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现代数据中心UPS供电系统的设计理念
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武汉中电通

时间 : 2020-03-31 16:35 浏览量 : 1

       


       目前,数据中心UPS供电系统现状和存在的问题,是UPS厂商和供电系统设计中必须面对的实际问题,正是这些客观存在的问题促使着UPS技术的进步和供电系统设计理念的变化,其主要表现在以下四个方面:


       ①从单台UPS设备向整个供电系统变化。UPS仅是供电系统中的一个环节, 一个完整的供电系统中除了UPS外,还有变压器、瞬态电压浪涌抑制器、电源进线开关柜、负载配电柜、备用发电机组、交流稳压器、隔离或升降压变压器、蓄电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插器,上百乃至几百个级连接点和相应的传输线。所有这些在UPS供电系统中都会形成单路径故障点,由于这些部件和环节在可靠性模型中具有串联特性,以及它们之间的相互影响,就使得UPS供电系统可靠性大幅度降低。在不断提高UPS设备的性能和可靠性的同时,还必须加强对整个UPS供电系统可靠性的研究。所研究的问题包括:


       ●系统中各种设备和环节的相互匹配和可靠性问题;


       ●系统可用性和冗余配置问题;


       ●可修复和降低修复时间问题;


       ●UPS设备的模块化冗余系统结构问题;


       ●各种设备和环节连接技术的研究和规范化问题;


       ●UPS供电系统的布局(集中式、区域式、分散式)问题、系统的可维护性和集中管理问题等。


       ②对系统可靠性的研究向可用性研究变化。数据中心对供电系统的连续性提出了非常高的要求,UPS经过多年发展,其性能指标已完全可以满足数据中心中网络设备对电源的要求,真正能为数据中心带来价值的是其可用性。可用性定义为:系统在使用过程中,可以正常使用的时间与总时间之比。可用平均无故障工作时间MTBF和平均修复时间MT TR表示:


可用性A( t) =MTBF/ ( MTBF+MT TR )


       在概念上它包含了UPS供电系统中设备的可靠性、可管理性和可维护性,可用性高意味着数据中心有更多的正常使用时间,把故障后不可用时间降到最低限度。对可用性的研究促进了UPS设备和供电技术的全面发展,包括设备和系统的冗余可容错技术、设备的模块化可在线热插拔维护和扩容技术、系统的集成一体化技术、智能管理和与IT系统无缝集成地通信管理技术等。


       ③从对单纯的UPS供电系统研究转向对整个数据中心基础物理设施( NCPI )的研究。保证数据中心中网络IT设备正常运行的条件除了配置UPS供电设备外,还必须有与之配套的完整的供电系统、空调及通风系统、机架及IT设备线缆的支撑系统、消防及门禁系统等,统称为数据中心的关键物理基设施,这些设施都会在-定程度上影响数据中心的可用性,所以研究工作自然地就由单纯的电力供应扩展到空气调节( 包括IT机架微环境)、IT设备机械支撑、系统的集中管理等。NCPI概念的提出标示着供电系统设计观念和策略发生了变化,从关注产品和系统本身到关注实际应用,从供电设备一点数据中心供电支撑系统的思维模式转变。换句话说,不再孤立地看待性能单一的供电系统,而是把它放在一个大系统中去,对系统做全面的研究、设计、构建、管理和评估。从UPS设备到一体化供电系统,再到NCPI ,是数据中心供电系统设计思维模式的重大变化。


       ④提高UPS供电系统的适应性。当经济环境的变化周期小于设备的生命周期时,就会对设备的适应性提出要求。由于技术发展和经济环境的不确定性和不可预测性,要求一台设备能够自动而有准备地适应新的需求是根本不可能的。一般来说,物理基础设施不可能像软件系统那样容易地进行升,数据中心的NCPI要适应的变化包括:经济形势的变化、IT设备技术革新和功率密度的变化、维护人员操作水平的变化、组织管理模式的变化、设备行场地的变化等。对于NCPI来说,要适应这些变化,需要考虑以下的设计思路:模块化、积木化设计;开放式设计;集成化设计;高密度、小型化设计。数据中心供电系统设计理念的变化,导致了UPS集成化设计理念的产生,在这种设计理念下设计出的典型产品是APC公司的"英飞集成系统”(ISX)。


       产品在设计中遵循的原则是:


       各供电设备制造和供应渠道的统一化;各供电设备和环节( 包括负载机架)结构的一-体化和连接的规范化;各供电设备和环节(包括负载机架中的PDU )电源状态管理的集中化;各供电设备和环节结构的模块化、冗余配置和连接的热插拔。ISX 是实施NCPI理念的具体方案,是一个完整的数据中心供电系统,它由电力供应、空气调节、IT设备机械支撑和系统管理等4个子系统组成。该产品最大的特点是适应性强,把数据中心供电系统的可用性、管理性、可扩展性等功能都提高到了一个新的水平。


       针对以UPS为核心的供电系统中的各种设备做统一的性能设计和设备配置,有利于加强各设备之间的匹配,提高设备利用率,降低各设备和系统中的谐波干扰和相互影响。设备机架结构的标准化和安装连接的规范化,不仅可加快安装速度,还可提高装配质量,缩短连线长度,有利于减小维护难度和降低人为故障的发生。


       功能部件的冗余配置,并可热插拔维修,可把系统故障修复时间降到最低,大幅度提高系统的可用性。开放式设计和强大的电源集中管理功能,提高了系统的可管理性和可能维护性,可在必要时能够自行对设备进行重新集成,对运行状况信息的管理进行二次开发,以及自主地不依赖供应商对设备进行维修维护。可根据IT系统规模和业务扩展的阶段性做定制化配置,可有效地避免一次性过量的投资和供电容量的浪费。模块化设计不仅能提高系统的可用性,使UPS供电系统的扩容变得容易,并且对体积较大的设备来说,模块化设计还能增加空间布局的灵活性,从而提高了对空间的适应性,并为系统未来可能的改造或重新设计留有余地并提供可行性方案。


       数据中心的基础设施系统主要分电源、环境控制和机房监控管理系统,由于数据中心承载企业、机构的核心业务,重要性较高。因而数据中心一般根据TIA942标准的Tier4和Tier3标准建设,可靠性要99。999%以上,以保证大部分异常故障和正常维护情况下,数据中心能正常工作,核心业务不受影响通常选用多路市电互为备份,并且设有专用柴油发电机系统作为备用电源系统,市电电源间、市电电源和备用发电机间通过ATS (自动切换开关)进行切换,为数据中心内UPS、机房空调、照明等设备供电。


       由于数据中心业务重要性,通常采用双母线或冗余并机的供电方案,以满足中型数据中心服务器等IT设备高可靠性用电要求。双母线供电系统,有两套独立UPS供电系统(包含UPS配电系统) , 在任一套供电母线 (供电系统)需要维护或故障等无法正常供电的情况下,另-套供电母线仍能承担所有负载,确保数据中心业务不受影响。


       在UPS输出到服务器等IT设备输入之间,选用SPM (服务器电源管理器)进行电源分配和供电管理,实现对每台机柜的用电进行监控管理,提高供电系统的可靠性和易管理性。对于要求双路电源的服务器、IT设备 ,可以通过SPM直接从双母线供电系统的两套母线引入电源,可保证其用电高可靠。对于单路电源的服务器、IT设备,通常选用STS (静态切换开关)为其选择切换一套供电母线供电。在供电母线无法正常供电时, STS将自动快速切换到另一套 供电正常的母线供电,确保为服务器、IT设备的可靠供电。


       选用空调对数据中心的环境温度进行调节,确保服务器等IT设备的运行环境。对于发热量大的服务器、IT设备,通常选用高通孔率( 一般大于70% )网孔门的机柜,提高机柜进出风量;将机柜面对面、背对背布置,在机房内形成冷热隔离的风道,提高制冷效率;空调采用下送风方式,确保机房送风均匀,提高制冷效率。在某些功率密度特别高的场合(发热量超过5kW/机柜) , 往往容易产生局部热点,形成故障隐患。为消除局部热点,需要采用相应的高热密度解决方案,如开放式方案可在局部热点发生处加装制冷终端XD ,加强局部制冷能力,以消除局部热点;封闭式方案为高功率密度设备放置在封闭机柜内,通过机柜内制冷循环,高效率制冷散热。数据中心需要对电源、空调等设备运行状态进行管理,同时还需要对环境进行动态管理,如温湿度、漏水、烟感等参量进行监控,确保数据中心工作在一个正常的环境范围之内。在对数据中心设备运行参数和环境量实时监控和管理的基础上,实施远程监控和管理,实现数据中心的无人值守。


       数据中心能耗密度的增加,是促使重新考虑IT设备和配电系统电压选择的一个重要原因。在北美,120V的电源电压可满足每机柜1~2kW使用,随着刀片服务器的出现,由此而来的需求变为208V或者230V ,并且需使用五倍于普通服务器甚至更高的电能,功率标准基线也变为每机柜5kW。10 ~ 20kW已十分普遍,甚至30kW或者更高。


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