模块化UPS在企业级数据中心的应用

国内的数据中心概况

    这里讲的企业级数据中心是指各企业或者政府单位根据自身业务需要而建造的自用机房，它跟以提供服务器托管为主的IDC（Internet Data Center互联网数据中心）机房相比主要区别在于系统容量偏小﹑不对外公开，但其主要职能仍不外乎存储﹑计算﹑应用等方面。目前数据中心作为一种物理载体在企业发展和运营中越来越被重视，国内很多大型企业、政府部门都在不断地投入这方面的建设。总体看来，我国的数据中心目前具有以下几个特征：

1．刚刚起步，但增长速度迅猛。
     国内数据中心建设最早的是政府部门，这一波主要集中在1999、2000年；在2002、2003年的时候呈现第二波，主要集中在金融和电信企业；2006年以后，主要集中在地方政府和国内传统的大型企业。这些企业单位虽然已规划建设了数据中心，但已完全建成的所占比例很小，大部分仍处在建设过程中，有的处于存储中心阶段，有的处在计算中心阶段。此外，电子商务和电子政务的发展也将促使更多的数据中心被建设。总之，国内的数据中心还处在发展初期，据有关部门的统计，2006年以来，国内每年用于建设数据中心的投资已达到百亿元以上，并且未来每年投入的增长率还将在20%以上。

2．系统利用率低。

    由于对容量的估算不准或者初期的负载量很小，数据中心的设计容量跟实际容量不符。据调查显示，有70%以上的用户实际负载量不足设计容量的50%，造成了能源和设备的很大浪费。

3．基础设施不够匹配，整个系统的可用度不高。

在系统可用度方面，金融﹑电信和政府部门做得相对比较好，能达到99.99%或者99.999%以上，其它的企业宕机时间就会长一些。这主要是因为在设计整个系统时，只加强了个别环节的可靠冗余，忽视了一些单点故障点的存在。当某个数据中心的系统可用度在99.9%时，其年度宕机时间将达到9个小时。

4．维护和管理能力有待加强。

由于国内的数据中心发展还处在初期阶段，有能力﹑有经验的维护人员还比较缺少。管理人员缺乏对系统全面﹑科学的管理，对灾难备份重视不够，导致大部分的系统故障都是人为原因造成的。

企业级数据中心对UPS电源系统的一般要求

    基于服务器自身工作的特点及其重要性，数据中心对电源的要求特别高，一般要用冗余的纯在线式UPS系统才能满足要求。高可用度是对整个UPS电源系统的第一要求，但并不是唯一要求，随着数据中心建设的发展，人们对UPS电源系统的要求也更加全面和合理。从整体角度用发展的眼光来看，企业级数据中心对UPS电源系统的要求有以下几个方面：

1．安全可靠，一般要求UPS电源系统的可用度A≥99.999%。“5 个 9”相当于每年有5 分钟的宕机时间。这个指标是非常高的，首先，可用度是在系统运行寿命期内的连续测量值，它是用总的正常运行时间除以总的运行时间得出的。A=MTBF/（MTBF+MTTR）， 1 小时的断电时间会使该电源系统的可用度在 12 年内达不到 5 个 9 的目标。其次，在公式中还要考虑系统重新启动和恢复的时间。一次 3秒钟的断电可能会使服务器宕机 30分钟，不考虑这些影响因素所计算出的可用度结果意义不大。再者，这个可用度指的是整个UPS供电系统，不是UPS本身。有些企业的数据中心，UPS的容错能力很强，可用度很高，但是跟它相连的各级断路器、变压器、转换开关等环节存在多个单点故障点，这种设计就出现了可用度“瓶颈”，可用度不高的环节始终会妨碍整个电源系统达到最优的可用度。据统计显示，全国数据中心的UPS供电系统，有超过70%的故障跟UPS本身无关，而是跟配电系统中其它环节或其它设备的质量、安装、操作、维护等问题有关，或者由于这些问题导致了UPS误动作或者故障。可见，UPS设备仅仅是涉及整个供电系统可用度问题的因素之一，实现各环节的可靠均衡对于获得整个UPS电源系统的最佳可用度来说是至关重要的。

2．可提供双路电源，以满足双电源服务器的需求。目前市场上的服务器一般都要求双电源输入，任何一路电源出错都不影响服务器的正常工作，从而使服务器对电源问题的容错能力大幅提升。

3．UPS电源系统可陆续扩容，并且扩容过程中不能影响负载的正常运行，以满足服务器不断扩容和不可中断的需求。这样既能有效节省系统建设初期的投资费用，又能使UPS在整个数据中心的建设过程中始终保持在安全而又高效的工作状态下，提高了系统性价比。

4．系统零地电压要低，一般不高于1V,以确保服务器数据传输的稳定可靠，免受干扰。系统中零地电压过高的原因有：电网进线本身的零地电压就偏高，系统接地系统不符合标准，或者系统中谐波电流大﹑地线长﹑线径小等。UPS本身并不会降低零地电压，降低零地电压要通过改善配电系统来实现。

5．绿色环保，节能降耗，顺应时代潮流。在能源紧缺﹑重视环保的今天，绿色﹑节能的电源系统备受关注，有的企业已将节能做了量化规定，作为企业每年必须完成的硬性指标去执行。UPS在绿色﹑节能方面的表现主要体现在输入功率因数﹑输入电流谐波以及整机效率等方面。表现好的UPS可以减少设备对电网或者油机的干扰，也可以节省电费，降低运营成本。

6．UPS供电系统应维护方便，便于管理。这样不但可以节省系统的维护成本，更为重要的是可以尽量避免因人为维护或者管理不当而引发的系统故障。

为了满足上述要求，必须选用合适的UPS产品，制定合理的UPS供电方案。下面以台达C系列UPS为例加以介绍。

台达C系列UPS在企业级数据中心的应用

    台达C系列UPS是一款基于DSP控制技术的模块化UPS，每个模块容量为20KVA。该机体积小、重量轻，输入电压范围宽，过载能力强，同时具有高输入功率因数（>0.99）,低输入电流谐波（<3%）,高整机效率（>94%）等特性，并且这些特性在30%左右的负载时就能达到，是一款名副其实的绿色环保型UPS。

台达C系列UPS可并可串，能够实现多种电源组合方案，这里介绍一种台达C系列UPS在企业级数据中心的应用方案。

该方案的系统示意图如下：

    该方案采用一路市电，一路油机通过ATS转换后给UPS供电。两台UPS的主输入和旁路输入都分别由输入配电柜内的不同开关引入。主机采用台达C系列模块化UPS，可根据负载需要陆续扩容，始终保持各机单独带载时模块还是N+1冗余的。每台UPS至少配置两组蓄电池，每组蓄电池都有自己的开关。UPS输出侧可根据零地电压的高低决定是否增加隔离变压器，如须增加隔离变压器，则该变压器采用H级绝缘等级的，并且配上旁路开关。两台UPS的输出分别接到两个配电箱内，双电源设备直接从两个配电箱内取电；单电源设备分别从UPS1或者UPS2的输出配电箱内取电，实现正常情况下两台UPS的负载均分，单电源设备上游的配线和空开也采用冗余配置。

下面根据数据中心对UPS电源系统的几项要求谈谈该方案的合理性：

一．系统简单实用、安全可靠

1. 按照安全级别要求，数据中心的电源系统应当有双路电源输入，但是并不是每个企业单位都具备这个条件，就算向电力局申请到了双电源，也需要花费巨资架线、安装变压器等，并且还不能保证两路交流电的总源头不是一个，就算总源头不是一个，也不能保证这两路市电不会同时断开。也就是说花费了人力﹑财力，最终还不一定能达到目的，所以不如自己备一台油机，平时不用，一旦市电停了再去开启都来得及，因为UPS还有电池在放电。由于两台UPS的输入始终是同一路电，彼此间不需要安装任何装置就能保证它们的相位一致，这样有三方面的好处:一是有效节省购买系统同步追踪器（LBS）的投资；二是排除系统同步追踪器（LBS）的单点故障点；三是两台UPS是彼此独立的，没有相互关联，任何一台故障都不会影响到另外一台，从而提高了系统的可用度.

2．每台UPS的主输入和旁路输入都有其独立的开关，万一主回路有问题使开关跳脱了，UPS还可以转电池，电池有问题还可以转旁路，不会造成UPS的输出端停电。

3.台达C系列UPS单机系统的可用度A≥99.9998%，已能满足大型数据机房的要求，两台机器组成双母线后，彼此没有任何控制关联，各自的可用度不受影响，而由这两台UPS组成的冗余式双电源系统的可用度将呈数量级的增长。

4．每台UPS至少配两组电池，每组电池都有各自的开关，这样任何一组电池坏了都可以实现在线更换，并且不会造成系统宕机，因为UPS都还有另外的一组电池可用。

5．更为重要的是，台达C系列UPS是模块化UPS,跟传统的大型工频UPS相比，其维修要方便快捷的多，平均维修时间MTTR不到传统工频UPS的五分之一。由于UPS电源系统的可用度 A=MTBF/（MTBF+MTTR），所以MTTR是影响电源系统可用度的一个很关键因素。事实证明，通过提高平均无故障时间MTBF来提高系统可用度A是非常困难的，而通过缩短平均维修时间MTTR来提高系统可用度A，其效果则是非常明显的，并且在一定程度上也是可控的。

二．提供双路电源输出，满足各服务器需求

    该方案中，UPS系统的输出电源为双路，分别接到两个配电箱内，双电源设备直接从两个配电箱内取电；单电源设备分别从UPS1或者UPS2的输出配电箱内取电，实现正常情况下两台UPS的负载均分。目前市场上的服务器多数都是双电源的，单电源的已很少，数据中心用的单电源服务器多数应是以前留下来的。这里不主张在单电源服务器前边加装STS，因为单台模块化UPS已经具备了N+X冗余功能，可用度A达到了99.9998%以上，已能满足数据机房对电源的要求，加装STS后就等于增加了一个单点故障点，它的故障将给数据中心带来灾难，国内已不乏这样的案例。对于双电源服务器，其上游的配线和空开已经做到了冗余备份，对于单电源服务器，这里对其上游的配线和空开也进行冗余配置，这对实现系统各环节的可靠均衡，获得整个系统的最佳可用度来说是非常重要的。此外，对于国标要求的“电源设备应靠近主机房设备”﹑“电源应采用地下电缆进线”﹑“配电线路宜采用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆”等内容，本方案也都符合。

三．可陆续扩容﹑节省系统首次投资

    UPS电源系统可陆续扩容，这是模块化UPS的一大优势。在企业数据中心建造之初，由于负载很轻，可以少放几个模块。例如负载容量为40KVA,每台UPS可以放三个模块，形成由两台60KVA UPS组成的双母线系统，同时每台UPS又是并联冗余的模块系统。正常运行时，每个模块的带载量约为33%，每台UPS中的任意两个模块故障都不会对负载产生影响；整个系统的6个模块中，任意4个模块同时故障都不会对双电源负载产生影响。当负载容量需要由现在的40KVA扩充为60KVA时,可以给每台UPS增加1个模块，形成由两台80KVA UPS组成的双母线系统。正常运行时，每个模块的带载量约为37.5%,可允许每台UPS中的任何两个模块故障，就算其中一台UPS完全故障了，所有双电源负载及部分单电源负载都不会受到影响，另一台UPS至少还有1个模块是冗余的。随着负载量的增加，各UPS模块在正常运行时所带的负载量会越来越接近于50%。

    台达C系列UPS的这种配置方案，可以不预留过多的裕量，当负载功率增加时再陆续扩容，这样可以将一次巨额投资化解为陆续投资，并且使UPS系统一直维持在一个相对较高的负载百分比下。台达C系列UPS在负载量达到30%时，整机效率就可达到94%以上，单个模块的效率达到95%以上，极大地节省了电能。

    传统的大型工频UPS体积庞大，扩容时相应的空开﹑电缆﹑电池﹑空间等都要相匹配，很难实现在线扩容。所以在开始设计和建造数据中心时，往往就对以后几年的负载量进行了预估，将UPS设备一步到位。这样一开始就要投入一笔巨额资金，并且在数据中心运行初期，各UPS的负载量可能还不到其额定容量的10%，相应的设备效率也不会超过50%，造成资源的极大浪费。

    数据中心的实际需要容量跟不同UPS系统可用的安装配置容量的关系可用下图来表示：

四．依据需要改善系统零地电压

    有些服务器厂家对电源的零地电压要求比较高，必须小于1V才肯开机，当UPS输出端的零地电压较高时，往往寄希望于UPS供电系统进行改善，虽然不是UPS自身问题造成的。在本方案中，根据需要可在每台UPS的输出端加装一台H绝缘等级的隔离变压器，并在其次级将零地短接，确保零地电压小于1V,保证各服务器的稳定运行。H等级是变压器的最高绝缘级别，在摄氏120度温度下变压器还可以正常运行。该变压器的可靠性是非常高的，为了以防万一，本方案在每台变压器的旁边又增加了维护旁路。

五．绿色环保、节能降耗

    台达C系列UPS是一款典型的绿色环保型UPS。体积小、重量轻，可以大大节省宝贵的机房空间；效率高，可以有效节省自身耗电，同时也减小了对机房空调容量的要求；谐波小，可以减少设备对电网的干扰，使挂在电网上的其它设备免受影响，当UPS跟油机配合使用时，还可以大大降低对油机容量的要求。传统的6脉冲整流UPS，要求油机容量为UPS容量的2.5~3倍；12脉冲整流的UPS，要求油机容量为UPS容量的1.5~2倍；采用台达C系列UPS，要求油机容量仅为UPS容量的1.1~1.3倍。

同时，该方案还使UPS的设备利用率提高，在保证系统安全可靠的前提下，有效地减少了多余容量。

六．智能化监控、人性化管理

    台达C系列UPS具有专业、全面的电池组管理功能。机体标配RS232、8组可规划的智能化输入输出干结点、两组独立的智能插槽等接口，可以选配SNMP/ MODBUS/ RELAY/ USB…等适配卡，通过电话网络或者数据网络实现对UPS的远端监控。台达UPS具有功能强大的人性化软件操作平台，客户可通过该软件实现对台达所有UPS机型的集中监控，也可以通过通信协议将台达UPS并入既有的动环监控系统，实现对它们的监管。此外，大型的LCD人机界面可以全中文显示UPS的各种运行状态，多达500项的事件纪录、近远端紧急关机键等功能为UPS的故障判断及紧急情况的处理提供了方便。

    台达工程技术人员负责对每个数据中心的电源维护人员提供系统﹑详细的培训，包括系统工作原理﹑操作程序﹑维护保养注意事项﹑紧急情况处理等内容。操作及管理人员的技术熟练程度可以在很大程度上帮助提高系统的可用度。台达的专业工程师还可以提供定期巡检，协助及时发现数据中心的一些潜在威胁，防患于未然。

服务的重要性

     数据中心对电源系统的要求非常高，为了提高该系统的可用度，人们设计出了各式各样的方案，然而，再可靠的方案，再好的设备总会有故障的时候，能够为数据中心电源系统提供安全保障的最终王牌还是厂商的服务。

    中达电通早就认识到了这一点，一直把服务同销售放到了同等重要的地位，以“提供品质卓越的不间断电源产品和令客户百分之百满意的服务”为宗旨，在销售台达UPS的同时，也把周到快捷的售前、售中、售后服务送到了客户身边。

    多年来，中达电通的服务已形成一个庞大、完善的体系。客户热线7*24小时开通；CS系统对每台UPS的安装地点、安装日期、维修及巡检纪录都有明确的记录；对服务工程师采取严格的培训和认证；两百多名专业的工程师分布在全国34个分支机构和服务网点；每个服务网点都有充足的备品备件；对销售的产品采取保内免费、终生服务的政策；紧急情况下还可开启迅速、快捷的绿色服务通道。总之，台达的服务会令所有用户高枕无忧。

总结

    随着时代的进步，人们对数据中心电源系统的要求不断发生变化。总的趋势是：安全可靠仍是最重要的，扩容方便、配置灵活的中小型系统将逐步取代一步到位的复杂的大系统，环保高效的高频UPS将逐步取代笨重庞大的工频UPS，人性化的软件监控系统越来越被欢迎，对厂商的服务要求越来越高。本文介绍的模块化UPS在企业级数据中心的应用案例，满足了数据中心对UPS系统的各项具体要求，同时也有效避开了国内数据中心目前所存在的几个问题。