如今的數(shù)據(jù)中心行業(yè)，面臨著數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)容量成倍增長的需求，以及電力分配和電力基礎(chǔ)設(shè)施解決方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的挑戰(zhàn)，這其中包括防止數(shù)據(jù)中心設(shè)施或系統(tǒng)因斷電出現(xiàn)異常和故障，具有更廣泛的電力可靠性的UPS供電系統(tǒng)。

UPS供電系統(tǒng)的可靠性并不僅僅以其運(yùn)行時(shí)間來計(jì)算（幾小時(shí)或幾天），還要通過事件的（在“多年來單一事件測(cè)量”）的數(shù)目來衡量。對(duì)于傳統(tǒng)關(guān)鍵任務(wù)的數(shù)據(jù)中心來說，其故障事件的數(shù)量與其發(fā)生的重要事件的數(shù)量相同。

UPS行業(yè)對(duì)這些通過設(shè)備和配電冗余，以提高可靠性的UPS供電系統(tǒng)保護(hù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了回應(yīng)。UPS供電系統(tǒng)采用冗余結(jié)構(gòu)無疑提高了可靠性、效率、以及負(fù)載分擔(dān)水平，但由于其冗余配置，增加了設(shè)備，使其資本支出（CAPEX）和運(yùn)營支出（OPEX）的成本不斷上升。

通常UPS供電系統(tǒng)采用冗余拓?fù)洌淇煽啃运捷^高。根據(jù)調(diào)查機(jī)構(gòu)UptimeInstitute提供的數(shù)據(jù)，TierIV級(jí)數(shù)據(jù)中心每年發(fā)生的事故小于一個(gè)，每一年的停機(jī)時(shí)間上于0.8小時(shí)。而人們往往會(huì)問這樣的問題：“這么高的可靠性，企業(yè)要付出什么樣的代價(jià)？”和“人們到底需要什么樣的數(shù)據(jù)中心？”或者簡(jiǎn)單地說，“如何才能將數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和功能與其供電系統(tǒng)進(jìn)行正確的匹配？”

適合的冗余度和可靠性

隨著數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)多樣化，某些領(lǐng)域和應(yīng)用程序只需要很少的關(guān)鍵電源保護(hù)（例如，Uptime Institute處理云計(jì)算社交媒體或搜索引擎的一級(jí)數(shù)據(jù)中心）。而其他的可保證100％的正常運(yùn)行時(shí)間的服務(wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）的托管數(shù)據(jù)中心的要求更高一些，例如，運(yùn)行視頻流媒體，電子商務(wù)和金融/股票交易這些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心，其數(shù)據(jù)中心評(píng)級(jí)可為TierIII/IV級(jí)。還有一些對(duì)正常運(yùn)行時(shí)間和可靠性有著更高要求的數(shù)據(jù)中心，其評(píng)級(jí)可為TierII或TierIII級(jí)。

Uptime Institute對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)中心等級(jí)的排名，通常對(duì)應(yīng)UPS供電系統(tǒng)采取冗余拓?fù)涞募?jí)別。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用多種不同的配置來實(shí)現(xiàn)。最佳的UPS系統(tǒng)的選擇取決于重要的因素，包括冗余、負(fù)載功率（千瓦或千瓦）、故障隔離，負(fù)荷分擔(dān)，資產(chǎn)利用率，容量擴(kuò)展和所有權(quán)的CAPEX和OPEX測(cè)得的總擁有成本（TCO）。

N系統(tǒng)拓?fù)?/p>

N系統(tǒng)是最基本的關(guān)鍵供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中“N”是用千瓦衡量的負(fù)載能力。這種供電系統(tǒng)其實(shí)并沒有冗余的UPS模塊，因此UPS供電系統(tǒng)的可靠性不高。

圖1  N系統(tǒng)拓?fù)?/p>

N系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有多個(gè)“單一”的故障點(diǎn)，每年故障事件為一到兩個(gè)，因此這是不太可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而這個(gè)單一的故障點(diǎn)被定義一旦失效，那么整個(gè)系統(tǒng)就將停止工作。而對(duì)于某些風(fēng)險(xiǎn)低的業(yè)務(wù)，如內(nèi)部信息技術(shù)（IT）等，其故障對(duì)一個(gè)企業(yè)或大型集團(tuán)的用戶并不會(huì)產(chǎn)生太大影響，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能說是有效的。

N系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是配置和運(yùn)營成本低（不含與非計(jì)劃停機(jī)相關(guān)的成本）。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種系統(tǒng)的資產(chǎn)利用率高。一個(gè)N系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的UPS模塊，其設(shè)計(jì)負(fù)載可以達(dá)到全負(fù)荷額定值的80％到90％。

　　N+1系統(tǒng)拓?fù)?/p>

“N+1”系統(tǒng)拓?fù)錇榱颂岣呖煽啃?，添加了冗余組件。“N”是與總負(fù)載相等的載荷能力，“1”是指在UPS供電系統(tǒng)中一個(gè)額外進(jìn)行冗余保護(hù)的UPS。這些系統(tǒng)通常為UPS模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但這種拓?fù)淙匀挥卸鄠€(gè)單點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，如UPS模塊的輸出并聯(lián)總線?！癗+1”系統(tǒng)并沒有冗余分配路徑，因此如果有單點(diǎn)故障的話，每年也許會(huì)有發(fā)生一個(gè)事件。

圖2“N+1”并聯(lián)冗余UPS供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

而“N+1”并聯(lián)冗余拓?fù)渫ǔ＿m用于那些提供基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的低依賴性企業(yè)。

“N+1”系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較少的冗余元件和較高的利用率，其初始成本和運(yùn)營成本較低。而其較高的利用率取決于負(fù)載的模塊或發(fā)電機(jī)的數(shù)量。其滿負(fù)荷額定值為UPS功率模塊總和的80％到90％，而系統(tǒng)會(huì)增加額外的模塊和發(fā)電機(jī)。例如，一個(gè)UPS系統(tǒng)由2個(gè)功率模塊組成，那么正常情況下，一個(gè)功率模塊分擔(dān)40％到50%的負(fù)載量，而一個(gè)“N+1”系統(tǒng)由5個(gè)模塊組成，那么每個(gè)模塊的負(fù)載量最高只能達(dá)到25％。

　　塊冗余系統(tǒng)拓?fù)?/p>

該并聯(lián)的電源架構(gòu)的另一個(gè)變化是塊冗余系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種方法采用一種經(jīng)濟(jì)的方式來提高系統(tǒng)的可靠性，而無需一個(gè)完整的2N系統(tǒng)。它依賴于靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）和UPS模塊的即時(shí)處理，以實(shí)現(xiàn)有效的載荷，而冗余的UPS具有承擔(dān)和轉(zhuǎn)移負(fù)載的能力，這可以在大多數(shù)的塊冗余拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)。然而，STS開關(guān)也是一個(gè)單點(diǎn)故障。雖然這個(gè)系統(tǒng)中UPS模塊的利用率得到提高，但其帶載率也只到70％～75％。

            圖3 塊冗余系統(tǒng)拓?fù)?/p>

共享冗余（4N/3）系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

共享冗余4N/3系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與塊冗余拓?fù)浞浅Ｏ嗨疲诙鄺l路徑分布著不同的負(fù)載，并且所有UPS模塊都被加載。而4N/3和3N/2系統(tǒng)都是共享冗余拓?fù)涞淖畛Ｒ娦问?，并且這些拓?fù)涞腢PS利用率水平通常在60％～70％的范圍內(nèi)。如在3N/2拓?fù)渲?，其UPS的最大負(fù)荷的利用率可以理解為2兆瓦的負(fù)載除以3兆瓦的UPS容量，其效率等于67％。

　    　圖4 4N/3共享冗余系統(tǒng)

如圖4所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要額外的電纜和配電基礎(chǔ)設(shè)施，這增加了初始資本和安裝成本，并使系統(tǒng)在節(jié)省成本上更加困難。此外，該系統(tǒng)在UPS輸出配電方面仍具有單點(diǎn)故障。

無論是塊冗余系統(tǒng)和共享冗余系統(tǒng)都比“N+1”冗余系統(tǒng)可靠性要高，其故障率每年不到一個(gè)事件。這種性能非常適合于大多數(shù)組織中的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)傳遞，服務(wù)交付等核心業(yè)務(wù)。但這兩種冗余系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是，其UPS最大利用率通常小于70％～75％，而實(shí)際使用時(shí)由于其容量有限，效率還要少得多。塊冗余或共享冗余系統(tǒng)中，UPS和關(guān)鍵電力資產(chǎn)并沒有得到充分利用，而供電系統(tǒng)實(shí)際部署的關(guān)鍵負(fù)載可能會(huì)經(jīng)常變化，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心運(yùn)營中，經(jīng)常會(huì)有添加、刪除、升級(jí)或轉(zhuǎn)移IT負(fù)載、服務(wù)器等設(shè)備的情況。

　　“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓?fù)?/p>

“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓?fù)錁?gòu)采用了兩個(gè)獨(dú)立的冗余的配電系統(tǒng)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成在每個(gè)系統(tǒng)有N個(gè)模塊或“N+1”個(gè)模塊。兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)在某些設(shè)計(jì)中的可維護(hù)性和可容錯(cuò)能力更高。

圖5“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓?fù)?/p>

“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了非常高的可靠性，但它也有最高的初始成本和TCO，以及資產(chǎn)利用率低（負(fù)載率最大只能達(dá)到40％到45％）的缺點(diǎn)。而這樣可靠性高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，五年只有一個(gè)到兩個(gè)的計(jì)劃外中斷。這種設(shè)計(jì)通常用于可靠性和可用性要求非常高的企業(yè)或金融服務(wù)行業(yè)。

總結(jié)

數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)是動(dòng)態(tài)的和不斷變化的。UPS供電系統(tǒng)可靠性的變化，是由數(shù)據(jù)中心的“使命”和“關(guān)鍵業(yè)務(wù)”的需求所決定的?，F(xiàn)有的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演變表明，數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)中可以提供一系列不同配置的UPS系統(tǒng)?！癗+N”雙系統(tǒng)可以提供最佳水平的高可靠性，然而其成本也非常高。其他的冗余供電系統(tǒng)（N或N+1）雖然可以降低成本，但其可靠性相比較低。這些因素使得企業(yè)采用UPS供電系統(tǒng)時(shí)，不得不在高昂的成本、高可靠性和利用率之間進(jìn)行權(quán)衡。

UPS行業(yè)的下一個(gè)挑戰(zhàn)將是尋找一個(gè)可以提供適當(dāng)?shù)娜哂嗪涂煽啃运降男碌南到y(tǒng)解決方案，同時(shí)可以降低企業(yè)的資本支出和運(yùn)營成本，并使其總體擁有成本更低。

編譯：Harris

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• 文章標(biāo)簽： 供電系統(tǒng) 冗余 權(quán)衡
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