2.3   提高供电系统的“适应性”

当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时,就会对设备的适应性提出要求。由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性,要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。一般来说,物理设施不可能像软件系统那样容易地进行逻辑上(程序上)的升级。比如,一台10kVA的UPS要想“升级”为20kVA的UPS是根本不可能的,除非最初的标称值为10kVA的实际容量是20kVA,而那恰恰不是所谓的可适应性,而是“一步到位”的模式。“适应性”向“一步到位”的系统设计模式提出了挑战。

系统要适应的变化包括:

(1)经济形势的变化;

(2)IT设备技术革新和功率密度的变化;

(3)维护人员操作水平的变化;

(4)组织管理模式的变化;

(5)设备运行场地的变化等。

对于供电系统来说,要适应这些变化,需要考虑以下的设计思路:

(1)模块化标准化设计;

(2)开放式设计;

(3)集成化设计;

(4)高密度、小型化设计。

2.4   集成一体化设计理念

以上讲到的供电系统存在的问题(见表1.1)和三个系统设计理念的变化,导致了供电系统集成化、一体化设计理念的产生,集成一体化设计理念遵循了以下四项原则:

(1)各供电设备制造和供应渠道的统一化;

(2)各供电设备和环节(包括负载机架)结构的一体化和连接的规范化;

(3)各供电设备和环节(包括负载机架中的PDU)电源状态管理的集中化;

(4)各供电设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔功能。

集成化系统的性能优势如下:

(1)针对以UPS为核心的供电系统各种设备做统一的性能设计和设备配置,有利于加强各设备之间的匹配,提高设备利用率,降低各设备相互间的影响和系统中谐波干扰;

(2)设备机架结构的标准化和安装连接的规范化,不仅可加快安装速度,还可提高装配质量,缩短连线长度和零乱状况,有利于减小维护难度和降低人为故障的发生;

(3)集成化产品很容易实现部件的冗余配置和模块化结构,可把系统故障修复时间降到最低,大幅度提高系统的可用性;

(4)开放式设计和强大的电源集中管理功能,提高了系统的可管理性和可维护性,用户可在必要时能够自行对设备进行重新集成,对运行状况信息的管理进行二次开发,以及自主地不依赖供应商对设备进行维修维护;

(5)用户可根据IT系统规模和业务扩展的阶段性做定制化配置,可有效地避免一次性过量的投资和供电容量的浪费;

2.5   系统模块化设计成为供电系统设计的基本原则

现代数据中心对机房基础设施可用性最基本的要求是:

“现代数据中心要求机房基础设施必须是一个能连续工作的系统”。

但是,任何设备和系统都是要发生故障的,因此,“一个能连续工作的系统必然是可修复和可快速修复的系统”。

如何确保系统和组成该系统的设备是可修复和可快速修复的呢?“一个可修复和可快速修复的系统,组成该系统的所有子系统必然要具备模块化特征。”

2.5.1 “系统模块化”是可修复和可快速修复的根本条件

视系统配置方案和冗余程度的不同,以及故障性质的千差万别,故障的危害和修复的方法是很难一概而论的,一般来说有两种情况:

(1)设备故障后,需在与故障设备有关的局部或整个系统停止运行的情况下修复;

(2)设备故障后,只需对故障设备本身进行修复,而系统可继续正常运行。

第二种情况是最理想的,具有这种功能的系统要求配置做到以下几点:

①冗余程度高:整个系统特别是可靠性低的环节要冗余配置;

②故障的隔离性:系统中各设备之间应有良好的故障隔离功能,故障的设备应把故障现象和影响局限在设备本身;

③修复的可操作性和快速性:修复的可操作性是指:故障的设备在故障发生后可断开与其相关的其他设备的连接,在物理空间和工具使用等方面可很方便地对其进行现场维修,或整体移除并更换新的设备;快速性是指由修复方式决定的修复时间的长短,一般整机更换可排除故障诊断、备件准备和修复后测试的时间,模块化拔插可使修复时间缩短到最小。显然,只有模块化系统才有可能实现快速的修复。

2.5.2 系统模块化的定义与特征

将完整的产品或系统或流程按功能分成小块,即模块。模块的特征应该是:

(1)模块是系统中一个具有定义明确的独立功能和可独立运行的单元;

(2)结构上可整体安装、拆卸、更换、移动;

(3)相同单元可冗余并机运行。

模块的独立性、可修复程度和修复方式、系统的冗余程度等差别决定了系统的可用性级别,根据模块化特征,我们可将模块化系统分为四个等级。

①模块化系统:系统中的所有子系统都具备模块化特征;

②具有插拔修复功能的模块化系统:系统中关键的子系统具有插拔修复功能;

③具有冗余容错功能的模块化系统:系统中关键的子系统具有冗余容错功能;

④同时具有插拔功能和冗余容错功能的模块化系统:例如(N+1)模块化UPS 。

2.5.3 系统模块化设计

所谓模块化系统设计,就是在系统中根据需要对这些模块进行组装,以产生原始产品/流程的各种变体。不同的模块化系统可以根据所需的功能划分目标,将不同数量的相同模块或不同模块(表示不同的标准化级别)并入集成的模块或系统中。数据中心供电系统是集成了多种功能的复杂系统,需要进行仔细的工程设计,按照在标准化级别与用户灵活性之间取得最佳平衡的方式进行模块化。系统中存在各种级别的模块化设计的可能性。范例如下:

(1)一根线缆、一台整机UPS、空调机,它们都具备模块化特征,都是一个模块;

(2)由可互换的UPS功率模块、电池模块、控制模块等组成的模块化系统,在功率、冗余度和运行时间几个方面都实现了可扩展性,而且能够进行热插拔,从而在不需要停止系统运行的条件下进行维修;

(3)由以UPS为核心组成的双总线供电系统,每一路UPS系统都是一个模块,可以大幅度提高系统可用性;

(4)一个标准化集成化的供电系统,可以通过规范化加快设计和安装的速度、提高供电性能、降低维护难度、减少人为错误;

(5)模块化配电系统:可以采用为整行负载供电的机架大小的模块化设备,也可以采用服务于单个机架的电源插板(机架PDU)。

根据模块化的特征,在数据中心供电系统中,由于设计时的疏忽,有时它们在系统中却失去了模块化功能:一台大型UPS因走道空间狭窄或搬运工具进不去而不能运出更换;一台装入机柜的变压器故障后因工具无法在机柜内伸展而无法更换;一条线缆因线缆槽的拥挤而无法在故障后查找和更换等。这些事例屡见不鲜,致使具有这种隐患的系统也就不再具备可修复或可快速修复的功能。

“系统模块化设计”已经成为数据中心设计建造必须遵守的原则。模块化使一切事情变得更加便利、更可预测、更为经济、更易于理解以及更加安全。“系统模块化设计”观念在行业中已经上升到一个新的高度,成为了一种富有创造性并具突出战略意义的设计哲学,在数据中心基础设施用户和设计者中取得了最广泛的共识,并在系统方案设计和建造中取得了广泛的应用和显著的效果。

以供电系统为例,UPS设备是整个供电系统中可靠性最薄弱的环节,于是,数据中心设计者首先把模块化设计理念用在UPS供电系统的设计中,把冗余容错和插拔修复技术同时应用到一台UPS中,这就是当前已在市场上广泛推广并且应用的“模块化UPS”。

2.5.4 系统模块化设计对提高供电系统功能的贡献

系统模块化设计对提高供电系统功能的贡献见表2.1。

(未完待续）

（御风）