1、引 言

模块化UPS因其具有可用度高，便于安装维护以及方便扩容而成为UPS未来的发展趋势。通信用开关直流电源的发展为UPS树立了榜样，DSP器件和控制技术的发展为模块化UPS提供了物质和技术基础。但是模块化UPS成本高以及实际运行可靠性不如理论计算值高的问题，需要进行深入研究，以求提高可靠性，降低成本，促进模块化UPS的发展。

2、模块化UPS的优势

UPS模块化被认为是UPS的发展趋势之一，模块化UPS与传统UPS相比具有如下优势：

2.1 通信用48V直流电源高频模块化为UPS模块化树立了榜样

90年代初期的可控硅SCR整流的相控电源还非常红火，如当时专为程控交换机配套的单机架整流器DZY02 48V/ 400A，该设备单机重量约1000kg，可以通过几个机架并联获得更大的系统容量。经过十几年技术和市场的发展，现在100A的高频开关整流器模块可以做到1.5U或者1/2*2U，重量不到10kg，一个19寸标准机架可以配置高达4000A系统。直流电源系统模块化应用成功为UPS模块化树立了榜样。模块化UPS系统是类似于目前通信用高频开关直流电源系统结构、由能完成UPS基本功能的可拔插功能模块组成的交流不停电供电系统。

2.2 DSP控制技术的发展和功能齐全的DSP芯片大规模商用为模块化UPS发展打下技术和物质基础

DSP控制方式是采用软件控制技术替代原来通过模拟器件实现的控制（如PID比例积分微分等原来通过电阻电容运算放大器等模拟器件来实现）。采用DSP控制，只要软件测试通过不存在BUG和防干扰做得比较好。如有用户担心出厂时各个并联UPS模块的均流特性很好，环流很小，但是在使用几年后均流特性变差，环流增大，这个在以前的模拟控制技术中比较普遍，而DSP控制技术应用将这种漂移降到最低。功能强大的DSP控制芯片出现以及DSP控制技术的发展为UPS模块化并联的发展提供了前提和基础。

2.3 模块化UPS具有更高的可用性

（1） 可靠性的指标和定义

对于UPS等大多数可修复的设备，只用可靠性指标描述其性能便不全面了，因为它并不能描述出设备在其整个使用寿命内的可用率。从用户角度讲，不但要考虑故障发生的概率，而且还要考虑故障的持续时间。

设备的维修时间MTTR是指设备从发生故障到恢复功能的时间，它由故障发生到故障检测时间、故障检测到故障发现时间、后勤保障时间、故障维修时间、恢复时间多个时间段组成。

故障率λ（即失效系数）：元器件或者功能模块或者系统出故障的概率。

平均无故障时间MTBF：mean time between failure，MTBF定义为利用数学统计方法计算出的设备在发生的两次故障之间的运行时间。

故障率λ是MTBF的倒数，…………………………公式1

平均维修时间MTTR（Mean time to repair）来表示。它是设备发生故障瞬间开始到通过维修而重新投入使用所需的平均时间。

修复率μ是MTTR的倒数，…………………………公式2

可用度Availability是一个可用性指标，可用度A与其它几个指标的关系： 

…………………………公式3

对于一般传统的双变换UPS系统，UPS有四种工作方式：正常在线双变换、电池逆变、自动旁路、手动旁路。四种工作方式的目的是为了提高UPS向负载供电的可用性。

 多台UPS并联的目的有二：提高系统的容量或增加系统的可用性。

从用户负载考虑，只要求保障UPS系统送到负载端的电压不间断地满足要求即可。如市电停电或者UPS整流器部分故障，只要在电池放完电之前市电能恢复或者整流器部分的故障能修复即可。也就是说尽管系统出现故障但没有影响供电。

（2） 单机或者模块的可用性计算

假设UPS单机或者模块的MTBF=5万小时，另分别假设MTTR为0.5小时、5小时、50小时、120小时，计算出系统的可用性为：99.9990%、99.990%、99.90%、99.76%。

对于上述MTTR时间假设，基于如下考虑：

A．假设用户自己在设备现场，用户备有可以供更换的备用模块，模块更换时间为30分钟，用户一发现问题就立即自己更换，则MTTR=30分钟。这是一种最理想最短的时间。

B．用户维护人员不在设备现场，模块一旦故障即可实时通知（如手机短信）用户维护人员，设备现场有可供更换用的备用模块，维护人员在5小时之内赶到现场并完成更换工作。此时MTTR=5小时。

C．用户自己没有备用模块，或者用户即使有备用模块但用户自己不能更换而需要厂家技术人员赶来更换，假设厂家承诺解决问题的时间为48小时 ，因为更换模块只30分钟，MTTR=48小时+30分钟≈50小时（便于计算方便）。

D．对于传统的立柜式UPS，需要厂家资深的工程师，带齐备品备件，假设响应时间48小时，现场维修时间3天，则MTTR=48h+3*24h=120h。

对于模块化UPS，采用第B种情况和C种情况比较合理，即MTTR=5h或者50h。

（3）“N+X”并联系统可用性模型和计算

定义“N+X”系统的任务剖面为系统提供正常的交流输出。

工作状态任务可靠性模型框图如图1所示。

                图1 系统任务可靠性框图

（N+X）个模块并联形成一个表决系统，在该系统中(N+X)个可靠度相同的单元组成并联结构，其中有N个单元正常工作，系统就可以正常工作。

对该表决系统，其可靠度和如公式4和公式5所示。

…………………………公式4

 …………………………公式5

可用性也是针对任务可靠性，该UPS系统的任务剖面也是由UPS模块提供正常的交流输出。

该UPS系统是一个表决模型，用等效MTBF、等效MTTR和可用度三个参数来表征该系统的可用性。

系统MTBFeqS1、MTTReqS1和可用度A S1如公式6、公式7和公式8所示。

…………………………公式6

…………………………公式7

…………………………公式8

根据上述公式可以计算出在MTBF1=5万小时，MTTR1=0.5小时时的“4+1”和“8+2”系统的可用度为：

                            表1

（4）模块化UPS便于装卸运输安装

传统的立柜式UPS是一个整体，单个机架就比较重，如容量100KVA的重量一般为1000kg左右，尺寸一般也超过2m³ ，若选用250KVA或功率更大的UPS，包装/运输/装卸/机房门或者走道偏小/电梯载重不够/楼层层板支撑力不够等都可能存在严重的问题。

传统大功率UPS的结构限制了只能采用立式包装和立式运输，大大限制了运输车辆的选择。而采用模块化UPS，2个～4个人力即能搞定机架，1～2人能搞定模块的安装，并且模块可以分开包装，机架可以卧式包装及运输。

（5）模块化UPS可维护性大大增强

传统的UPS维修成本高、备件到达周期比较长，且发生重大故障时，返回厂家运输困难，最重要的是影响负载设备的正常使用。如果选用模块化UPS，用户备用一个模块，如果设备发生故障，即使空运一个模块也不是很长时间。且UPS模块本身具有热拔插功能，可以在不中断负载供电以及确保人身安全的前提下更换故障模块。这样维护将变得方便并且成本低。

模块返回工厂维修与现场维修相比，不但维修成本更低，因为工厂有比较完善的监测措施，维修质量更可以得到保障。维修程序简洁畅通。

（6）模块化UPS，可以节省用户投资

经计算，10KVA容量的模块构成“4+2”系统给40KVA负载供电的平均年故障率为0.054%，而2个40KVA单机“1+1”并联系统的平均年故障率为0.09%，高于前者。而随着技术进步和模块化UPS批量，总容量60KVA的成本应该低于80KVA的成本。

据统计，用户的实际负载一般都比设计值小很多，负载率平均不到50%，设负载率为50%，则“4+2”系统变为“2+6”的系统，则平均年故障率将降低3个数量级，或者用户只需要“2+2”模块化系统即可满足负载要求，此时年故障率为0.011%，不到“1+1”系统的八分之一。

（7）模块化UPS，可以便于用户以后扩容（可升级性）

如果系统初期的不是满配置，以后增加模块扩容将比较容易，初期规划确保这种配置能够随负载的逐步增加而扩容，并且充分考虑在供电系统扩容过程中对原有负载的不间断供电。

（8）模块化UPS能缩短工程安装周期

同型号模块组成不同容量的系统时，机架式并联功率电缆和信号电缆都在出厂时布好，因此现场工程安装布线简单。而传统UPS各种容量的尺寸不同，并机时存在并机电缆现场的制作和连接，将比较麻烦。

（9）模块化UPS便于厂家系列化产品推出

假设采用20KVA的模块组成系统，则可以组成20/40/60/80/100KVA…的系统，反过来如果是单机系统，则需要各个系统容量分别开发，厂家投入开发费用和时间增加，而这些费用将最终转嫁到用户身上。

（10）模块化UPS便于厂家采购材料和生产备货

供货期有保证：对于大功率UPS，用户具体需要哪个功率无法确定，可能供应商库存有60KVA机器，但是用户却来一个80KVA订单，而大功率UPS的生产周期比较长（一般需要1个月），但用户需求时间一般是10天半月甚至现货，如果是模块化UPS，则不存在问题，只要库存一定数量的模块和通用机架便可。

制造商元器件备货方便：不同容量的单机UPS采用的功率器件和磁性元件不同（IGBT/SCR/接触器/变压器/电感等容量不同），厂家库存这些元器件给大规模定制带来麻烦。而采用模块化UPS的不同容量的系统，其中采用的元器件相同，便于规模采购从而降低成本，最终让利于UPS用户。UPS模块化将在生产量、成本的节约、产品的质量以及交货速度等各方面都取得了飞跃性的进步。

我们还应注意到，批量生产还存在着另一个重要的目的：除了便于产品的组装之外，另一个优势是生产可互换部件。

（11）模块化UPS便于售后维护

如果用户备有备用模块则用户自己可以检测判断更换。如果用户没有备用模块，厂家邮寄模块也比较方便或者厂家维护人员随身携带都可以。模块化UPS现场只需更换模块而无须现场打开外壳维修。

对于采用了相同型号的模块组成几个不同容量模块化的UPS系统用户，模块的通用为用户维护带来便利。更换故障模块轻松搞定。

模块化UPS采用热拔插技术，能将故障情况限制在供电系统的最小范围（功能模块）内，因而在进行维修服务时无需系统停止其负载的正常运行。

（12）模块化UPS省电

一般来说UPS是在一定负载范围内的效率才比较高，而在负载比较少时效率比较低。据调研，实际用户的负载率在10—40%之间的概率大约占61%，假设用户使用模块化UPS，系统根据负载大小，在保证一定冗余的基础上，可以休眠一个或者2个模块（可以手动或者设置自动），让UPS系统工作在效率比较高的区域。

 设模块在负载率20%UPS效率为85%，负载率40%时UPS效率为90%，对于首期实际40KVA/32KW但是终期设计容量100KVA/80KW系统，有2种配置：

1．采用2个100KVA /80KW的UPS并机，则首期正常时负载率为20%，终期有一台故障时负载率为100%(如果终期一台负载率大于80%时，系统需要考虑扩容)。初期系统正常时耗电32KW/80%=40KW；

2．采用“5+2”个20KVA/16KW的模块并机，可计算得到，“5+2”系统的可用性比“1+1”系统的可用性稍高（在满载条件下可用性比例是9/8左右，如果负载率小，则相当于“2+5”，可用性比例更高）。则首期正常时休眠2个模块，则为“3+2”系统，此时负载40KVA/100KVA=40%，终期可以全部模块投入使用。此时正常时耗电32 KW/90%=35.55KW。

第2种配置的耗电比第一种配置的耗电低4.45KW。

（13）模块化UPS便于与主设备一起安放，占用更小的机房面积

运营商越来越关注整体运行成本“TCO（Total Cost of Ownership）”，除了首期的设备购买成本，还有房租、电费以后维护等综合成本。设备占用机房面积的租金也成为合同评标的一项重要组成部分，10年的机房租金远超过纯设备的价钱，所以在选择电源解决方案的时候运营商倾向于选择机房面积占用小的。一个机架可达4000A模块化的通信用高频直流电源系统，与一个机架400A的传统相控电源系统占用一样的机房面积。如果UPS能与主设备并排，占用较小的机房面积，UPS产品的竞争力会更强。

传统UPS因为容量/变压器等尺寸限制，不同容量的机器高矮不同，并且没有标准。如果放置在主机房显得不很整齐和美观，如果采用模块化UPS，则可以采用与主设备（目前通信领域大部分负载为嵌入机架的19英寸42U服务器）相同尺寸。这样可以让机房的所有设备显得浑然一体。

（14）与油机兼容性好

相对传统相控UPS，因为模块化UPS 都采用有源功率因数矫正，输入功率因数PF值能达到0.99，输入电流谐波THDI能小于5%，便于与油机兼容，降低油机容量与UPS容量的比例，降低用户供电保障系统的总投资。

（15）模块化UPS同样适用于双路电源方式，在同样数量级的可用度时，成本比传统双路供电方案低

针对目前服务器等关键设备一般采用双交流电源来保障，当其中一个电源故障，服务器还能工作。对于传统UPS而言，采用4台UPS组成“1//1+1//1）”系统给负载供电，当负载容量小于1台UPS容量时，可以达到双倍备份的可用度指标。对于模块化UPS，则2架UPS系统可以接近达到双倍备份的可用度指标。后者的成本节约将近一倍。

3、模块化UPS存在的问题

3.1 模块化UPS在客户中认可度不高

直流电源并联很简单，电压幅值相同、极性相同即可，因电流本身单向，均流技术也比较容易，存在环流问题。而2路或者多路交流电源的并联存在同幅值、同频率、同相位、同波形等多个参数，电流本身的双向造成均流将变得非常复杂。模块化UPS的可用性高出普通传统UPS的数倍甚至数十倍。但从模块化UPS上市至今有近10年的历史，确实有一些品牌的模块化UPS的故障率较高。因而目前模块化UPS在客户中特别是高端客户的认可度不太高。因此，实实在在地提高模块化UPS可靠性及可用性是提高客户认可度的必要前提。

3.2 价格高

模块化UPS的技术难度大，厂家投入研发的成本很高，厂家为了收回投资成本，则定价高于普通传统的UPS。随着国内厂商的研发投入，技术的进步将带来可靠性的提高，模块化UPS更利于大规模定制，则成本将呈相对下降趋势。

3.3 无输出隔离变压器问题

隔离变压器是指输入和输出之间没有电气连接。模块化UPS的模块内部一般都不具有工频隔离变压器。

3.3.1 传统UPS中的隔离变压器不能解决N-PE电压不为零问题

UPS都具有转旁路功能的静态开关，静态开关只是将负载在逆变电压和旁路电压的火线之间切换，而对中线是不切换的，也就是说UPS的输出中线与输入中线是电气连接一起的。既然是电气连接，UPS本身就无法将UPS的输出N-PE电压降低的。

3.3.2 在负载端加隔离变压器可解决零地电压高问题

传统工频UPS也无法解决零地电压高问题。零地电压高的原因是由于三相负载不平衡或者负载中有谐波电流，而零线有线路电阻造成。有4个方法降低零地电压：一是将三相中各相负载平均配置，二是减少谐波电流大的负载，三是加粗零线，最彻底的方法是在负载前端侧增加一个隔离变压器比在UPS侧增加隔离变压器的效果更佳（否则，如果负载输入存在谐波电流，则在UPS输出端到负载输入端之间存在零线上的压降而又会造成的零地电压）。

3.3.3 无隔离变压器的UPS应用越来越广泛

（1）计算机负载对中线和火线是要求与处理是相同的

国际办公产品安全规则（如IEC950和UL1950）禁止对中线和火线采取不同的处理措施，只要看计算机中电源原理图就知道电源火线和零线是以同样的方式连接到同一电路中，并且是可以互换的。这说明要求N-PE电压低，也不可能做到L-PE电压低。

（2）计算机不能把中线用作逻辑参考点

所有的安规如UL、TUV不容许把中线作为逻辑参考点，安规规定逻辑参考点与火线或中线的距离要有1/2cm，不能有任何电路上的连接。

（3）隔离变压器不能消除地线问题

国际办公产品安全规则（如IEC950和UL1950）要求隔离变压器只能用来隔离中线或火线，保护地线是不经隔离变压器直接通过。因为计算机电路（数据通信电路）是和保护地线而不是中线相连，所以隔离变压器及带隔离变压器的UPS对解决地线问题毫无作用。

（4）电网中线噪声不会耦合到计算机电路中

国际办公产品安全规则（如IEC950和UL1950）禁止电源线和计算机电路之间有任何有意的耦合电路。但通过电磁场可能会有无意识的耦合，如射频干扰这种耦合能起作用的波长必须相当或小于计算机或网络的实际尺寸。频率为几十MHZ。可用共模滤波器滤去这种干扰。

（5） “硅”替代“铜钢”的是UPS发展的另一个趋势

金属材料成本越来越高，利用半导体“硅”变换技术来提高UPS的性能指标，替代笨重隔离变压器“铜钢”是技术所趋，形势所逼。各大厂家开始纷纷主推立柜式的不含隔离变压器的大功率高频机就是事实。

4、将进行的研究课题

 为了确实提高模块化UPS的可靠性，促进模块化UPS的发展，中国通信标准化协会发文批准立项，开展《通信用模块化不间断电源》的研究课题项目（项目编号：2007B13）（见通标发2007 第19号文件，关于印发中国通信标准化协会2007年第一批技术报告制定项目和研究课题项目计划的函），着重研究如下5个问题：

1）需要解决各模块的故障隔离性；

2）需要解决元器件的飘移对系统的影响；

3）提高模块化UPS系统的抗冲击能力方面；

4）模块化UPS的电池管理方面；

5）关于并联环流等参数的限制。

5、结 语

模块化UPS与传统UPS相比有诸多优点，代表UPS的发展方向之一，但目前还存在成本高，部分产品实际的可靠性并不如理论计算值高，对模块化UPS的研究将有利于促进模块化的可靠性提高，从而提高模块化UPS在客户中的认可度，加快模块化UPS的发展。