數(shù)據(jù)中心UPS供配電理念的轉(zhuǎn)變

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是云計算的興起，做為基礎(chǔ)物理設(shè)施的供電系統(tǒng)，其設(shè)計理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。國外一系列的數(shù)據(jù)中心建設(shè)案例呈現(xiàn)出這樣的特點，即提高系統(tǒng)的可靠性、更高的供電效率以及日益縮短的后備時間。可以說UPS電源正在扮演一個更加純粹的“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(shù)據(jù)中心大型化集約化發(fā)展的需要，同時也是時代對于數(shù)據(jù)中心建設(shè)綠色環(huán)保節(jié)能提出的新要求。

更高的供電效率

隨著云計算的蓬勃發(fā)展,數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加已越來越受到業(yè)界人士的關(guān)注。2006年，美國數(shù)據(jù)中心的總耗電量約為610億千瓦時，總電力成本約為45億美金;而2011年，美國數(shù)據(jù)中心的總耗電量已超過1000億千瓦時，總電力成本高達74億美金。數(shù)據(jù)中心的成本、效率和可持續(xù)性受到了嚴峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)中心耗電量急劇上升，“數(shù)據(jù)中心節(jié)能”成為未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展趨勢。UPS在數(shù)據(jù)中心中耗電量為18%，然而，由于UPS系統(tǒng)需要7x24小時在線運行，所以提高UPS供電效率可以帶來直接的電力節(jié)省。哪怕是些許的效率提升，每年也會節(jié)省大量的電費開支。影響UPS系統(tǒng)效率的兩個因素為：UPS系統(tǒng)自身的拓撲結(jié)構(gòu)和決定UPS負載因數(shù)的數(shù)據(jù)中心電源及配電的設(shè)計。

UPS系統(tǒng)本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)很大程度上決定了效率。目前市面上UPS主要有兩種結(jié)構(gòu)—在線互動式和在線雙轉(zhuǎn)換式。

在線互動式UPS將整流器和逆變器與市電輸入并聯(lián)。這種設(shè)計使得在線互動式UPS可以對市電(過壓或欠壓)進行補償;同時通過相應(yīng)的電路，對諧波、瞬態(tài)波動和其他電力質(zhì)量問題進行調(diào)節(jié)。當(dāng)市電不可用或超出設(shè)定范圍，在線互動式UPS通過靜態(tài)開關(guān)將負載與市電隔離，同時切換到電池或飛輪等儲能裝置給負載供電。

在線雙轉(zhuǎn)換式UPS系統(tǒng)雙變換式UPS系統(tǒng)將負載與市電完全隔離。在任何時刻都對負載提供100% 調(diào)整過的交流電。由于雙變換式UPS工作時對市電能量進行兩次變換 – 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，即使市電沒有電力干擾，雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)也會一直給負載提供處理過的交流信號。

使用雙轉(zhuǎn)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。這個方法既超出了現(xiàn)代IT設(shè)備的電源需求，又消耗了大量的能源。

比較而言，在線互動式UPS設(shè)計更簡單，在主電力通路上的器件更少，從而在保護負載的同時獲得更高的供電效率。由此可見，采用飛輪儲能UPS系統(tǒng)可以有效降低能耗已經(jīng)成為一個不爭的事實。

Active Power提供飛輪UPS即采用在線互動式設(shè)計，可以達到與在線雙變換式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20ms周波內(nèi)對市電采樣400次，快速對電源的瞬態(tài)問題作出響應(yīng)。而飛輪儲能裝置對負載的輸入電路設(shè)計幾乎和在線雙變換式UPS相同。除了通過UPS架構(gòu)對電能節(jié)省外，飛輪儲能系統(tǒng)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(tǒng)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，從而進一步節(jié)省電能。以一個15000平方英尺的數(shù)據(jù)中心為例，按每平方英尺的IT設(shè)備運行功率為50W計算，每年需要消耗電能6.9 兆瓦時(MWh)。如果UPS電源系統(tǒng)在效率上提高5%，每年可降低384,000 千瓦時(kWh)的電能消耗，或大約節(jié)省3.8萬美元的電費開支(按0.10美元/千瓦時計算)，另外還可大量減少在冷卻負載方面的節(jié)省。

至于，對于在線互動式UPS最主要的質(zhì)疑即針對市電頻率波動的處理能力，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問題，只允許+/- 0.2% 市電頻率的漂移，當(dāng)市電超出這個范圍，將由飛輪進行供電，這樣做的結(jié)果是有效保證了供電質(zhì)量。

更高的可靠性

數(shù)據(jù)信息的重要性的提升，使得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心越來越重要，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(shù)據(jù)中心供電可靠性的知識可以幫助運維人員在提高數(shù)據(jù)中心供電效率的同時減少顧慮。

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(shè)備進行評估。風(fēng)險概率評估法(PRA)是用于評估復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和有效性的正式技術(shù)方法的集合。PRA技術(shù)通過綜合簡單部件故障率的已知信息，利用正式的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)可靠性作出令人信服的評估。對于大部分電氣、電子和機械部件來說，都有其可供參考的故障率數(shù)據(jù)。PRA的計算方法參考這些數(shù)據(jù)，并考慮到各部件在特定系統(tǒng)中相互作用的因素，利用專業(yè)知識將他們?nèi)诤弦黄?。所以，在系統(tǒng)組成以前，就能評估出復(fù)雜系統(tǒng)的故障率。

MTechnology 公司將停電分為兩類：

超過10秒鐘的長時間市電中斷：在這種情況下，通過命令自動轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到運轉(zhuǎn)狀態(tài)，交流電源轉(zhuǎn)移到發(fā)電機，然后發(fā)電機啟動運行。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。事實上，根據(jù)美國電力研究所(EPRI)的評估結(jié)果顯示，用戶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10秒鐘的情況不超過4%。

故障樹分析顯示，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)故障是引起備用電源系統(tǒng)故障的最重要原因。使用中的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生故障的次數(shù)大約占系統(tǒng)預(yù)期故障次數(shù)的95%。模型中使用了電機及電子學(xué)工程師聯(lián)合會黃金書(IEEE Gold Book)的數(shù)據(jù)，其故障率大約為每小時10-5，或超過100,000小時(11年以上)的故障平均間隔時間，這說明整套機電部件在持續(xù)使用中性能良好。因為自動轉(zhuǎn)換開關(guān)只是單點故障，所以它的故障率占據(jù)了大部分的系統(tǒng)故障，且自動轉(zhuǎn)換開關(guān)故障幾乎總會導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因為自動轉(zhuǎn)換開關(guān)故障率、主開關(guān)柜故障率和發(fā)電機故障率是系統(tǒng)的主要故障率。下圖為故障樹模型的Active Power飛輪UPS簡化單線流程圖。

數(shù)據(jù)顯示：包含Active Power飛輪 UPS的系統(tǒng)幾乎不會發(fā)生故障。短時間電力中斷情況所作的模擬次數(shù)是長時間電力中斷模擬次數(shù)的100多倍。增加短時間電力中斷故障率將對以上結(jié)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(fù)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(zhuǎn)移到發(fā)電機上的問題。在這種情況下，將會明顯顯現(xiàn)出兩套UPS系統(tǒng)核心可靠性的差別。

在短時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時間。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%，這個衡量標準在決定單個UPS系統(tǒng)可靠性方面具有重要作用故障樹分析顯示，可檢測到的電池故障和檢測不到的電池故障占所有雙轉(zhuǎn)換蓄電池故障的90%。在良好的維護保養(yǎng)及有效測試情況下，能夠降低電池故障率，上述雙轉(zhuǎn)換蓄電池的理論故障率是在這個基礎(chǔ)上得出的。參考MTech研究結(jié)果，經(jīng)驗告訴我們蓄電池在實際的使用中并不可能如同模型中預(yù)測的那樣可靠。雙轉(zhuǎn)換蓄電池UPS系統(tǒng)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(dāng)困難的工作。即使使用最樂觀的假設(shè)，即使每月檢測雙轉(zhuǎn)換蓄電池且可檢測出大量蓄電池故障)，其對比結(jié)果仍是飛輪 UPS系統(tǒng)具有更高的可靠性。在實際使用中，大部分電池故障是檢測不到的，所以飛輪UPS更具優(yōu)點。有專家指出“UPS系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)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很好，但實際是處于失效的邊緣。大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用了幾乎10倍于實際需求的維護量。而‘過量維護’恰恰降低了系統(tǒng)的可靠性，因為人為干預(yù)是所有因素中可靠性最低的。”

兩套系統(tǒng)的共有部分是：單路市電饋電和通過開關(guān)柜及自動轉(zhuǎn)換開關(guān)同UPS系統(tǒng)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、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)和主開關(guān)柜的單線流程簡圖內(nèi)容。

分析結(jié)果顯示雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性高出飛輪 UPS系統(tǒng)七倍之多。飛輪UPS系統(tǒng)的一個優(yōu)勢就是當(dāng)需要時，飛輪儲能系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率非常小。換言之，如果在飛輪系統(tǒng)正常運行時市電發(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(shù)據(jù)中心業(yè)主試圖平衡可靠性和運維成本的結(jié)果，也是由于數(shù)據(jù)中心的容錯機制將更多依賴軟件和算法的控制，而降低了對基礎(chǔ)設(shè)施硬件冗余的依賴。

數(shù)據(jù)中心發(fā)展至今，在市電中斷時對數(shù)千臺甚至上萬臺IT設(shè)備實現(xiàn)關(guān)機的想法已經(jīng)不現(xiàn)實，并且無法被業(yè)主接受;數(shù)據(jù)中心供電標準要求兩路市電或市電與后備發(fā)電機之間的手動切換。

15分鐘可以給后備發(fā)電機組“多一次啟動機會”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(nèi)無法啟動的話，那么就像汽車一樣，幾乎不可能在接下來的15分鐘內(nèi)可以恢復(fù)啟動;數(shù)據(jù)中心供電標準要求后備發(fā)電機組必須在15秒內(nèi)完成啟動帶載，并且目前的發(fā)電機技術(shù)完全可以滿足。

越來越多的客戶傾向于飛輪UPS的依據(jù)是，如果發(fā)電機系統(tǒng)不能在15秒內(nèi)啟動并正常帶載的話，那么運維人員也不太可能會在15或者30分鐘內(nèi)找到故障并立刻修復(fù)，數(shù)據(jù)中心的電力中斷將在所難免!”新建數(shù)據(jù)中心開始考慮是否真的需要30分鐘的后備時間，是否更短的時間也可以接受?據(jù)此，有研究機構(gòu)預(yù)測將引發(fā)一場UPS選擇和配置的變革。過去認為是非主流或小眾市場的UPS技術(shù)在未來會得到推崇。而數(shù)據(jù)中心模塊化部署的趨勢必將推動這場變革。

對國內(nèi)用戶來說，目前市電電源的可靠性達到3個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已經(jīng)達到了4個9，即99.99%。萬一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達到3個9，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10秒的時間，這是一個公開的標準。目前，歐洲已經(jīng)將這個時間定在了8秒。目前國內(nèi)很多數(shù)據(jù)中心，多采用2N以上結(jié)構(gòu)，使用飛輪UPS完全可以滿足應(yīng)用。

近日，常州柴油發(fā)電機工廠， Active Power飛輪UPS與油機配合實測證明此言不虛。Active Power實測設(shè)備CleanSource1000KVA飛輪UPS數(shù)據(jù)顯示：飛輪UPS空載、半載系統(tǒng)切換時間分別為8.8秒、11.5秒;飛輪UPS帶載率55%、99%時，飛輪放電時間分別為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。其供電效率也得到了驗證：當(dāng)飛輪UPS帶載率50%、70%、滿載時，飛輪UPS供電效率分別為96%、97%及98%。飛輪UPS在測試中表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，生動地展現(xiàn)了機械儲能UPS技術(shù)的卓越性能以及廣闊的發(fā)展空間。