高可用UPS供電系統(tǒng)建設(shè)的理由和解決方案

隨著近年來(lái)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(yùn)營(yíng)中暴露的可靠性、維護(hù)性等問題日益突出，推動(dòng)著用戶、設(shè)備商和方案設(shè)計(jì)公司合力進(jìn)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(lái)。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(duì)此做出了一些探討。

可用性綜合反映用戶的真實(shí)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(lái)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(shí)間內(nèi)持續(xù)完成規(guī)定功能的概率”。平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF （ 又稱平均故障間隔時(shí)間） 是決定電源系統(tǒng)可靠度的重要指標(biāo)，MTBF可通過定量定時(shí)的工業(yè)試驗(yàn)或理論計(jì)算的方式獲得?？捎眯允侵?a target="_blank">產(chǎn)品在任一隨機(jī)時(shí)刻需要開始和執(zhí)行時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度?？捎眯杂?jì)算公式是：

式中，MTBF（Mean Time Between Failures）是平均故障間隔時(shí)間，MTTR（Mean time to repair）是平均修復(fù)時(shí)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(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)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(duì)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(cuò)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(shí)地反映了用戶的需求。

在UPS行業(yè)，通常用幾個(gè)“9”來(lái)代表系統(tǒng)可用性的高低。它是指一年內(nèi)，系統(tǒng)在線運(yùn)行及可進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)間比例。比如6個(gè)“9”（可用性可達(dá)到 99.9999%），即每年可能存在的宕機(jī)時(shí)間少于 32 秒。UPS系統(tǒng)的目標(biāo)是盡量提高 UPS 電源系統(tǒng)的可用性，減少來(lái)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(jì)算公式可以看出，提高可靠性是提高可用性的一個(gè)重要途徑。提高供電設(shè)備可靠性分四個(gè)層次：

第一，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)。在產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)產(chǎn)品使用時(shí)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(hù)、管理、搬運(yùn)、安裝等的人環(huán)境有充分的評(píng)估，從而構(gòu)建產(chǎn)品合理的設(shè)計(jì)框架。

第二，器件級(jí)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，嚴(yán)格篩選器件，配合最優(yōu)電路設(shè)計(jì)，并反復(fù)模擬各種惡劣環(huán)境測(cè)試器件應(yīng)力裕量，保障各類元器件的可靠運(yùn)行。對(duì)于關(guān)鍵器件如電解電容，如果電路設(shè)計(jì)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(jí)。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(jì)是提高部件級(jí)可用性的最有效方法。

第四，方案級(jí)。通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使供電系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，并且具備容錯(cuò)能力，整個(gè)供電路徑無(wú)單點(diǎn)故障點(diǎn)。圖1展示了一個(gè)無(wú)單點(diǎn)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(cuò)，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(jī)， A7為單電源負(fù)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(jì)，然后方案采用2N容錯(cuò)設(shè)計(jì)，基本做到無(wú)單點(diǎn)故障點(diǎn)和在線維護(hù)。

圖1 無(wú)單點(diǎn)故障的冗余系統(tǒng)架構(gòu)圖

提高UPS供電設(shè)備的可維護(hù)性

降低維護(hù)時(shí)間是提高可用性的另一重要途徑。模塊化設(shè)計(jì)可以有效改善易維護(hù)性，降低維護(hù)時(shí)間。UPS設(shè)備各個(gè)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(hù)的技術(shù)門檻，運(yùn)維人員可自行更換維護(hù)。不但維護(hù)成本可有效降低，故障修復(fù)時(shí)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(shí)現(xiàn)在線維護(hù)，即故障修復(fù)期間負(fù)載可以不斷電。如果需要斷電才能維護(hù)，就需要拉備用電源為負(fù)載供電，這樣維護(hù)非常復(fù)雜，而且維護(hù)時(shí)間很長(zhǎng)。

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(yàn)。從用戶的角度看，需要從以下幾個(gè)方面改善：①易搬運(yùn)、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(yùn)和安裝的難度。此外UPS是否支持上下進(jìn)線，是否支持并柜安裝等都將影響安裝的難度。②易擴(kuò)容。數(shù)據(jù)中心一般都有未來(lái)的擴(kuò)容計(jì)劃，以匹配未來(lái)的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)需要。而現(xiàn)網(wǎng)的UPS供電設(shè)備為了確?？煽啃酝ǔ９╇娐窂椒浅?fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全身，擴(kuò)容非常不便，即使條件滿足也有負(fù)載斷電的重大風(fēng)險(xiǎn)。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(kuò)容只需采購(gòu)功率模塊在線插進(jìn)去，那么擴(kuò)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(gè)供電節(jié)點(diǎn)做到可視化管理，便攜化管理。比如，可以開發(fā)手機(jī)APP進(jìn)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——?jiǎng)討B(tài)UPS。其利用機(jī)械慣性儲(chǔ)能以及電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量傳輸機(jī)制以提供短時(shí)間的不間斷供電，體積龐大、造價(jià)昂貴、噪聲巨大，猶如一個(gè)小型電廠。動(dòng)態(tài)UPS的特征是占地面積較大，噪音大，不易維護(hù)和使用，接近一套工程設(shè)備。

第二代UPS——工頻機(jī)。相比于動(dòng)態(tài)UPS，其可用性提升主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，體積變小，搬運(yùn)和安裝難度降低；第二，備電時(shí)間可以由后備電池決定，從動(dòng)態(tài)UPS的秒級(jí)備電上升到小時(shí)級(jí)；第三，可以對(duì)較差電網(wǎng)優(yōu)化，如果一旦電網(wǎng)波動(dòng)比較大，可以給后端設(shè)備提供相對(duì)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(yùn)輸與安裝問題。工頻機(jī)因?yàn)轶w積龐大無(wú)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(yùn)輸?shù)龋瑢?dǎo)致安裝此類UPS經(jīng)常要打墻安裝、吊車運(yùn)輸；第二，維護(hù)問題，UPS主機(jī)類似黑盒設(shè)計(jì)，有任何故障或者異常都只能依托原廠家維修，運(yùn)維人員不敢直接打開操作，時(shí)間響應(yīng)慢，對(duì)業(yè)務(wù)影響大。

第三代UPS——高頻機(jī)。高頻機(jī)的出現(xiàn)進(jìn)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(hù)性，縮短了MTTR時(shí)間，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成修復(fù)。重量較工頻機(jī)進(jìn)一步降低，有效提升了工程的可安裝性。同時(shí)，高頻機(jī)也大都采用了全數(shù)字化的高集成化設(shè)計(jì)，在維護(hù)性方面也有較大改進(jìn)。THDi可以做到5%以下，明顯減少電網(wǎng)的諧波污染，效率也進(jìn)一步提升到92-96%，體現(xiàn)出其節(jié)能優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)設(shè)備可用性的追求探索并未停止：?jiǎn)吸c(diǎn)故障是否可以排除？故障修復(fù)時(shí)間是否可以縮短至分鐘級(jí)？維護(hù)技術(shù)門檻可否降低至可以自行維護(hù)？

第四代UPS——模塊化高頻UPS。高頻機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)全模塊化冗余，消除單點(diǎn)故障點(diǎn)。②經(jīng)濟(jì)效益顯著，模塊化技術(shù)使得UPS效率上了一個(gè)新臺(tái)階，同時(shí)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(diǎn)。③可維護(hù)性方面揭開了歷史嶄新的一頁(yè)，維護(hù)技術(shù)門檻也大幅下降。對(duì)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(yùn)維人員可以自行在線維護(hù)和擴(kuò)容，故障修復(fù)時(shí)間和擴(kuò)容時(shí)間也縮短至分鐘級(jí)，，對(duì)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(yùn)維人員可以自行在線分、合模塊來(lái)維護(hù)和查找故障，大幅度縮短修復(fù)時(shí)間，同時(shí)剩余模塊自行保證用戶的容量可用性。④在安裝、運(yùn)輸上也體現(xiàn)出了模塊化的明顯優(yōu)勢(shì)——各單元模塊化可拆卸。模塊化高頻機(jī)UPS的功率密度比上一代產(chǎn)品更高，占地面積更小。

結(jié)語(yǔ)

UPS供電設(shè)備的核心價(jià)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(yùn)行，因此，對(duì)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(jì)理念，從可靠性的點(diǎn)向可用性的面演進(jìn)。而模塊化UPS相比傳統(tǒng)UPS在可靠性、易維護(hù)性、易用性等各個(gè)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(yùn)行，更契合用戶對(duì)于高可用供電的需求。

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