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数据中心机房UPS电源供电方案的比较及建议

发表时间：2021/4/12 来源：《基层建设》2020年第32期作者：杜显平

[导读] 摘要：数据机房的电源系统是保证计算机设备和辅助用电设备可靠运行的基本条件。

        上海华梭电脑系统工程有限公司上海   201112
        摘要：数据机房的电源系统是保证计算机设备和辅助用电设备可靠运行的基本条件。根据重要计算机数据中心对电源系统的要求，必须建立高质量的、高度安全可靠的电源系统，以保证电力传输中任何元器件的单点故障，都不会影响系统的正常供电。因此，针对不同等级的数据中心，要设计不同的UPS供电方式，既要保证数据中心的可靠性和安全性，又要考虑数据中心建设的经济合理性。
        关键词:数据中心;UPS;电源系统
        引言
        在互联网时代下，数据中心已经成为其信息化建设的基本保障。而在整个数据中心当中，UPS系统为其电力的来源所在，其在保护数据安全方面，发挥着举足轻重的作用。设计UPS供配电方案时，需要将多因素考虑在内，比如设备投资、机房需求等，需要朝着更安全、节能、环保等层面发展。本文对比了UPS供电方式，并围绕各等级数据机房的UPS供电方式，给出了相关建议，现对此作逐一探讨。
        一、UPD电源配置原则
        数据中心机房中的IT通信设备，最大瞬间供电中断时间要在20毫秒以内，如果超过这个范围将会造成设备运行终端，使机房处于瘫痪状态，将会为企业带来极大的经济损失。数据中心机房中的通信负载属于非线性，且谐波较大，功率因数较小，需要使用较大的UPS电源容量以保证系统能够承受负载功率。保持这样的电源配置原则，才能够保证当数据中心电源发生故障的情况下UPS电源正常运行。通常情况下，UPS电源设备的最大负载在80%的范围之内， UPS电源组成并联冗余系统。
        二、数据中心机房对UPS电源的要求
        数据中心机房需要为用户实时处理数据，并对处理的数据进行存储或者传输，中心机房中的IT设备所允许的瞬时电力终端时间为0.02s，如果服务器或者交换机等IT设备超过0.02s的电力中断，将会使整个网络系统瘫痪，瘫痪后需要重启因此，为了保证数据中心机房的UPS电源可以全年无休的进行供电，则UPS电源需要满足以下要求：
        1、使用在线式UPS电源为数据中心机房提供逆变器电源，保证UPS电源为机房提供稳定的、连续的、无干扰的高质量电源，稳压和连续供电可以保证数据中心机房中的IT设备安全可靠的运行；无突变、无干扰则是保证数据中心机房中的IT设备能够处于高速运转的状态下。
        2、数据中心机房的UPS电源，不能进入到普通的市电电源状态，一旦进入到市电电源经交流旁路供电状态下，用户的关键性负载的电源供电质量将会明显降低，安全无法得到有效保障，存在非常大的安全风险。
        3、选择2N的冗余并机技术，以提高UPS电源在数据中心机房的容错能力。
        4、使用双总线输入、输出的供电系统，当带电状态下进行维修，发生故障时，电源可迅速切换到UPS逆变器中，保证数据中心机房中的IT设备的电源得到较高的可用率。
        三、UPS供电方式比较及建议
        在不间断供电系统中，为了确保重要负载不会因UPS、电池、内部模块系统等设备故障造成断电问题，具有不同安全等级的机房要有相应等级的不间断电源供电方式。在现有技术条件下，主要有以下三种供电方案可供选择。

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        1.N+1(或者M+N)冗余供电方式
        N+1(N台工作，1台冗余)或者M+N(M台工作，N台冗余)冗余供电方式是由两台或多台同品牌、同型号、同功率的UPS，在输出端并联连接在一起而构成的UPS冗余供电系统。通过并机通信及控制功能，该系统在正常情况下，所有UPS输出实现严格的锁相同步(同电压、同频率、同相位)，各台UPS的逆变器均分负载;当其中一台UPS故障时，该台UPS从并联系统中自动脱机，剩下的UPS继续保持锁相同步并重新均分全部负载。根据负载对可靠性的不同要求，该方式可以实现N+1(N台工作，1台冗余)或者M+N(M台工作，N台冗余)的冗余配置，可以实现较高和较灵活的冗余度配置;正常工作时所有UPS的负荷完全均分，设备的老化程度与寿命基本一致;系统中冗余的UPS主机在故障脱机时不会影响负载供电的连续性;既可以通过增加并机UPS的台数实现系统的扩容，也可以有计划地退出并机的UPS进行维护，可维护性极高。该供电方式要求提供一套能满足系统基本要求的组件、模块、系统及走线路由等，并在系统内冗余备份一台或N台主机设备组件、模块等。当该系统内任意某一套组件或模块等设备出现故障时，不会影响系统的整体运作。N+1(N台工作，1台冗余)或者M+N(M台工作，N台冗余)按照部分冗余模式配置，在冗余能力范围内，不会因为设备故障而导致通信设备运行中断。适用于普通设备区，可满足国标中安全等级要求为B级和T3标准的数据机房的供电要求。
        2.双总线供电方式（2N容错供电方式）
        为了使机房供电系统始终处于稳定、高效且可靠的运行状态，2N系统（由两套独立运行状态的UPS系统组成）开始应用于大中型数据中心，该种模式就是当前业内最广泛应用的双总线系统（或称之为2N容错系统）。针对双总线供电方案，其主要由两套完全独立的UPS主机、输入与输出配电屏、蓄电池组等构成，该系统全程双路由，所有负载均采用的是2N容错供电方式。还需强调的是，此方式要求提供两套可以满足系统各项要求的走线路由、组件、模块等。如果其中某一套系统出现故障（模块、组件故障等），那么也不会对系统正常、高效运行造成影响。相比于N+1等单系统供电方案，2N容错供电方式主要优点即为能够在系统任意单点处于检修状态或故障状态时，无间断地为IT负载供电；另外，还能在促进供电可靠性的同时，便于开展在线改造、扩容、维护等工作；但不足之处即为需要设置两套UPS系统，因而会增加投入的成本。针对2N容错供电方式来讲，其对于那些高保障等级设备比较适用，无论是安全等级为国标A级的数据机房，还是基于T4标准的机房，其均能满足。
        3.“Δ型”供电方式
        “Δ型”供电方式属于一种变异的双母线供电系统形式，可以将其称为三母线系统或3N供电模式，采用的三套系统中如出现故障，全部负荷会由另外两套承担，该供电方式同时拥有2N冗余供电方式的是所有特点，拥有66%的单条母线最大安全带载率。深入分析可以发现，“Δ型”供电方式可缩减配电设备对场地的占用、拥有不低于2N冗余供电方式的效用、可节约蓄电池及主机等配电设备的投入、可最大化发挥配电系统优势、实现最优的系统带载负荷，因此其能够满足大部分T4及所有T3+和A级标准数据机房需要，较为适用于高等级设备区。
        结束语
        综上，随着大数据交互时代的到来，我国将继续大规模建设数据中心，而在设计数据中心内部的配套电源系统时，需要依据机房的基本建设要求来进行合理化、规范化的搭建，不可单纯的追求更高的建设标准，而应该从实际需求出发，综合考虑投入成本和安全性，从而使UPS电源供电方案更适合某个特定的数据中心要求。
        参考文献
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