标志，值班人员既可根据机上标示轻松更换模块，不需要专门人员既可。

方便增容。比如一个机房规划IT用电量是100kVA，目前只有20kVA的负载，比如选择ARRAY 120kVA模块化UPS，该机模块单元是15kVA，就可先配置2+1，尚有5个空位，就可根据IT的增容情况来逐步增加电源模块。

方便移动。机房搬家是常有的事，在单机UPS时由于重量很大又不可拆卸，使这种搬家相当复杂和费力，但在模块化时就变得轻而易举。

八、第二代模块化之间的区别

    第二代模块化也不都是一样，它们之间也有质量和功能上的差别，用户切不可只从价格上看问题。UPS技术发展到今天，各家采用的电路相差甚微。采用的元器件也就是国际和国内这些厂家的产品，同等元器件的体积和重量差别也不会大。因此UPS产品的单位体积重量（kg/kVA）也应相差无几，如果相差甚远，就值得考虑；如果在价格上再相差甚远，就要认真考虑了。又是高科技，又是重量轻，又是性能好，又是价格便宜，等等。像这样的好事是谁都向往的。有不少用户因为贪图便宜，设备选型安装后，冒烟者有之，起火者有之，爆炸者也不少见，使整个数据中心瘫痪者也有之。

九、澄清对模块化的误解

对于模块化有的就提出这样的问题：原来一台UPS是一套电路，现在变成了数套电路，多一个环节就多一个故障点，所以N+X模块化结构的可靠性不会高。并肯定地说：当模块多余8个的时候，其系统可靠性还不如单台UPS高。这就使得有些用户对模块化结构心存疑虑，望而却步。

这里有一个基本概念问题，多一个环节就多一个故障点是对串联环节而言，如图3（a）所示就是一个串联环节构成的通路，路上的环节就好比阀门，水要经过阀门从A流到B。沿路的阀门只要卡死，水就流不过去了，串联的阀门越多，故障率就越高，比如每个阀门平均每年就有一次卡死，10个阀门一年就可能有10次卡死，这就是多一个环节就多一个故障点的道理。

但是，如图3（b）箭头所示，如果通路上有了并联分支，通道就增多了，多一个并联阀门就多一条通路。所以说，模块化UPS如果不冗余并联是毫无意义的。N+X模块化UPS的X¹0时才有意义。明白了这一点，上面的第二个问题就迎刃而解了。