如何構(gòu)建高可用UPS供電系統(tǒng)

　　隨著近年來數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)在大規(guī)模部署和運營中暴露的可靠性、維護性等問題日益突出，推動著用戶、設(shè)備商和方案設(shè)計公司合力進行供電系統(tǒng)的創(chuàng)新和優(yōu)化，供電系統(tǒng)的建設(shè)思路逐步從傳統(tǒng)上關(guān)注可靠性轉(zhuǎn)移到保障可用性上來。那么為何要建設(shè)高可用供電系統(tǒng)，如何建設(shè)高可用供電系統(tǒng)，本文對此做出了一些探討。

　　可用性綜合反映用戶的真實需求，可靠性是影響可用性的因素之一

　　可靠性通過可靠度來衡量，可靠度的定義為：“給定系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和預(yù)知的時間內(nèi)持續(xù)完成規(guī)定功能的概率”。平均無故障工作時間MTBF (又稱平均故障間隔時間)是決定電源系統(tǒng)可靠度的重要指標，MTBF可通過定量定時的工業(yè)試驗或理論計算的方式獲得?？捎眯允侵府a(chǎn)品在任一隨機時刻需要開始和執(zhí)行時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。可用性計算公式是：

　　式中，MTBF(Mean Time Between Failures)是平均故障間隔時間，MTTR(Mean time to repair)是平均修復(fù)時間。

　　可靠性的高低代表了電源系統(tǒng)是否容易故障。但是從實際應(yīng)用的角度來說，任何設(shè)備都不可能保證在生命周期內(nèi)完全不出故障，用戶希望的是設(shè)備盡量不出故障，即使故障了也不要因故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)受影響;如果業(yè)務(wù)受到了影響，那么應(yīng)盡快消除故障。相比之下可用性的定義相比可靠性范圍更加寬泛，對于可修復(fù)系統(tǒng)而言，它不僅涵蓋了設(shè)備是否容易出錯的問題，還涵蓋了設(shè)備是否容易從故障中恢復(fù)。很明顯可用性更加真實地反映了用戶的需求。

　　在UPS行業(yè)，通常用幾個“9”來代表系統(tǒng)可用性的高低。它是指一年內(nèi)，系統(tǒng)在線運行及可進行生產(chǎn)的時間比例。比如6個“9”(可用性可達到99.9999%)，即每年可能存在的宕機時間少于32秒。UPS系統(tǒng)的目標是盡量提高UPS電源系統(tǒng)的可用性，減少來自市電的影響。

　　提升供電可用性的途徑

　　提高供電系統(tǒng)可靠性

　　從可用性計算公式可以看出，提高可靠性是提高可用性的一個重要途徑。提高供電設(shè)備可靠性分四個層次：

　　第一，設(shè)計標準級。在產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的可能應(yīng)用環(huán)境，選定相應(yīng)的設(shè)計標準。對產(chǎn)品使用時可能的電氣隔離、EMI/EMC、防雷、防浪涌、防噪干擾等電環(huán)境，防濕、防塵、防震、防腐等自然環(huán)境，及操作、維護、管理、搬運、安裝等的人環(huán)境有充分的評估，從而構(gòu)建產(chǎn)品合理的設(shè)計框架。

　　第二，器件級。在產(chǎn)品設(shè)計階段，嚴格篩選器件，配合最優(yōu)電路設(shè)計，并反復(fù)模擬各種惡劣環(huán)境測試器件應(yīng)力裕量，保障各類元器件的可靠運行。對于關(guān)鍵器件如電解電容，如果電路設(shè)計不夠優(yōu)化，紋波電流過大，芯溫過高，壽命將大大縮減，從而導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低。散熱風(fēng)扇也要選擇穩(wěn)定性好性能優(yōu)異的廠家提供，防止風(fēng)扇故障導(dǎo)致功率模塊溫度上升，影響正常供電。

　　第三，部件級。部件的可靠性主要體現(xiàn)在它的穩(wěn)定性和冗余性，在保證部件故障率降至最低的前提下，關(guān)鍵部件采用冗余設(shè)計是提高部件級可用性的最有效方法。

　　第四，方案級。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，使供電系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，并且具備容錯能力，整個供電路徑無單點故障點。圖1展示了一個無單點故障的冗余系統(tǒng)架構(gòu)圖。該方案由兩套系統(tǒng)組成，在每套系統(tǒng)中，A4環(huán)節(jié)做到輸入冗錯，A5環(huán)節(jié)做到雙回路互為備份，A6使用模塊化UPS或者并機，A7為單電源負載提供雙路保障，如果有條件A1和A2環(huán)節(jié)采用雙路市電輸入，單供電系統(tǒng)做到可靠冗余設(shè)計，然后方案采用2N容錯設(shè)計，基本做到無單點故障點和在線維護。

　　圖1無單點故障的冗余系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　提高UPS供電設(shè)備的可維護性

　　降低維護時間是提高可用性的另一重要途徑。模塊化設(shè)計可以有效改善易維護性，降低維護時間。UPS設(shè)備各個功能單元模塊化之后，故障之后只需更換上相應(yīng)備件即可，大幅降低了維護的技術(shù)門檻，運維人員可自行更換維護。不但維護成本可有效降低，故障修復(fù)時間也可大幅縮短，從而將業(yè)務(wù)損失降到最低。另外，模塊化易于實現(xiàn)在線維護，即故障修復(fù)期間負載可以不斷電。如果需要斷電才能維護，就需要拉備用電源為負載供電，這樣維護非常復(fù)雜，而且維護時間很長。

　　提高UPS供電設(shè)備的易用性

　　易用性是供電設(shè)備“可用性”的升華，直接影響用戶的產(chǎn)品體驗。從用戶的角度看，需要從以下幾個方面改善：①易搬運、易安裝。這需要產(chǎn)品體積足夠小，重量足夠輕，并且是模塊化可分解，從而降低搬運和安裝的難度。此外UPS是否支持上下進線，是否支持并柜安裝等都將影響安裝的難度。②易擴容。數(shù)據(jù)中心一般都有未來的擴容計劃，以匹配未來的業(yè)務(wù)增長需要。而現(xiàn)網(wǎng)的UPS供電設(shè)備為了確保可靠性通常供電路徑非常復(fù)雜，牽一發(fā)而動全身，擴容非常不便，即使條件滿足也有負載斷電的重大風(fēng)險。這樣的供電現(xiàn)狀顯然是不易用的。如果能夠像通信電源一樣，功率模塊可以熱插拔，擴容只需采購功率模塊在線插進去，那么擴容的易用性就可大幅改善。③易管理。UPS設(shè)備要高度智能化，各個供電節(jié)點做到可視化管理，便攜化管理。比如，可以開發(fā)手機APP進行隨身監(jiān)控和管理。

　　UPS供電系統(tǒng)可用性發(fā)展的歷程

　　第一代UPS——動態(tài)UPS.其利用機械慣性儲能以及電動機、發(fā)電機的能量傳輸機制以提供短時間的不間斷供電，體積龐大、造價昂貴、噪聲巨大，猶如一個小型電廠。動態(tài)UPS的特征是占地面積較大，噪音大，不易維護和使用，接近一套工程設(shè)備。

　　第二代UPS——工頻機。相比于動態(tài)UPS，其可用性提升主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，體積變小，搬運和安裝難度降低;第二，備電時間可以由后備電池決定，從動態(tài)UPS的秒級備電上升到小時級;第三，可以對較差電網(wǎng)優(yōu)化，如果一旦電網(wǎng)波動比較大，可以給后端設(shè)備提供相對穩(wěn)定的電力供應(yīng)。但是，工頻UPS依然存在一些問題：第一，運輸與安裝問題。工頻機因為體積龐大無法通過門和內(nèi)置的升壓用變壓器重量太重?zé)o法使用電梯運輸?shù)龋瑢?dǎo)致安裝此類UPS經(jīng)常要打墻安裝、吊車運輸;第二，維護問題，UPS主機類似黑盒設(shè)計，有任何故障或者異常都只能依托原廠家維修，運維人員不敢直接打開操作，時間響應(yīng)慢，對業(yè)務(wù)影響大。

　　第三代UPS——高頻機。高頻機的出現(xiàn)進一步提升了功率密度，體積減小了50%，從功能模塊上提升了維護性，縮短了MTTR時間，可在數(shù)小時內(nèi)完成修復(fù)。重量較工頻機進一步降低，有效提升了工程的可安裝性。同時，高頻機也大都采用了全數(shù)字化的高集成化設(shè)計，在維護性方面也有較大改進。THDi可以做到5%以下，明顯減少電網(wǎng)的諧波污染，效率也進一步提升到92-96%，體現(xiàn)出其節(jié)能優(yōu)勢。但是，對設(shè)備可用性的追求探索并未停止：單點故障是否可以排除?故障修復(fù)時間是否可以縮短至分鐘級?維護技術(shù)門檻可否降低至可以自行維護?

　　第四代UPS——模塊化高頻UPS.高頻機技術(shù)的發(fā)展為UPS的模塊化架構(gòu)提供了技術(shù)可能，結(jié)合類似通信電源的模塊冗余技術(shù)的供電架構(gòu)，模塊化的高頻UPS得以實現(xiàn)。①可靠性大幅提高，常態(tài)工作的功率模塊、控制模塊實現(xiàn)全模塊化冗余，消除單點故障點。②經(jīng)濟效益顯著，模塊化技術(shù)使得UPS效率上了一個新臺階，同時采用了通信電源成熟的智能休眠功能，讓UPS系統(tǒng)始終處于最佳效率點。③可維護性方面揭開了歷史嶄新的一頁，維護技術(shù)門檻也大幅下降。對于單模塊容量50KVA以下的小系統(tǒng)模塊化UPS，采用模塊熱插拔技術(shù)運維人員可以自行在線維護和擴容，故障修復(fù)時間和擴容時間也縮短至分鐘級，，對于單模塊容量200KVA以上的模塊化UPS，采用模塊隔離技術(shù)，雖然重量較重?zé)o法熱插拔，但運維人員可以自行在線分、合模塊來維護和查找故障，大幅度縮短修復(fù)時間，同時剩余模塊自行保證用戶的容量可用性。④在安裝、運輸上也體現(xiàn)出了模塊化的明顯優(yōu)勢——各單元模塊化可拆卸。模塊化高頻機UPS的功率密度比上一代產(chǎn)品更高，占地面積更小。

　　結(jié)語

　　UPS供電設(shè)備的核心價值是保障高可用性，為用戶提供高品質(zhì)、易用的不間斷供電從而確保業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運行，因此，對于數(shù)據(jù)中心UPS供電設(shè)備而言，我們需要轉(zhuǎn)換設(shè)計理念，從可靠性的點向可用性的面演進。而模塊化UPS相比傳統(tǒng)UPS在可靠性、易維護性、易用性等各個方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)，可更有力地保障業(yè)務(wù)的連續(xù)性與穩(wěn)定運行，更契合用戶對于高可用供電的需求。