數據中心UPS供配電理念的轉變

隨著(zhù)IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計算的興起，做為基礎物理設施的供電系統，其設計理念和配置方法也在發(fā)生著(zhù)明顯的變化。國外一系列的數據中心建設案例呈現出這樣的特點(diǎn)，即提高系統的可靠性、更高的供電效率以及日益縮短的后備時(shí)間?？梢哉f(shuō)UPS電源正在扮演一個(gè)更加純粹的“守護者”的角色——用更少的消耗換取更高的可靠性，這首先是數據中心大型化集約化發(fā)展的需要，同時(shí)也是時(shí)代對于數據中心建設綠色環(huán)保節能提出的新要求。

更高的供電效率

隨著(zhù)云計算的蓬勃發(fā)展,數據中心能耗的不斷增加已越來(lái)越受到業(yè)界人士的關(guān)注。2006年，美國數據中心的總耗電量約為610億千瓦時(shí)，總電力成本約為45億美金;而2011年，美國數據中心的總耗電量已超過(guò)1000億千瓦時(shí)，總電力成本高達74億美金。數據中心的成本、效率和可持續性受到了嚴峻挑戰。隨著(zhù)數據中心耗電量急劇上升，“數據中心節能”成為未來(lái)數據中心建設的發(fā)展趨勢。UPS在數據中心中耗電量為18%，然而，由于UPS系統需要7x24小時(shí)在線(xiàn)運行，所以提高UPS供電效率可以帶來(lái)直接的電力節省。哪怕是些許的效率提升，每年也會(huì )節省大量的電費開(kāi)支。影響UPS系統效率的兩個(gè)因素為：UPS系統自身的拓撲結構和決定UPS負載因數的數據中心電源及配電的設計。

UPS系統本身的設計結構很大程度上決定了效率。目前市面上UPS主要有兩種結構—在線(xiàn)互動(dòng)式和在線(xiàn)雙轉換式。

在線(xiàn)互動(dòng)式UPS將整流器和逆變器與市電輸入并聯(lián)。這種設計使得在線(xiàn)互動(dòng)式UPS可以對市電(過(guò)壓或欠壓)進(jìn)行補償;同時(shí)通過(guò)相應的電路，對諧波、瞬態(tài)波動(dòng)和其他電力質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調節。當市電不可用或超出設定范圍，在線(xiàn)互動(dòng)式UPS通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)將負載與市電隔離，同時(shí)切換到電池或飛輪等儲能裝置給負載供電。

在線(xiàn)雙轉換式UPS系統雙變換式UPS系統將負載與市電完全隔離。在任何時(shí)刻都對負載提供100% 調整過(guò)的交流電。由于雙變換式UPS工作時(shí)對市電能量進(jìn)行兩次變換 – 第一次是交流到直流，然后再是直流到交流，也因此得名“雙變換式UPS”。正常運行狀態(tài)下，即使市電沒(méi)有電力干擾，雙轉換UPS系統也會(huì )一直給負載提供處理過(guò)的交流信號。

使用雙轉換UPS，電源要從交流整流到直流，再從直流逆變到交流，才能確保輸出端完整的正弦波及頻率保護功能，以及保護負載免受七種電力干擾的影響。這個(gè)方法既超出了現代IT設備的電源需求，又消耗了大量的能源。

比較而言，在線(xiàn)互動(dòng)式UPS設計更簡(jiǎn)單，在主電力通路上的器件更少，從而在保護負載的同時(shí)獲得更高的供電效率。由此可見(jiàn)，采用飛輪儲能UPS系統可以有效降低能耗已經(jīng)成為一個(gè)不爭的事實(shí)。

Active Power提供飛輪UPS即采用在線(xiàn)互動(dòng)式設計，可以達到與在線(xiàn)雙變換式UPS相同的電力輸出質(zhì)量，主要是采用了高速微處理器，可以在一個(gè)20ms周波內對市電采樣400次，快速對電源的瞬態(tài)問(wèn)題作出響應。而飛輪儲能裝置對負載的輸入電路設計幾乎和在線(xiàn)雙變換式UPS相同。除了通過(guò)UPS架構對電能節省外，飛輪儲能系統相比蓄電池對環(huán)境條件(溫/濕度)要求更低，另外，飛輪儲能系統占地面積只有蓄電池1/4，大大降低了對制冷量和制冷空間的要求，從而進(jìn)一步節省電能。以一個(gè)15000平方英尺的數據中心為例，按每平方英尺的IT設備運行功率為50W計算，每年需要消耗電能6.9 兆瓦時(shí)(MWh)。如果UPS電源系統在效率上提高5%，每年可降低384,000 千瓦時(shí)(kWh)的電能消耗，或大約節省3.8萬(wàn)美元的電費開(kāi)支(按0.10美元/千瓦時(shí)計算)，另外還可大量減少在冷卻負載方面的節省。

至于，對于在線(xiàn)互動(dòng)式UPS最主要的質(zhì)疑即針對市電頻率波動(dòng)的處理能力，因為輸出頻率是與市電同步，Active Power利用了同樣的微處理器解決這個(gè)問(wèn)題，只允許+/- 0.2% 市電頻率的漂移，當市電超出這個(gè)范圍，將由飛輪進(jìn)行供電，這樣做的結果是有效保證了供電質(zhì)量。

更高的可靠性

數據信息的重要性的提升，使得數據中心的可靠性在政府和企業(yè)中的日益凸顯;雖然能效對于數據中心越來(lái)越重要，但運維人員仍然對于任何可能引起宕機風(fēng)險的改變都極其慎重;更多的關(guān)于數據中心供電可靠性的知識可以幫助運維人員在提高數據中心供電效率的同時(shí)減少顧慮。

自從1996年，MTechnology 公司(MTech)一直采用風(fēng)險概率評估法(PRA)這種科學(xué)的方法，對高效電力設備進(jìn)行評估。風(fēng)險概率評估法(PRA)是用于評估復雜系統可靠性和有效性的正式技術(shù)方法的集合。PRA技術(shù)通過(guò)綜合簡(jiǎn)單部件故障率的已知信息，利用正式的數學(xué)模型，對系統可靠性作出令人信服的評估。對于大部分電氣、電子和機械部件來(lái)說(shuō)，都有其可供參考的故障率數據。PRA的計算方法參考這些數據，并考慮到各部件在特定系統中相互作用的因素，利用專(zhuān)業(yè)知識將他們融合一起。所以，在系統組成以前，就能評估出復雜系統的故障率。

MTechnology 公司將停電分為兩類(lèi)：

超過(guò)10秒鐘的長(cháng)時(shí)間市電中斷：在這種情況下，通過(guò)命令自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)切換到運轉狀態(tài)，交流電源轉移到發(fā)電機，然后發(fā)電機啟動(dòng)運行。在發(fā)達國家發(fā)生十秒鐘以上電力中斷的情況并不多見(jiàn)。事實(shí)上，根據美國電力研究所(EPRI)的評估結果顯示，用戶(hù)遭受電壓下跌的幾率要高出電力完全中斷幾率的十倍之多。在電力完全中斷的案例中，超過(guò)10秒鐘的情況不超過(guò)4%。

故障樹(shù)分析顯示，自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)故障是引起備用電源系統故障的最重要原因。使用中的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)發(fā)生故障的次數大約占系統預期故障次數的95%。模型中使用了電機及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì )黃金書(shū)(IEEE Gold Book)的數據，其故障率大約為每小時(shí)10-5，或超過(guò)100,000小時(shí)(11年以上)的故障平均間隔時(shí)間，這說(shuō)明整套機電部件在持續使用中性能良好。因為自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)只是單點(diǎn)故障，所以它的故障率占據了大部分的系統故障，且自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)故障幾乎總會(huì )導致系統故障。因為自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)故障率、主開(kāi)關(guān)柜故障率和發(fā)電機故障率是系統的主要故障率。下圖為故障樹(shù)模型的Active Power飛輪UPS簡(jiǎn)化單線(xiàn)流程圖。

數據顯示：包含Active Power飛輪 UPS的系統幾乎不會(huì )發(fā)生故障。短時(shí)間電力中斷情況所作的模擬次數是長(cháng)時(shí)間電力中斷模擬次數的100多倍。增加短時(shí)間電力中斷故障率將對以上結果有重要影響。

小于10秒鐘的短暫市電中斷：這種情況下，在市電恢復前，UPS中儲存的能量足以支持負載正常運行，所以就不必考慮將電源轉移到發(fā)電機上的問(wèn)題。在這種情況下，將會(huì )明顯顯現出兩套UPS系統核心可靠性的差別。

在短時(shí)間電力中斷的情況下，儲存的電能足可以維持任何電力干擾的通過(guò)時(shí)間。假定小于10秒的電壓下降和電力中斷情況占所有電壓下降和電力中斷情況96%，這個(gè)衡量標準在決定單個(gè)UPS系統可靠性方面具有重要作用故障樹(shù)分析顯示，可檢測到的電池故障和檢測不到的電池故障占所有雙轉換蓄電池故障的90%。在良好的維護保養及有效測試情況下，能夠降低電池故障率，上述雙轉換蓄電池的理論故障率是在這個(gè)基礎上得出的。參考MTech研究結果，經(jīng)驗告訴我們蓄電池在實(shí)際的使用中并不可能如同模型中預測的那樣可靠。雙轉換蓄電池UPS系統中，最有可能運行失敗的模式是檢測不到的電池故障，檢測蓄電池單元是相當困難的工作。即使使用最樂(lè )觀(guān)的假設，即使每月檢測雙轉換蓄電池且可檢測出大量蓄電池故障)，其對比結果仍是飛輪 UPS系統具有更高的可靠性。在實(shí)際使用中，大部分電池故障是檢測不到的，所以飛輪UPS更具優(yōu)點(diǎn)。有專(zhuān)家指出“UPS系統中最容易出現故障的部分就是蓄電池。唯一確保蓄電池可靠工作的方式就是定期測試。蓄電池可能表面看起來(lái)很好，但實(shí)際是處于失效的邊緣。大多數數據中心使用了幾乎10倍于實(shí)際需求的維護量。而‘過(guò)量維護’恰恰降低了系統的可靠性，因為人為干預是所有因素中可靠性最低的。”

兩套系統的共有部分是：?jiǎn)温肥须婐侂姾屯ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)柜及自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)同UPS系統輸入端相連的備用發(fā)電機。下圖中展示了連接到UPS輸入電路的市電、發(fā)電機、自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)和主開(kāi)關(guān)柜的單線(xiàn)流程簡(jiǎn)圖內容。

分析結果顯示雙轉換UPS系統發(fā)生故障的可能性高出飛輪 UPS系統七倍之多。飛輪UPS系統的一個(gè)優(yōu)勢就是當需要時(shí)，飛輪儲能系統出現故障的概率非常小。換言之，如果在飛輪系統正常運行時(shí)市電發(fā)生中斷，則飛輪的電力輸出是幾乎可以保證的”

更短的后備時(shí)間

UPS配置30分鐘的后備電池曾經(jīng)是行業(yè)標準，但如今已縮短到15分鐘或更短。這是數據中心業(yè)主試圖平衡可靠性和運維成本的結果，也是由于數據中心的容錯機制將更多依賴(lài)軟件和算法的控制，而降低了對基礎設施硬件冗余的依賴(lài)。

數據中心發(fā)展至今，在市電中斷時(shí)對數千臺甚至上萬(wàn)臺IT設備實(shí)現關(guān)機的想法已經(jīng)不現實(shí)，并且無(wú)法被業(yè)主接受;數據中心供電標準要求兩路市電或市電與后備發(fā)電機之間的手動(dòng)切換。

15分鐘可以給后備發(fā)電機組“多一次啟動(dòng)機會(huì )”的想法也不成立，因為如果發(fā)電機組在最初的5至6秒鐘內無(wú)法啟動(dòng)的話(huà)，那么就像汽車(chē)一樣，幾乎不可能在接下來(lái)的15分鐘內可以恢復啟動(dòng);數據中心供電標準要求后備發(fā)電機組必須在15秒內完成啟動(dòng)帶載，并且目前的發(fā)電機技術(shù)完全可以滿(mǎn)足。

越來(lái)越多的客戶(hù)傾向于飛輪UPS的依據是，如果發(fā)電機系統不能在15秒內啟動(dòng)并正常帶載的話(huà)，那么運維人員也不太可能會(huì )在15或者30分鐘內找到故障并立刻修復，數據中心的電力中斷將在所難免!”新建數據中心開(kāi)始考慮是否真的需要30分鐘的后備時(shí)間，是否更短的時(shí)間也可以接受?據此，有研究機構預測將引發(fā)一場(chǎng)UPS選擇和配置的變革。過(guò)去認為是非主流或小眾市場(chǎng)的UPS技術(shù)在未來(lái)會(huì )得到推崇。而數據中心模塊化部署的趨勢必將推動(dòng)這場(chǎng)變革。

對國內用戶(hù)來(lái)說(shuō)，目前市電電源的可靠性達到3個(gè)99(99.9%)，有些重要的負載更采用雙路市電供電，市電的可靠性可以說(shuō)已經(jīng)達到了4個(gè)9，即99.99%。萬(wàn)一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達到3個(gè)9，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10秒的時(shí)間，這是一個(gè)公開(kāi)的標準。目前，歐洲已經(jīng)將這個(gè)時(shí)間定在了8秒。目前國內很多數據中心，多采用2N以上結構，使用飛輪UPS完全可以滿(mǎn)足應用。

近日，常州柴油發(fā)電機工廠(chǎng)， Active Power飛輪UPS與油機配合實(shí)測證明此言不虛。Active Power實(shí)測設備CleanSource1000KVA飛輪UPS數據顯示：飛輪UPS空載、半載系統切換時(shí)間分別為8.8秒、11.5秒;飛輪UPS帶載率55%、99%時(shí)，飛輪放電時(shí)間分別為36秒、20秒，飛輪飛輪UPS與油機“黃金搭檔”的默契配合，得到了大家一致贊譽(yù)。其供電效率也得到了驗證：當飛輪UPS帶載率50%、70%、滿(mǎn)載時(shí)，飛輪UPS供電效率分別為96%、97%及98%。飛輪UPS在測試中表現出來(lái)的優(yōu)異性能，生動(dòng)地展現了機械儲能UPS技術(shù)的卓越性能以及廣闊的發(fā)展空間。