UPS平均无故障时间MTBF计算.docx

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1、UPS平均无故障时间MTBF计算UPS平均无故障时间MTBF计算实现ups系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故 障或间断的可能。50年代，第一台静态UPS系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构 成。逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单 独维持）。这种简单的UPS电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。逆变器的故障将 直接导致负载失效。而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。在60 年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载 切换至备用电网供电电源

2、。尽管备用电网供电电源远不如UPS那么可靠，但发生逆变器故障时， 它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。这一新的结构，切实提高了总体可靠 性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。带静态开关的新型UPS的可靠性，取决于备用 电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。 此外，本文（第4页）还阐述了，MTBFMAINS和、MTTRUPS对于UPS整体可靠性的影响。近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠UPS配置的 需求已成千真万确的事实。特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的UPS这

3、 样的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用UPS的供电配置，正在成为当今的标准要求。本文阐述各种不同UPS配置的可靠性。整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其 它部件的可靠性指标，源于资料MIL-HDBK-217 F （Not.2 1995）中列举的可靠性数据。以下计 算，在NEWAVE CONCEPTPOWER （概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。可 惜，因NEWAVE公司的规定，不能公布这些统计资料。1. 无静态旁路切换开关（SBS）的UPS单机无静态旁路切换开关的UPS单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠 性（见图1中的电气原理框图）例：逆

4、变器发生故障时，负载装置即失效。电气原理框图可靠性框图C率联图电池.A. BATT逆变朗L_负载图1无静态旁路切换开关的堇UPSH电气原理推图和司靠性柩落，UPS系统的可靠性公式中所用的变量说明：MTBFSU：无静态旁路的单UPS装置，两次故障之间的平均时间入UPS：无静态旁路开关单UPS装置的故障率入RECT：整流器的故障率入BATT：电池的故障率入INV：逆变器的故障率无旁路UPS系统的MTBF （即MTBFSU）的计算：MTBFUPS = 1/入UPS 入UPS =XRECT +入BATT+入INV （E.1）若按NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，入RECT =20

5、-10-6 小时一1；入BATT = 1010-6 小时一1；入INV = 20-10-6 小时-1，代入方程（E.1），则无静态旁路UPS系统的故障平均间隔时间（MTBFUPS）MTBFUPS =20,000 小时2. 带静态旁路切换开关（SBS）的单UPS引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主UPS电源连接，就能大大提 高单UPS的可靠性。例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。负载将无间断地转接至电网供电电源。电气原理堰街可靠性框图C并联囹）电网鱼载您。无静态旁路切顿开美的单UPSD电气原理桂窗和可棠性框囹B P公式中所用的变量说明：MTBFUPS+SBS:带静态旁路开关

6、（SBS ）的单UPS装置，两次故障之间的平均时间 MTBFM:电网供电电源，两次故障之间的平均时间 入UPS+SBS:带静态旁路开关的单UPS系统的故障率 入SBS :含控制电路的静态旁路开关的故障率 入PBUS :并联总线的故障率（仅适用于并联系统） 入M：电网供电电源的故障率 UPS系统的可靠性uSU :静态旁路开关的修复率(PSU = 1/ MTBFUPS)UM:电网供电电源的修复率(UM = 1/ MTBFM)MTTRSBS:静态旁路开关的平均修复时间MTTRM:电网供电电源的平均修复时间注意，所有的计算，都采用以下的常数进行：MTBFM = 50 小时，该指标表示“优质”的电网供电

7、电源MTTRUPS = 6 小时MTTRM = 0.1 小时此外，根据NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电 子线路引起的静态旁路开关故障率，取 下列数值：入SBS = 2-10-6 小时-1带静态旁路开关的UPS系统的MTBF (即MTBFSU+SBS )的计算：MTBFUPS+SBS = 1/入UPS+SBS入UPS+SBS =XUPS/XM+XSBS (E.2)、 q、 _m+ Pun i- X mA mA yrjff h:; -; 6-IO k+ii-iiA upsA wh lAo Uw+(A(Wur + upj+A mIAxpj mr入UPS+SBS =XUPS/

8、XM+XSBS = 6-10-6 小时-1+ 2-10-6 小时-1 =8-10-6 小时-1MTBFUPS+SBS = 125,000 小时注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的UPS系统的可靠性(即MTBFSU+SBS ) 取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS的MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。其关系 曲线示于图3中。RflTBFw* = f （IVITBF伸推 MTTRuFs）MTBF g瞒曲)3. 带静态旁路切换开关(SBS)的并联冗余的备用UPS引入并联冗余配置，能够大大地提高单个UPS的可靠性。由入并聘元盘日己留-能4*大UliZiffi雄个UF3的iTTStl*.UPS

9、 1UPS (n+lB14 Fill笄联卫嫌U PS肥JB命由气BE ffffl ERDB锥岫E SO.图4 (n+1 )并联冗余UPS配置的电气原理框图和可靠性框图。UPS系统的可靠性(n+1)并联冗余UPS系统的MTBF (即MTBF(n+1)UPS+SBS )的计算：我们将从计算故障率的公式着手：入(n+1)UPS+SBS=(入UPS1/入UPS2入UPS(n+1) + (n+1)入PBUS+(入SBS1/入SBS2“/入SBS(n+1) (E.3)入(n+1)UPS+SBS (n+1)入PBUS (E.4)MTBF(n+1)UPS+SBS = 1/人(n+1)UPS+SBS (E.5)

10、A(n+1)UPS+SBS = MTBF(n+1)UPS+SBS / MTBFUPS+SBS +MTTRUPS (E.6)故障率：可靠性：利用率：(译者注：公式(E.6)有误，分母上似乎应加括号。原文如此)(n+1)并联冗余UPS系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行 总线是唯一的单点故障。在并联冗余UPS系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。这里，将采用下列常数，对并联冗余UPS系统进行一些计算：MTBFM = 50 小时，该指标表示“优质”的电网供电电源入PBUS = 0.4-10-6

11、 小时-1并联冗余配置可靠性(MTBF)故障率(入)(1+1)冗余配置1,250,000 小时0.810-6 小时一1(2+1)冗余配置830,000 小时1.210-6 小时一1（3+1）冗余配置625,000 小时1.6T0-6 小时-1（4+1）冗余配置500,000 小时2.010-6 小时一1（5+1）冗余配置420,000 小时2.410-6 小时一1表1 （n+1）冗余配置的MTBF及故障率，n=1,2,3,4和5结论在单UPS电路结构（整流器，电池及逆变器）的情况下，UPS的可靠性主要取决于逆变器 的可靠性。通过引入静态旁路开关，即备用的电网供电电源，假如电网供电电源的MTBF

12、为50 小时（优质），而UPS的MTTR为6小时，则可靠性将提高6倍。可惜这一可靠程度仍然不足， 因为它仍在很大程度上取决于电网原先的可靠性，依赖于售后服务的质量（回应客户的速度， 交通耗时，修理时间等）。现代紧要的用电设备，对于可靠性的要求极其苛刻，不能受制于电 网质量和修理时间。为克服原始电网的制约，我们建议采用（n+1）并联冗余UPS配置。传统的 独立（n+1）并联冗余UPS配置，有一个缺点，即UPS的修理时间较长（通常6-12小时）。采用 了模块化可带电更换的（n+1）并联冗余UPS系统，要求苛刻的负载设备就完全不受电网影响： 不必将其余UPS模块转接到原始电网，就能更换故障UPS （

13、带电更换）。而且，更换模块最多只 需0.5小时。这与传统的并联系统相比，极大地减少了修理时间。UPS系统的可靠性以下将介绍一个例子，对几种不同的UPS配置进行比较，它说明，正确选择系统/配置， 对于可靠性和利用率，会带来多么大的影响。举例：传统的独立（1+1）冗余UPS配置与模块化（4+1）冗余UPS配置，在利用率方面 的比较图5给出了两种冗余UPS配置的框图。左面的系统为，由传统独立UPS组成的（1+1）冗 余配置，而右面的系统为，由模块化可带电更换UPS组成的（4+1）冗余配置。（1+1）冗亲日己置 剂fi立 UPS1（）利用率4+P冗途痒.C松魄化可带电更laokvt负霰评价UPS配置的

14、可靠性时，利用率（A）是一个重要的参数。A的定义如下:_ MTBFq-k3= Mi-百f云罕SiffK UPS系统的可靠性由公式（E.7）可见，一个UPS的可靠性，取决于：MTBFUPS =某一 UPS配置，两次故障 之间的平均时间MTTRUPS = UPS的平均修复时间。表2所示，为图5中的两种UPS配置，利用 率之间的比较。注意，这里考虑两种情况：情况1：两种UPS配置，具有相同的平均修复时间：MTTRUPS = 6 小时情况2：对传统独立UPS配置：MTTRUPS = 6 小时，而可带电更换模块化UPS配置：MTTRUPS = 0.5 小时（1+1）冗余配置（4+1）冗余配置情况1MTB

15、F1,250,000 小时500,000 小时MTTR6 小时6 小时利用率0.9999952 （5 个 9）0.9999888（4 个 9）情况2MTBF1,250,000 小时500,000 小时MTTR6 小时0.5 小时利用率0.9999952 （5 个 9）0.9999990（6 个 9）说明：情况1：在两种冗余配置MTTR相同的情况下，（1+1）冗余配置的利用率高于（4+1）冗 余配置。之所以如此明显，是由于（1+1）冗余配置的MTBF高于（4+1）冗余配置。情况2：具有较长MTTR的（1+1）冗余配置的利用率，可能低于具有较短MTTR的（4+1） 冗余配置。结论从上述情况可见，为达到高利用率，参数MTTR有多么重要。要是上述某一冗余配置中， 有一个UPS发生故障就不再存在冗余度（低利用率状态），那么就必须尽快修理/更换损坏的另 件/模块，以便重建冗余度（高利用率状态）。使用瑞士 Newave公司的CONCEPTPOWER-模块化 UPS，就能够达到最短的MTTR数值，从而达到最高的利用率，甚至在大量的模块并联配置的情 况下也一样。