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UPS供電係統冗餘性與可靠性之間的權衡

雙擊自動滾屏 發布者:香蕉视频污污污污污 發布時間:2015-09-09 09:00:08 閱讀:次【字體:

如今的數據中心行業,麵臨著數據和網絡容量成倍增長的需求,以及電力分配和電力基礎設施解決方案拓撲結構改變的挑戰,這其中包括防止數據中心設施或係統因斷電出現異常和故障,具有更廣泛的電力可靠性的UPS供電係統。

UPS供電係統的可靠性並不僅僅以其運行時間來計算(幾小時或幾天),還要通過事件的(在“多年來單一事件測量”)的數目來衡量。對於傳統關鍵任務的數據中心來說,其故障事件的數量與其發生的重要事件的數量相同。

UPS行業對這些通過設備和配電冗餘,以提高可靠性的UPS供電係統保護拓撲結構進行了回應。UPS供電係統采用冗餘結構無疑提高了可靠性、效率、以及負載分擔水平,但由於其冗餘配置,增加了設備,使其資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX)的成本不斷上升。

通常UPS供電係統采用冗餘拓撲,其可靠性水平較高。根據調查機構UptimeInstitute提供的數據,TierIV級數據中心每年發生的事故小於一個,每一年的停機時間上於0.8小時。而人們往往會問這樣的問題:“這麽高的可靠性,企業要付出什麽樣的代價?”和“人們到底需要什麽樣的數據中心?”或者簡單地說,“如何才能將數據中心的規模和功能與其供電係統進行正確的匹配?”

適合的冗餘度和可靠性

隨著數據中心市場多樣化,某些領域和應用程序隻需要很少的關鍵電源保護(例如,Uptime Institute處理雲計算社交媒體或搜索引擎的一級數據中心)。而其他的可保證100%的正常運行時間的服務級別協議(SLA)的托管數據中心的要求更高一些,例如,運行視頻流媒體,電子商務和金融/股票交易這些關鍵任務應用的數據中心,其數據中心評級可為TierIII/IV級。還有一些對正常運行時間和可靠性有著更高要求的數據中心,其評級可為TierII或TierIII級。

Uptime Institute對於每個數據中心等級的排名,通常對應UPS供電係統采取冗餘拓撲的級別。這些拓撲結構可以采用多種不同的配置來實現。最佳的UPS係統的選擇取決於重要的因素,包括冗餘、負載功率(千瓦或千瓦)、故障隔離,負荷分擔,資產利用率,容量擴展和所有權的CAPEX和OPEX測得的總擁有成本(TCO)。

N係統拓撲

N係統是最基本的關鍵供電拓撲結構,其中“N”是用千瓦衡量的負載能力。這種供電係統其實並沒有冗餘的UPS模塊,因此UPS供電係統的可靠性不高。

圖1  N係統拓撲

N係統的拓撲結構也有多個“單一”的故障點,每年故障事件為一到兩個,因此這是不太可靠的拓撲結構。而這個單一的故障點被定義一旦失效,那麽整個係統就將停止工作。而對於某些風險低的業務,如內部信息技術(IT)等,其故障對一個企業或大型集團的用戶並不會產生太大影響,這種拓撲結構才能說是有效的。

N係統的拓撲結構的主要優點是配置和運營成本低(不含與非計劃停機相關的成本)。另一個優點是這種係統的資產利用率高。一個N係統拓撲結構的UPS模塊,其設計負載可以達到全負荷額定值的80%到90%。

  N+1係統拓撲

“N+1”係統拓撲為了提高可靠性,添加了冗餘組件。“N”是與總負載相等的載荷能力,“1”是指在UPS供電係統中一個額外進行冗餘保護的UPS。這些係統通常為UPS模塊並聯結構,但這種拓撲仍然有多個單點故障的風險,如UPS模塊的輸出並聯總線。“N+1”係統並沒有冗餘分配路徑,因此如果有單點故障的話,每年也許會有發生一個事件。

圖2“N+1”並聯冗餘UPS供電係統拓撲

而“N+1”並聯冗餘拓撲通常適用於那些提供基於互聯網服務的低依賴性企業。

“N+1”係統的拓撲結構,具有較少的冗餘元件和較高的利用率,其初始成本和運營成本較低。而其較高的利用率取決於負載的模塊或發電機的數量。其滿負荷額定值為UPS功率模塊總和的80%到90%,而係統會增加額外的模塊和發電機。例如,一個UPS係統由2個功率模塊組成,那麽正常情況下,一個功率模塊分擔40%到50%的負載量,而一個“N+1”係統由5個模塊組成,那麽每個模塊的負載量最高隻能達到25%。

  塊冗餘係統拓撲

該並聯的電源架構的另一個變化是塊冗餘係統拓撲結構。這種方法采用一種經濟的方式來提高係統的可靠性,而無需一個完整的2N係統。它依賴於靜態轉換開關(STS)和UPS模塊的即時處理,以實現有效的載荷,而冗餘的UPS具有承擔和轉移負載的能力,這可以在大多數的塊冗餘拓撲中實現。然而,STS開關也是一個單點故障。雖然這個係統中UPS模塊的利用率得到提高,但其帶載率也隻到70%~75%。

            圖3 塊冗餘係統拓撲

共享冗餘(4N/3)係統拓撲結構

共享冗餘4N/3係統的拓撲結構與塊冗餘拓撲非常相似,在多條路徑分布著不同的負載,並且所有UPS模塊都被加載。而4N/3和3N/2係統都是共享冗餘拓撲的最常見形式,並且這些拓撲的UPS利用率水平通常在60%~70%的範圍內。如在3N/2拓撲中,其UPS的最大負荷的利用率可以理解為2兆瓦的負載除以3兆瓦的UPS容量,其效率等於67%。

      圖4 4N/3共享冗餘係統

如圖4所示,這種拓撲結構還需要額外的電纜和配電基礎設施,這增加了初始資本和安裝成本,並使係統在節省成本上更加困難。此外,該係統在UPS輸出配電方麵仍具有單點故障。

無論是塊冗餘係統和共享冗餘係統都比“N+1”冗餘係統可靠性要高,其故障率每年不到一個事件。這種性能非常適合於大多數組織中的數據和應用程序的實時傳遞,服務交付等核心業務。但這兩種冗餘係統麵臨的挑戰是,其UPS最大利用率通常小於70%~75%,而實際使用時由於其容量有限,效率還要少得多。塊冗餘或共享冗餘係統中,UPS和關鍵電力資產並沒有得到充分利用,而供電係統實際部署的關鍵負載可能會經常變化,這是因為數據中心運營中,經常會有添加、刪除、升級或轉移IT負載、服務器等設備的情況。

  “N+N”雙係統冗餘拓撲

“N+N”雙係統冗餘拓撲構采用了兩個獨立的冗餘的配電係統。這種拓撲結構可以設計成在每個係統有N個模塊或“N+1”個模塊。兩個獨立的係統在某些設計中的可維護性和可容錯能力更高。

圖5“N+N”雙係統冗餘拓撲

“N+N”雙係統冗餘拓撲結構提供了非常高的可靠性,但它也有最高的初始成本和TCO,以及資產利用率低(負載率最大隻能達到40%到45%)的缺點。而這樣可靠性高的拓撲結構,五年隻有一個到兩個的計劃外中斷。這種設計通常用於可靠性和可用性要求非常高的企業或金融服務行業。

總結

數據中心產業是動態的和不斷變化的。UPS供電係統可靠性的變化,是由數據中心的“使命”和“關鍵業務”的需求所決定的。現有的係統拓撲結構的演變表明,數據中心市場中可以提供一係列不同配置的UPS係統。“N+N”雙係統可以提供最佳水平的高可靠性,然而其成本也非常高。其他的冗餘供電係統(N或N+1)雖然可以降低成本,但其可靠性相比較低。這些因素使得企業采用UPS供電係統時,不得不在高昂的成本、高可靠性和利用率之間進行權衡。

UPS行業的下一個挑戰將是尋找一個可以提供適當的冗餘和可靠性水平的新的係統解決方案,同時可以降低企業的資本支出和運營成本,並使其總體擁有成本更低。

編譯:Harris

 

關鍵詞:ups電源參數http://www.linwf.com/list-3-1.html



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