本文介紹了業(yè)界UPS各種主流的并機(jī)技術(shù),并對(duì)不同并機(jī)技術(shù)的并機(jī)控制軟件和連接硬件的可靠性進(jìn)行了建模分析,通過技術(shù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)熱同步并機(jī)技術(shù)可以解耦并機(jī)控制方式與并機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)性,從而得出了熱同步并機(jī)技術(shù)具有更高可靠性的結(jié)論。

一、引言

        UPS電源作為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,為IT和動(dòng)力負(fù)載提供持續(xù)、穩(wěn)定、可靠的電力保障,已成為影響數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)可靠性的最核心要素。隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展、信息化需求不斷增加、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的出現(xiàn),數(shù)據(jù)出現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)迫使數(shù)據(jù)中心迅速提升自身規(guī)模,從而帶來(lái)了數(shù)據(jù)中心UPS供電容量的大幅度提升。以目前電力電子技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r看,UPS單機(jī)容量已不能滿足數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)對(duì)大容量的需求,為解決這一容量瓶頸問題,業(yè)界普遍采用了UPS并聯(lián)的運(yùn)行方式。但是UPS的并聯(lián)運(yùn)行存在并機(jī)同步、并機(jī)均流以及并機(jī)響應(yīng)速度等多方面問題,如處理不好就會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果,因此對(duì)并機(jī)系統(tǒng)可靠性的研究已成為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)得重要問題。

二、UPS并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行方式分析

圖1是一個(gè)典型4臺(tái)UPS組成的并機(jī)系統(tǒng),下面對(duì)其運(yùn)行方式進(jìn)行描述。

        圖中UPS1～4在配電上共用輸入和輸出交流母線,組成一個(gè)在物理結(jié)構(gòu)上的并聯(lián)系統(tǒng),通過并機(jī)控制軟件和并機(jī)連接硬件交互數(shù)據(jù)將原本獨(dú)立的UPS主機(jī)在邏輯上組成一個(gè)有機(jī)體。實(shí)現(xiàn)并機(jī)系統(tǒng)再理想狀態(tài)下各UPS單機(jī)輸出同步,輸出電壓、輸出電流和輸出頻率一致,不存在超前、滯后現(xiàn)象;各單機(jī)之間不存在“環(huán)流”問題;并機(jī)系統(tǒng)中正常工作時(shí),各UPS均分負(fù)載,不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)中某臺(tái)負(fù)載率過高出現(xiàn)轉(zhuǎn)旁路的情況,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),每臺(tái)UPS可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的輸出功率;在并機(jī)系統(tǒng)中某一臺(tái)出現(xiàn)故障后會(huì)主動(dòng)退出并機(jī)系統(tǒng)并且不會(huì)影響整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此,可靠的并機(jī)控制軟件和并機(jī)連接硬件是并機(jī)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的核心。

三、UPS不同并機(jī)方式可靠性分析

        下面介紹業(yè)界主流UPS廠家的并機(jī)技術(shù)，并對(duì)其并機(jī)控制軟件和并機(jī)連接硬件的可靠性進(jìn)行分析。

01分為主從方式和對(duì)等控制方式

1. 主從控制方式

        主從控制方式根據(jù)主機(jī)產(chǎn)生方式分為傳統(tǒng)型主從控制方式和改進(jìn)型主從控制方式。

傳統(tǒng)型主從控制方式

        主從控制方式即在UPS并機(jī)系統(tǒng)中選出一臺(tái)UPS作為控制主機(jī),系統(tǒng)中剩余的UPS作為從機(jī)。
        主機(jī)通過相應(yīng)子功能模塊完成電流、電壓、頻率的同步并向從機(jī)發(fā)布同步命令,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步和負(fù)載的均分,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
        在負(fù)載發(fā)生變動(dòng)的時(shí)候主機(jī)會(huì)進(jìn)行計(jì)算對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算和調(diào)節(jié)后重新發(fā)出各種指令給從機(jī)完成負(fù)載的重新分配和同步控制。
        傳統(tǒng)的控制算法在控制主機(jī)的選擇上,采用按著預(yù)先設(shè)定好的方式,一旦控制主機(jī)失效,系統(tǒng)將按著預(yù)先約定的順序?qū)⒅鳈C(jī)轉(zhuǎn)移到備用主機(jī)上。

改進(jìn)型主從控制方式

        在傳統(tǒng)型主從式控制中,一旦備用主機(jī)沒有按約定的順序啟動(dòng),當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)中各臺(tái)UPS無(wú)法實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的重新分配即無(wú)法做到同步。導(dǎo)致某臺(tái)UPS過載轉(zhuǎn)旁路隨后整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為旁路工作,此時(shí)系統(tǒng)將處于不可靠狀態(tài)。
        改進(jìn)型主從控制算法在主機(jī)的選擇方式上不在僅依靠一臺(tái)備用主機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的備份控制,可以根據(jù)實(shí)際需要采用特定控制機(jī)制隨機(jī)選舉產(chǎn)生一個(gè)新的主機(jī),系統(tǒng)中的任何一臺(tái)主機(jī)都有可能成為新的控制主機(jī),改進(jìn)型主從控制算法相對(duì)于傳統(tǒng)型控制算法在主機(jī)的選擇機(jī)制上進(jìn)行了改進(jìn),但由于這種方式系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)UPS都有可能被選舉成為新的控制主機(jī),因此每臺(tái)UPS上必須擁有主機(jī)控制的相關(guān)算法和實(shí)時(shí)對(duì)主機(jī)控制狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,因此對(duì)控制器的運(yùn)算速度、實(shí)時(shí)響應(yīng)能力要求比較高。
        從以上對(duì)傳統(tǒng)型主從控制方式和改進(jìn)型主從控制方式的分析可知,主從控制方式主機(jī)生成程序的可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用。主從控制方式控制軟件的任一子功能模塊出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。在邏輯上各子功能模塊是串聯(lián)關(guān)系。為更直觀表達(dá)和簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)并機(jī)控制軟件內(nèi)各種子功能是在統(tǒng)計(jì)上是相互獨(dú)立的,此時(shí)可靠度數(shù)學(xué)模型為:

        其中RS(t)為并機(jī)控制軟件系統(tǒng)可靠度,m為并機(jī)控制軟件子功能模塊數(shù)量(注:子功能模塊含主機(jī)產(chǎn)生、負(fù)載均分、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等功能模塊),Rj(t)為并機(jī)控制軟件子功能模塊可靠度。
2. 對(duì)等控制方式

        對(duì)等控制方式又稱為“下垂式”控制算法,UPS業(yè)內(nèi)稱之為“熱同步”并機(jī)技術(shù)(后文將以熱同步并機(jī)技術(shù)代稱對(duì)等控制方式)。熱同步并機(jī)技術(shù)僅需關(guān)注UPS單機(jī)逆變器輸出端電壓變化量ΔU和電流變化量ΔI,以及ΔU×ΔI正負(fù),即可通過自適應(yīng)控制算法完成輸出的同步、工作狀態(tài)的判斷;實(shí)現(xiàn)并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)UPS主機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)負(fù)載的均衡響應(yīng)。
　　
例如,對(duì)狀態(tài)的判斷可通過下面的方式:
　　
UPS輸出電流ΔI>0,輸出電壓ΔU<0,ΔU×ΔI<0即代表負(fù)載增加;
　　
UPS輸出電流ΔI<0,輸出電壓ΔU>0,ΔU×ΔI<0即代表負(fù)載減小;
　　
UPS輸出電流ΔU,輸出電壓ΔI同方向變化,ΔU×ΔI>0,即代表處于故障狀態(tài),將自動(dòng)從輸出母線中脫機(jī)退出,系統(tǒng)中剩余正常工作的UPS將均分此臺(tái)UPS的功率。
　　
        使用熱同步并機(jī)技術(shù)并機(jī)UPS主機(jī)之間無(wú)需數(shù)據(jù)交互通訊即可完成并網(wǎng)輸出。因其不涉及UPS主機(jī)間的協(xié)調(diào)控制問題,無(wú)相應(yīng)的并機(jī)控制軟件,因此其可靠度等于“1”即

　　
其中RS(t)為并機(jī)控制軟件系統(tǒng)可靠度。

02、并機(jī)連接硬件

一套并機(jī)連接硬件包括并機(jī)控制線、控制接口及接口板等,實(shí)現(xiàn)方式上分為有線并機(jī)方式和無(wú)并機(jī)線并機(jī)兩種方式。

有線并機(jī)方式根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單鏈形連接和環(huán)形連接兩種方式,以圖1為例對(duì)兩種方式進(jìn)行說(shuō)明

單鏈形連接

單鏈形是通過一組并機(jī)連接硬件將兩臺(tái)或多臺(tái)UPS連接起來(lái)組成鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)圖1采用該方式時(shí)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,這種方式各臺(tái)主機(jī)之間類似串聯(lián)工作方式,當(dāng)其中一個(gè)硬件出現(xiàn)問題是將會(huì)導(dǎo)致部分從機(jī)失去通信。

假設(shè)系統(tǒng)中有N臺(tái)UPS并聯(lián),各連接硬件之間在統(tǒng)計(jì)上是相互獨(dú)立的,不考慮UPS主機(jī),僅考慮并機(jī)控制線的可靠度,此時(shí)可靠度數(shù)學(xué)模型為:
　　

　　
其中Rh(t)為并機(jī)連接硬件的系統(tǒng)可靠度,N為系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)UPS的數(shù)量、N-1為并機(jī)控制線的數(shù)量,Rι(t)為每條并機(jī)控制線的可靠度。

環(huán)形連接

各臺(tái)UPS通過并機(jī)連接硬件首尾相連即組成環(huán)形連接,當(dāng)圖1采用該連接方式時(shí)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示,當(dāng)任一套并機(jī)連接硬件出現(xiàn)故障時(shí),控制信息還可以從剩余路徑到達(dá)目的從機(jī)。只有當(dāng)兩套及以上并機(jī)連接硬件出現(xiàn)問題時(shí),才會(huì)使部分從機(jī)失去通信。

假設(shè)系統(tǒng)中有N臺(tái)UPS并聯(lián),各連接硬件之間在統(tǒng)計(jì)上是相互獨(dú)立的,不考慮UPS主機(jī),僅考慮并機(jī)控制線的可靠度,此時(shí)可靠度數(shù)據(jù)模型為:

　　
其中Rh(t)為并機(jī)連接硬件的系統(tǒng)可靠度,N同時(shí)表示系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)UPS數(shù)量和并機(jī)控制線的數(shù)量,Rι(t)為每條并機(jī)控制線的可靠度。
　　
有線并機(jī)除了傳統(tǒng)通信線纜之外,為了降低電磁干擾、提高可靠性有的廠家還使用了光纖。

無(wú)并機(jī)線并機(jī)根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為無(wú)線并機(jī)方式和熱同步并機(jī)兩種方式

無(wú)線并機(jī)方式

無(wú)線并機(jī)方式如圖4所示。在并機(jī)系統(tǒng)中任意選取一臺(tái)UPS作為主機(jī),其余UPS作為從機(jī),主機(jī)和從機(jī)上均裝有無(wú)線收發(fā)裝置,在數(shù)據(jù)中心中電磁環(huán)境較為復(fù)雜,很容易受到干擾,在考慮可靠性的前提下該并機(jī)方式很少被采用,本文不再對(duì)其進(jìn)行建模分析。

熱同步并機(jī)方式

熱同步并機(jī)方式因并機(jī)系統(tǒng)中各UPS主機(jī)之間無(wú)信息需要傳遞，無(wú)控制連接硬件。此時(shí)可靠度為
　　

　　
其中Rh(t)為并機(jī)連接硬件系統(tǒng)的可靠度。

03、系統(tǒng)可靠性分析

依據(jù)參考文獻(xiàn)1《數(shù)據(jù)中心UPS供電系統(tǒng)中并機(jī)臺(tái)數(shù)與可靠性的關(guān)系分析》，UPS并機(jī)數(shù)量與并機(jī)控制軟件、并機(jī)連接硬件之間為邏輯關(guān)系如圖5所示。
　　圖片
圖中:Pi為UPS并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)并聯(lián)關(guān)系的相關(guān)子系統(tǒng)(例如:并聯(lián)UPS數(shù)量);
　　
Si為UPS并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)串聯(lián)關(guān)系的相關(guān)子系統(tǒng)(例如:并機(jī)連接硬件、并機(jī)控制軟件)。
　　
另外從該文獻(xiàn)中可知“N+1”(N為非冗余主機(jī)數(shù)量,1為冗余主機(jī)數(shù)量)系統(tǒng)并機(jī)數(shù)量與可靠性關(guān)系數(shù)學(xué)模型如下式

　　
式中RB(t)為“N+1”系統(tǒng)中與UPS并機(jī)數(shù)量有關(guān)的可靠度、Ri(t)為單機(jī)的可靠度、N為并機(jī)系統(tǒng)中非冗余主機(jī)數(shù)量。
　　
因此,UPS并聯(lián)系統(tǒng)可靠性可用下式表示:
　
下面以“N+1”并機(jī)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析:

當(dāng)系統(tǒng)為“N+1”并機(jī)系統(tǒng)、采用主從控制方式,使用單鏈形連接時(shí),結(jié)合式(1)、(3)、(6)和(7),并機(jī)系統(tǒng)的可靠度數(shù)學(xué)模型可表示為

　　
式中R(t)為并機(jī)系統(tǒng)可靠度。

當(dāng)系統(tǒng)為“N+1”并機(jī)系統(tǒng)、采用主從控制方式,使用環(huán)形連接時(shí),結(jié)合式(1)、(4)、(6)和(7),并機(jī)系統(tǒng)的可靠度數(shù)學(xué)模型可表示為

當(dāng)系統(tǒng)為“N+1”并機(jī)系統(tǒng)、使用熱同步并機(jī)方式時(shí),結(jié)合式(2)、(5)、(6)和(7),并機(jī)系統(tǒng)的可靠度數(shù)學(xué)模型可表示為

　　
此時(shí)系統(tǒng)可靠度與主機(jī)僅考慮并聯(lián)數(shù)量的可靠度相等。
　　
為更加直觀的說(shuō)明“N+1”系統(tǒng)可靠性與并機(jī)控制軟件和連接硬件可靠性的關(guān)系,將式(8)、(9)和(10)所對(duì)應(yīng)的曲線繪制在同一坐標(biāo)系中,如圖6所示。
　　圖片
圖中縱坐標(biāo)是系統(tǒng)可靠度(假設(shè)單機(jī)可靠度Ri(t)為0.9，并機(jī)連接硬件可靠度Rh(t)為0.97，并機(jī)控制軟件系統(tǒng)可靠度RS(t)為0.95)，橫坐標(biāo)是“N+1”UPS系統(tǒng)中“N”的數(shù)量。
　　
“熱同步并機(jī)”曲線是根據(jù)式(10)繪制,即使用熱同步并機(jī)方式,不需考慮連接并機(jī)連接軟件和硬件的系統(tǒng)可靠性的影響,僅考慮并機(jī)UPS數(shù)量的可靠度曲線。從圖中可看出在“1+1”并機(jī)時(shí)系統(tǒng)可靠度最高,隨著并機(jī)數(shù)量的增加而逐漸降低。
　　
“主機(jī)單鏈并機(jī)”曲線是根據(jù)式(8)繪制,即并機(jī)硬件采用單鏈形連接的方式,考慮并機(jī)UPS數(shù)量以及并機(jī)連接軟件影響的可靠度曲線。從圖中可以看出由于并機(jī)控制軟件和并機(jī)單鏈連接方式的加入使“主機(jī)單鏈并機(jī)”可靠度曲線在數(shù)值上始終小于“UPS主機(jī)”可靠度曲線。
　　
“主機(jī)環(huán)形并機(jī)”曲線是根據(jù)式(9)繪制,即并機(jī)硬件采用環(huán)形連接的方式,考慮并機(jī)UPS數(shù)量以及并機(jī)連接軟件影響的可靠度曲線;從圖中可以看出“主機(jī)環(huán)形并機(jī)”可靠度曲線位于“主機(jī)單鏈并機(jī)”可靠性曲線和“UPS主機(jī)”可靠度曲線位置之間,可判斷環(huán)型并機(jī)方式可靠性略大于單鏈形并機(jī)方式的可靠性。但仍不能避免由于并機(jī)控制軟件和并機(jī)連接硬件加入對(duì)系統(tǒng)可靠性減低的影響。

四、結(jié)束語(yǔ)

        通過上述的各種并機(jī)技術(shù)分析可以看出,無(wú)論是傳統(tǒng)型主從控制方式還是改進(jìn)型主從控制方式,并機(jī)控制軟件都需要在UPS間傳遞控制信息,并聯(lián)系統(tǒng)軟件間存在強(qiáng)通信耦合;同樣,這些并機(jī)方式的連接硬件,無(wú)論是單鏈形連接還是環(huán)形連接也存在強(qiáng)耦合,進(jìn)一步導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)可靠性的降低。而熱同步并機(jī)技術(shù)的UPS間無(wú)信息交互、無(wú)硬件連接將單臺(tái)UPS從控制系統(tǒng)中解耦；并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)UPS主機(jī)間相互獨(dú)立，不存在主從屬關(guān)系，消除了主從控制方式中從機(jī)對(duì)主機(jī)的依賴；同時(shí)，并聯(lián)UPS主機(jī)運(yùn)行的控制軟件無(wú)關(guān)聯(lián)耦合，系統(tǒng)的可靠性與僅考慮并機(jī)UPS數(shù)量時(shí)的可靠性相等，因此熱同步并機(jī)技術(shù)相對(duì)于其它并機(jī)方式具有更高的可靠性。

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