UPS供配电系统的可信性与可测试性

信息技术已渗透到人们生活与生产的方方面面，信息技术的载体———电子信息系统及过程控制系统一旦意外中断，将带来日益严重的影响。由于供电中断造成的生产或管理系统运行中断经济损失巨大，尤其是银行、证券交易和现代化的石油化工厂，运行中断造成的后果异常严重。
银行、证券交易的信息系统意外停止将造成社会的动荡与巨大的经济损失；生产装置突然停止运行将造成生产链中断，甚至火灾、爆炸。正如国标GB 50174-2008《电子信息系统机房设计规范》中对A级电子信息系统机房的定义：
a.电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失；
b.电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。
UPS供配电系统作为电子信息系统或生产控制中心正常运转的基础，电力供应的高可靠性、高安全性、高可测试性自然成为至关重要的问题。其中，UPS供配电系统在竣工与运行过程中的测试，特别是验证性测试是非常必要的：竣工阶段验证性测试能够及时发现系统在设计、制造或施工方面的缺陷与问题；运行过程中验证性测试能够及时发现系统在运行过程中的各种隐患。
唯有经常实施有效的验证性测试才能确保系统运行的稳定与安全。发达国家在对关键应用中UPS供配电系统的验证性测试无论在设计、竣工与运行阶段都非常重视，有专门机构从事与此相关的服务以满足客户需求。
1 UPS供配电系统故障的后果
欧洲的独立咨询机构曾在2005年对欧盟国家典型行业UPS系统供电中断的损失进行了统计并分析其原因，如图1所示。随着电子信息系统与工厂过程控制系统日益广泛的应用，在今天上述损失的数字有可能上升一个数量级。

2 UPS供电系统评价指标
2.1系统可用性
UPS供电系统可靠性与可维护性的综合评价可采用系统可用性A（t）来表示：
A（t）=MTBF/（MTBF+MTTR）
式中：MTBF———Mean Time Between Failures平均无故障时间，即相继两次故障之间工作的时间；
MTTR———Mean Time To Restoration平均恢复前时间，即从出现故障到恢复之前的这段时间。
系统可用性在概念上囊括了系统中设备的可靠性、可管理性、可维护性。系统可用性高意味着系统能够提供更多的正常运行时间，意味着一旦发生故障系统不可用的时间降低到更短的时间。
2.2系统安全性
对于关键的应用，仅仅采用可用性来评价并不完整。从关键电力供应需求的角度来说，UPS供电系统除具有高可用性外还应具有以下的能力：发生某个局部失效时限制系统发生严重后果的概率。这个能力可以表述为系统安全性，它与风险意识相联系，取决于系统的架构。
2.3系统可信性
融合了系统可用性与系统安全性的综合评价可以采用系统的可依赖性或可信性来表示，即可信性=可用性+安全性。可信性全面描述了用户对系统的需求。
UPS供电系统具有高的可信性，即指UPS系统除了具有较高可用性之外，还具有高度的安全性。
UPS供电系统提升系统可信性需要通过以下几个方面实现：
a.采用高可靠性能的UPS产品；
b.采用高可维护性的UPS产品；
c.采用各种系统冗余的技术手段；
d.采用有效的技术手段，提高管理水平。
其中，采用各种系统冗余的技术手段是提升UPS供电系统可信性的关键因素。
生产商可以生产出故障率非常低的UPS，但不可能制造出故障率为零的UPS。所以工程中经常采用多台UPS通过冗余连接构成“一台”容错的UPS，如图2所示。

在高质量配电系统中虽然采用各种故障率非常低的线路保护装置、电缆和规范的施工工艺，但供电故障还极有可能来自UPS设备下游的诸如供电支路的短路故障、保护装置的误动作。
系统运行人员和设备维护人员即使具有相当高的素质，还是不能完全避免对UPS系统的误操作。
上述这一切完全是UPS设备自身无法解决的，需要采取措施对整个UPS供电系统进行冗余，例如采用“2N”UPS输出结构或者DR分散系统冗余结构的UPS系统，使整个UPS供电系统具有高度的容错能力。
唯有采用系统冗余结构的UPS系统，才能使得UPS供电系统具有足够的系统可用性，满足企业的控制系统与数据处理系统的客观需要。
根据系统对可靠性的不同要求，可以组成不同的UPS系统结构，而各种形式的UPS系统具有不同等级的冗余程度与系统的可用性。
以A级电子信息系统为代表的电子信息系统机房的UPS系统采用双回路供电具有系统容错的结构是完全必要的。《电子信息系统机房设计规范》中针对不同的应用，做出了明确的规定。
以石油化工为代表的现代化工厂控制系统与管理系统的UPS系统采用双回路供电具有系统容错的结构是完全必要的。中石化2005年10月颁发的生〔2005〕531号文件《生产装置过程控制仪表电源供电系统技术管理规定（暂行）》也规定重要生产装置的电力供应应具有系统性冗余。
单机UPS系统、并联冗余UPS系统及系统性冗余UPS系统这三种UPS系统结构的比较如表1所示。
3 UPS供配电系统的可测试性分析
UPS系统的可测试性是指：如果UPS供配电系统中存在缺陷，可通过测试或检验发现，且不会对负载用电产生影响的能力。
UPS系统的可测试性在一些关键应用中是非常重要的，最典型的应用是我国的大型商业银行。已经完成电子化的大型商业银行是必须保证365天、24 h连续对外运行的商业机构，集中化（全国的业务在一个平台上运行）的电子信息系统必须具有全天候的业务支撑能力（没有维护时间窗口）。
3.1各种UPS系统的可测试性
与提升系统的可用性与可信性相同，冗余水平越高的UPS系统，其系统的可测试性也相对越好。
普通的单机UPS供配电系统的可测试性非常差。例如，当测试UPS设备逆变器与自动旁路之间的切换功能时，一旦UPS存在故障，虽然能够发现UPS存在故障，但负载停电的严重后果已经造成。
即便是具有系统性冗余的“2N”UPS供配电系统，其可测试性依然可能不满足某些应用的实际需求。例如大型商业银行的数据机房，按照国标GB 50174-2008中对A级电子信息系统机房定义的：“电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失；电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱”，A级电子信息系统机房必定是采用具有系统性冗余的“2N”或“M（N+1）”UPS供配电系统。假定电子信息系统所有的IT设备全部采用双电源供电，正常情况下两个电源各自承担50%的负荷，一路电源失电或UPS电源系统内部损坏时，另一路电源或UPS电源系统承担100%负荷。事实上，确实偶尔会发生因为IT设备UPS电源系统无法承担高负荷水平而失效的情况。
由于大型商业银行电子信息系统规模庞大且非常重要，对具有系统性冗余的“2N”UPS供配电系统的在线测试工作变成了风险较大的事情。如果因为测试有风险而回避对UPS系统进行完整的测试，那么任何单个UPS的故障，都可能逐步导致电子信息系统运行的失败。具有系统性冗余的“2N”UPS供配电系统将随着运行时间的延长，可信性不断下降。
上述情况在国内大型商业银行电子信息系统中客观存在，因此提高UPS系统的可测试性对于A级信息系统机房是基本的而且是必须的。
表2列出了三种UPS系统的可测试性比较。

3.2采用STS装置提高UPS系统的可测试性
具有系统性冗余的“2N”UPS供配电系统提升可测试性的技术手段之一是采用STS装置。
STS静态切换开关（Static Transfer Switch）是实现二选一的自动电源切换装置，能够自动或手动将负载以很短的时间从一路电源（第1路电源）切换到另一路电源（第2路电源）（可设置返回切换）。切换时间满足特定的标准，例如ITI（CBEMA）标准，这些标准规定的切换时间能够满足IT设备短时电力供应中断的要求。
从图3可看到，即使电压跌落到0 V，只要时间不超过20 ms，IT设备依然可以连续运行。正常工作状态下，负载由主电源供电。在主电源发生故障时，STS将负载自动切换到备用电源。STS静态切换开关采用先断后通（Break before make）的快速切换（通常为2～10 ms）方式，实现IT负载在两个供电电源之间不中断运行的切换。

标准型STS的切换元件由两组静态开关组成，如图4所示。每组静态开关（SS）由一组反向并联的可控硅（SCR）组成。STS的维修旁路开关支持STS进行在线测试和维护。STS安装有三个开关来隔离静态开关，并配置两个带机械互锁的手动维修旁路开关。由于具有上述维修旁路开关，使得STS设备具有充分的可测试性。即STS在测试状态下，STS测试出现异常时能够发现问题但不会对负载的供电造成任何的影响。

配置有标准STS装置的“2N”冗余UPS供电系统具有充分的系统可测试性。测试步骤如下：首先，完成对系统中所有STS的测试，确认所有STS性能的完好；然后，对相互冗余的UPS供配电机组进行各种测试，可以模拟“2N”冗余的UPS供电系统单侧供电发生故障。系统中所有的STS将所有双电源输入IT设备的供电暂时转换成“假二路供电”，如图5所示。

上述配置有STS装置的2N冗余的UPS供电系统具有高度可测试性。充分满足365天、24 h连续运行（无维护检测时间窗口）的关键应用（例如大型商业银行中的电子信息系统）。
当然，UPS供配电系统的可测试性还应该在系统中设计有可以承担测试系统中各个环节（变压器、自备发电机、配电系统与UPS设备）的测试假负载与相关的切换系统。
关键应用UPS供配电系统建设完成后，系统性集成验证性测试的实施也是非常必要的。
4结束语
高等级UPS供配电系统的系统设计在一些方面有别于传统的供配电设计，它需要考虑的问题在传统供配电系统中通常是不予考虑的。尤其是在系统的可靠性、可维护性、安全性或称之为可信性（可依赖性）方面需要有特别的考虑。高等级UPS供配电系统的验证性测试是非常必要的，系统的验证性测试应该覆盖整个生命周期。另外，如何保证在没有维护时间窗口的关键应用时，提升UPS供配电系统的可测试性也同样非常重要。