3.2   各种供电系统配置方法与性能比较

数据中心UPS供电系统所选用的设计方案会直接影响到所建的供电系统最终能否实现规划设计的目标。长久以来,人们设计和建造UPS供电系统时,把主要精力和关注的目标放在对优质设备的选用上,却忽视对供电方案的分析研究,其结果是,系统选用的设备是一流的,而系统的可用性却达不到设计预期的效果。

有多种供电方案已经在数据中心中使用,诸如并联冗余、串联冗余、分布式冗余、多路并联总线、双总线系统等,这些都是设计工程师或制造商赋予不同UPS配置方案的名称。这里将重点讨论适用于数据中心标准TIA等级III和等级IV的几种典型的供电方案,并着重对可用性作出定量的分析比较。表3.3是各子系统和关键设备可用性的统计和经验数据。

3.2.1 关于集中式、区域式、分散式供电方案的讨论

数据中心用户和设计者在规划供电方案时,通常忽略或不够重视对方案的整体布局-集中式、局部式还是分散式的研究和讨论。实际上因数据中心的规模不同、机房布局不同、维护水平不同、对可扩展能力的要求不同等因素,供电布局方案有三种形式:

(1)分散式供电方案

又称“点”式方案,其特点是在一个机房中,多个UPS系统分别地对各自的IT设备提供电源;

(2)集中式供电方案

整个机房只使用一台或一套UPS系统为整个数据中心供电;

(3)区域式供电方案

分布式与集中式的折中,整个数据中心按机房布局或按IT设备功能被划分为若干区域,每个区域由一台UPS(或UPS并机系统)集中地供电。

早期设计建造的数据中心多以集中式供电为主,造成这种现象的最主要的原因是用户过分强调供电系统的维护。当现代数据中心对可用性、可扩展性、易管理性、运行成本等要求越来越高的情况下,就暴露出集中式供电的许多不利之处,更何况在大功率数据中心中,集中式大功率供电系统需要多设备并联运行,系统管理变得很复杂,维护工作难度越来越大,需要较高技术水平的专业技术人员从事维护工作。表3.4是三种供电布局优缺点的比较。

3.2.2 典型的交流输入不停电供电系统方案配置

很长时间以来,人们认为只要系统中配置了UPS设备,就可做到不间断供电。实际上并非如此。UPS是靠电池储能维持不间断供电的,而电池能量是有限的,系统投入运行后,电池容量是不允许再扩容的。对于当前要求必须连续运行的数据中心,UPS根本上不能保证系统不停电运行,如果市电故障修复时间大于电池备用时间,系统照样宕机。

特别是随着IT功率密度的不断提高,对于5kW功率密度的IT机架,市电停电后制冷系统也停止运行,靠机房空间的冷量只能维持IT设备继续运行1～2min,所以当代的数据中心毫无例外的都要在设计时考虑增加交流输入的冗余配置。

图3.1是适合标准TIA等级III和等级IV的交流输入系统框图。

图3.1  电网市电+油机冗余输入系统可用性模型

图3.1,A1、A2、A3、A4、A5是设备的可用性,根据表3.2数据,可计算出整个交流输入系统的可用性为A=[1-(1-A5)×(1-A1×A2)]×A3×A4=0.99994101

油机是非常理想的交流能源,它与市电完全隔离,并且用户可完全自主地配置和运行维护。如果采用第二路市电代替油机(见图中虚线所示),则要求两路市电是完全独立的,也就是说两路市电在发电、传输和运行维护方面是完全隔离的,此时系统的可用性为A=[1-(1-A1×A2)2]×A3×A4=0.99994093

3.2.3 适用于标准TIA等级III和等级IV的UPS供电系统的基本类型

数据中心常用的UPS不停电供电系统的基本类型有三种:“N”系统、并联冗余“N+1”系统和并联冗余“2N”系统。但是为了满足标准TIA等级IV的要求,现代数据中心大多采用了并联冗余“2N”系统,也称双总线系统。

(1)双总线结构

这里仅针对“2N”系统做些介绍和讨论。图3.2的典型结构是完全独立的最高可用级别的“2N”系统,图3.3则是“2N”系统的拓扑结构,也成为“Δ2N”系统。

图3.2  典型的完全独立的“2N”系统

图3.3  “Δ2N”系统

(2)“2N”与“Δ2N”系统的共同点
①对双输入电源负载来说,两条供电线路是冗余的;
②具体到两条线路中,市电(+变压器)与油机、输入ATS、UPS输入配电、UPS系统、UPS输出配电、列头柜等所有环节和设备都是一一对应冗余的;
③两条供电线路是完全隔离的,只有ATS才是两条路径共用的设备,但是这种类型的设备是靠机械触点转换的,所以仍有非常好的隔离功能;
④两个UPS系统完全独立运行,相互隔离,没有同频同相和同幅的要求;
⑤无需将负载转换到旁路模式,即可对UPS、开关装置和其他配电设备进行维护;
⑥两种方案所有UPS的总容量是相同的。

(3) “2N”与“Δ2N”系统的差别
①相对图3.2的“2N”系统而言,图3.3的“Δ2N”系统可选用容量较小的设备,对于相同容量的数据中心,两个系统的设备容量比为3:2,所以图3.3的“Δ2N”系统对大容量数据中心“区域性”供电方案更具有灵活性;
②对于整个数据中心而言,如果图3.3的“Δ2N”系统的三路负载并不是孤立的,也就是说三路负载中任意一路因供电故障而宕机时,整个数据中心的三路负载的功能都会受到影响,那么对整个数据中心而言,“Δ2N”系统就变成了“2+1”冗余系统,可靠性相对较低。

(4)双总线系统的缺点
①冗余组件数量多,成本高:借助这种设计方案,可以尽量排除每一个可能的单路径故障点。不过,排除的单路径故障点越多,设计方案落实起来的代价(包括购置成本、运行成本、占据空间等)也越高昂。可以说,这种系统是行业中最可靠也最昂贵的一种设计;
②由于未达到满负载工作状态,供电设备容量利用率低,工作效率低。

(5) “2N”系统可用性

这里仅分析一下图3.2所示“2N”系统的可用性

假定:A1、A2——分别为市电和高压变压器的可用性;
A3——UPS输入配电、UPS输出配电、列头柜的可用性;
A4——转换开关ATS的可用性;
A5——油机的可用性;
A6——UPS的可用性,这里采用单机UPS的可用性数据。

根据表3.2数据,可计算出整个“2N”系统的可用性为A=[1(1-A5)×(1-A1×A2)]×[1-(1-A4×A3×A6×A×A4)2]=0.99999996

（御风）