基于UPS電源供電系統可用性的概念，分析了不間斷電源的內部設計、不間斷電源系統的配置以及相關的配電結構，并給出了提高不間斷電源系統可用性的方法。
不間斷電源是工業領域負載斷電保護的關鍵設備。對于電源故障保護，不同的負載應用有兩種類型。一個是普通的電腦設備。停電時，UPS電源需要為負載提供幾分鐘到十分鐘的備用供電時間。在這個備份時間內，加載設備會進行數據存儲等動作，防止數據丟失，然后加載會關閉。UPS達到備份時間后，負荷仍會被切斷，但這不會造成經濟損失。另一種是在數據中心、工業應用等場合，對UPS的要求是真正的不間斷供電，而UPS系統必須提供全年24小時不間斷供電。本文對可靠性和可用性的討論就是針對這種情況。
電源的可靠性通常可以用MTBF(平均故障間隔時間，或平均故障間隔時間，以小時表示)來表示，還有一個更容易理解的指標AFR(年故障率)。AFR與MTBF成反比關系，即AFR=8760/MTBF。因此，MTBF越長，年故障率越低。
對于可修復系統，還有另一個可用性指數，定義為A=MTBF/(MTBF MTTR)，其中A是百分比指數，MTTR是修復故障的平均時間。如果系統在發生故障時能夠非常快速地恢復，那么系統的可用性指數會更高。對于電網這樣的對象，利用可用性指數可以更直觀地衡量其可靠性。然而，對于關鍵場合經常使用的并聯冗余配置，可用性指標比可靠性指標更實用。
可靠性/可用性指標都是統計學意義上的概念，電力系統的可靠性/可用性和構成系統的每個模塊的可靠性/可用性之間也存在統計相關性。
假設電源系統中有兩個電源模塊，由并聯，操作，其中一個單獨于另一個，如下圖所示。
然后，如果我們檢查結合這兩個模塊的系統的可用性Asys與每個模塊的可用性A1和A2之間的關系，則存在Asys=1 (1AFR 1)(1AFR 2)。另一種可能是系統中的兩個模塊串聯，如下圖所示。
那么在這兩個模塊的組合系統的可用性Asys和每個模塊各自的可靠性A1和A2之間存在關系。
Asys=A1A2因為可用性必須介于0和1之間，所以兩個并聯模塊的總體可用性高于它們各自的可用性，而兩個系列模塊的可用性低于它們各自的可用性。
不間斷電源的可靠性
從單個UPS的設計來看，整個產品可以分為多個模塊。下圖是典型的UPS系統結構圖。
從圖中可以看出，不間斷電源各模塊之間的依賴關系是復雜的，但并聯之間的關系仍然可以劃分如下：
輔助電源與所有其他模塊串聯，因此輔助電源的可用性直接限制了系統能夠達到的更高可用性水平；
控制模塊與輔助電源以外的其他模塊串聯，因此控制模塊的可用性將直接影響系統的整體可用性設計。
對于負載側，只有旁路模塊和逆變器模塊可以直接連接，這兩個模塊來自并聯
PFC/整流器模塊和電池升壓模塊為并聯，然后與逆變器模塊串聯；
從能源提供商的角度來看，旁路電源和商用電源是兩個單獨的電源，電池能量由商用電源通過充電模塊提供。如果充電模塊出現故障，電池將沒有儲能，實際上無法實現正常的UPS功能，所以市電-充電模塊-電池也是串聯的。這樣就可以畫出整個UPS系統可用性串的并聯路徑圖。
從這個路徑關系中，我們可以看到并聯，總共有三條路徑，每條路徑都由幾個模塊串聯起來。就像前面的分析一樣，輔助電源和控制模塊的可用性在所有路徑上都是串聯的，所以如果兩者的設計都有缺陷，那么UPS的可用性不可能很高。電池回路串聯模塊數量更多，也是可用性更低的路徑。
要提高系統的可用性，首先要提高關鍵路徑的可用性。從路線圖可以看出是控制模塊和輔助電源。輔助電源是整個不間斷電源的關鍵。如果輔助電源不工作，整個UPS就會癱瘓。提高輔助電源可用性的方法有很多：一是提高設計和MTBF；一是將并聯冗余設計應用于輔助電源，以提高可用性；另一種是對UPS的三種可用路徑使用不同的輔助電源，相當于將原來完全串聯的路徑改為并聯，這些方法可以在UPS設計中混合使用。由于以上三個可用性通道均來自并聯，而旁路通道本身是可用性更高的一個，所以更推薦的設計是優先提高旁路，的可用性，單獨為旁路使用一套輔助電源，并且盡量使用簡單的設計讓這個電源具有高MTBF。
控制模塊也是影響所有路徑的關鍵點，必須具備高可用性。參考輔助電源的處理方法，相對單獨的旁路路徑也可以配備單獨的控制模塊，配合其他控制功能，可以達到高可用性。同樣，旁路上的控制模塊應該盡可能簡單，以提高可靠性。推薦的方法是，旁路控制模塊不斷檢查不間斷電源主控制模塊的狀態，如果找到主控制模塊，它將自動切換到旁路模式。此外，對于主控模塊，還可以通過冗余提高可用性，比如采用雙MCU結構，當一個MCU檢測到另一個MCU出現故障時，可以接管另一個MCU的功能，或者采取旁路等應急措施，保證負載不間斷。對于UPS來說，電池是保證UPS在市電或旁路停電時能夠繼續維持供電的關鍵，但串聯環節更多，這恰恰是可用性更弱的環節。一般電池規格會注明充電電流不要超過0.15CC，也就是說UPS完全放電后電池需要多次充電。從這個意義上說，它的可用性一般在20%以下。但由于電池不連續工作，只要完前市電源放電后電池恢復，再充電時不停電，就不會影響負載。從這個角度來看，即使只有短暫的停電，電池的可用性仍然很高。
重新檢查電池電路的可靠性，電池和電源之間有充電器模塊連接。如果充電器損壞，電池一次放電后無法充電，導致下次市電停電。但充電器只在電池需要充電時才工作，因此如果能及時監測充電器的狀態，并在充電器出現異常時及時報警，就可以避免充電器故障帶來的問題，從而提高整個UPS的可用性。電池也是如此。電池在多次使用后也會面臨容量下降和失效的問題。但如果通過電池狀態監測發現電池故障并及時更換，也能有效提高UPS的可用性。
不間斷電源系統的可靠性
因為UPS不是一個單獨的應用系統，需要結合其他環境因素，所以這些外部因素也必須考慮在內。如前所述，UPS電池的待機時間是有限的。如果斷電時間比較長，導致電池完全放電，負載仍然會斷電。因此，不間斷電源的可用性會受到市電長期斷電概率的影響。
為了解決這個瓶頸，可以在UPS系統中加入一個特性和電池互補的備用電源：在市電斷電時不需要快速響應，但在長期停電的情況下可以持續供電，燃油發電機組是更適合的選擇。因此，可以在不間斷電源系統配置中增加一個自動切換裝置，以便在市電故障后切換到發電機組。這樣可以明顯提高UPS系統在長期停電情況下的可用性。那么不間斷電源系統的可用路徑就變成了
雖然在可用性路徑中串聯了一個用于在市電和發電機之間切換的附加ATS，這增加了單調路徑中的故障概率，但對于相對長期的電源故障所導致的可用性問題來說，這是值得的。
不間斷電源應用的另一個分支是正在興起的DC不間斷電源系統。DC系統的思路是以提率為目的，減少供電系統中間的轉換環節，配電部分由交流轉換為DC。一個理想的DC UPS系統服務器應用從市電到12V終端的應用結構如下圖所示。為了比較，下圖顯示了相應的交流應用結構。
可以看出，理想的DC UPS系統可以通過將交流系統中UPS的逆變器鏈路替換為服務器電源中的PFC鏈路，再替換為隔離的DC/DC鏈路，從而提高其效率。但是在DC UPS系統中，由于電池電壓的范圍比較大，為了獲得更優化的效率曲線，后期在服務器電源中也可以采用兩級結構。即通過簡單的轉換，縮小服務器電源隔離DC/DC轉換級的輸入范圍，獲得更好的節能效果。此時的結構如下所示。
在這個DC不間斷電源系統中，交流不間斷電源中沒有旁路電路，只有一個到電池回路，的主電源，這個電路也用作充電器。因此，考慮到單臺UPS的可用性和可靠性，DC UPS可靠性環節只有兩個，一個是兩級轉換加輔助電源和控制板，另一個是電池，如下圖所示。
與交流不間斷電源相比，DC不間斷電源缺少交流不間斷電源的旁路電路和提高可用性的電路。但電池直接給負載供電，其可用性高于交流UPS。因此，就可用性而言，DC供電系統有利有弊。然而，另一方面，DC系統比交流不間斷電源更容易并聯，因此它可以通過增加并聯單元的數量來增加可用性。
配電系統的可用性
對于一般的UPS系統應用，常見的配置模式有兩種，一種是雙機熱備份，如下圖所示。
正常情況下，電源由UPS1提供。如果UPS1的逆變器/整流器部分損壞，仍有UPS2供電。第二種配置模式是雙并聯冗余，如下圖所示。
在這種配置下，兩個UPS完全是并聯-operated.的基于之前的可用性原則，第二種配置方式比另一種配置方式具有更高的可用性。
這反映了可用性和可靠性之間的明顯差異。對于兩個冗余并聯配置的UPS，由于組件數量翻倍，故障概率會增加，因此整個系統的MTBF會統計性下降。但由于其中一臺發生故障后仍在工作，只要故障UPS能夠快速修復，負載仍處于有效保護之下，可用性提高。從負載的角度來看，評估系統的可用性比可靠性更有意義。
在可用性的定義中，電力系統的恢復時間越短，可用性越好。因此，將電源系統設計為模塊化且易于更換的結構可以明顯減少維護時間，從而顯著提高可用性。
對于機房的應用，雙總線的概念被普偏使用。對于關鍵的服務器負載，通常提供兩組電源輸入。因此，兩組單獨的電源總線也可以相應地用于配電部分。結合UPS本身，支持雙總線輸入，其實可以構造很多組合。對比不同方式后，對比推薦的典型結構如下圖所示。這里兩套單獨市電供電兩套UPS系統，然后每套UPS系統作為一條總線，可以充分發揮UPS 雙總線，內部雙總線和負載雙總線市電高可用的優勢
結論
本文對UPS電源的內部設計、不間斷電源系統和配電系統的可用性進行了分析，并給出了提高不間斷電源供電系統可用性的思路。通過分析結果可以發現，采用單獨旁路和市電的電源，增加多CPU監控和電池監控，可以明顯提高UPS的可用性。另一方面，在系統層面，選擇模塊化結構，縮短維護和更換時間，使用更多的并行結構，也可以顯著提高可用性。
