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      240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用對(duì)比分析

      2014-02-28 06:17:50婁潔良
      電信科學(xué) 2014年3期
      關(guān)鍵詞:雙路模塊化數(shù)據(jù)中心

      胡 燕,婁潔良

      (中國(guó)電信股份有限公司上海分公司 上海200120)

      1 引言

      從供電的連續(xù)性及供電質(zhì)量?jī)煞矫婵紤],數(shù)據(jù)中心大量服務(wù)器都采用不間斷電源系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行供電。由傳統(tǒng)塔式UPS(uninterruptible power system,不間斷電源系統(tǒng))和后備蓄電池組成的交流UPS為數(shù)據(jù)中心的飛速發(fā)展提供了有力的保障和支撐,但隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和業(yè)務(wù)需求對(duì)供電系統(tǒng)安全性要求的提高以及節(jié)能減排工作的深入,該系統(tǒng)的弊端不斷凸顯,如可靠性低、初期投資大、維護(hù)及擴(kuò)容難、工作效率低等。為了克服這些缺陷,240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS應(yīng)運(yùn)而生,且在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。如何評(píng)價(jià)這兩種供電模式,正確選擇不間斷供電系統(tǒng),提高建設(shè)方案的合理性,有必要從系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)方便性等角度對(duì)這兩種供電系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行全面分析對(duì)比。

      2 240V直流供電系統(tǒng)

      2.1 工作原理

      與傳統(tǒng)48 V供電系統(tǒng)類似,240V直流供電系統(tǒng)由多個(gè)并聯(lián)冗余的整流模塊和蓄電池組組成。正常情況下,整流模塊將市電電源變換成240V直流電源供電給服務(wù)器,同時(shí)給蓄電池充電,市電停電時(shí)由電池放電進(jìn)行供電。

      2.2 配電結(jié)構(gòu)

      目前服務(wù)器內(nèi)普遍設(shè)置兩個(gè)輸入電源模塊,電源模塊間互為冗余。因此,根據(jù)服務(wù)器所承載的業(yè)務(wù)重要性,可采用一套或兩套獨(dú)立電源系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行供電。從現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的情況看,240V直流系統(tǒng)有以下3種配電結(jié)構(gòu):?jiǎn)翁字绷飨到y(tǒng)、兩套直流系統(tǒng)和一路市電直供+單套直流系統(tǒng)供電系統(tǒng),各供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹如下。

      單套直流系統(tǒng)引出兩路電源進(jìn)行雙路供電,供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      兩套直流系統(tǒng)各引出一路進(jìn)行雙路供電,供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      一路市電直供,另一路由單套直流系統(tǒng)供電,供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

      3 模塊化UPS

      3.1 工作原理

      模塊化UPS由能完成UPS基本功能的可插拔功率模塊、靜態(tài)開關(guān)模塊、顯示通信模塊和蓄電池組組成。其中,功率模塊包括傳統(tǒng)UPS的整流充電逆變功能,所有功率模塊并聯(lián)工作,平均負(fù)擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載,任一模塊發(fā)生故障時(shí),剩余模塊均分負(fù)載;靜態(tài)開關(guān)模塊為UPS處于過(guò)載時(shí)的共用供電通道;顯示通信模塊則用于集中數(shù)據(jù)顯示和上聯(lián)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)。

      圖1 單套直流系統(tǒng)雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖2 兩套直流系統(tǒng)雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖3 一路市電直供+單套直流系統(tǒng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      3.2 配電結(jié)構(gòu)

      與240V直流供電系統(tǒng)相類似,根據(jù)服務(wù)器的重要性,可采取一套或兩套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)對(duì)服務(wù)器進(jìn)行供電。已在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用的模塊化UPS有以下兩種配電結(jié)構(gòu)。

      單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián),引出兩路進(jìn)行雙路供電,供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

      兩套單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián),每套單機(jī)各引出一路構(gòu)成雙總線進(jìn)行供電,供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

      圖4 單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián),雙路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      圖5 兩套單機(jī)N+X功率模塊冗余并聯(lián),雙總線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      4 240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS的性能及應(yīng)用對(duì)比

      4.1 共同特點(diǎn)

      區(qū)別于傳統(tǒng)塔式UPS,240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS都采取了模塊化結(jié)構(gòu)的供電思路,故在以下方面有著共同的優(yōu)勢(shì):

      ·系統(tǒng)終期容量確定后,240V整流模塊和UPS功率模塊可按負(fù)載的逐步增長(zhǎng)而依次擴(kuò)展,不必在建設(shè)初期即按計(jì)劃容量一次投入整體容量。

      ·由于240V整流模塊和UPS功率模塊按需配置,故在機(jī)房的不同發(fā)展階段,系統(tǒng)都工作在較高負(fù)載率段。據(jù)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)試,大部分廠商的高壓直流設(shè)備和模塊化UPS在負(fù)載率為30%時(shí)工作效率均達(dá)到91%以上,隨著負(fù)載率的進(jìn)一步提高,工作效率可達(dá)94%~95%。

      ·240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在故障維修方面,都以更換整個(gè)故障模塊為手段,且整流模塊和功率模塊均支持熱插拔,無(wú)需停機(jī)修復(fù)。

      4.2 差異點(diǎn)

      作為兩種交直流供電制式,240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用時(shí),存在比較明顯的差異,具體介紹如下。

      (1)負(fù)載的適應(yīng)性及用戶的接受度

      雖然服務(wù)器、交換機(jī)生產(chǎn)廠商都要求提供交流供電輸入,但從近幾年中國(guó)電信范圍內(nèi)的應(yīng)用實(shí)踐看,90%以上的IT負(fù)載都能適用240V直流供電環(huán)境,而對(duì)不適用240V直流系統(tǒng)的IT設(shè)備電源模塊的檢測(cè)結(jié)果顯示,有很大比例是因?yàn)殡娫茨K內(nèi)部存在的檢測(cè)結(jié)果輸入電源頻率的電路,故如果對(duì)IT設(shè)備廠商進(jìn)行引導(dǎo),使其電源模塊不含頻率檢測(cè)電路,將會(huì)大幅提升IT設(shè)備的適用率。

      從數(shù)據(jù)中心托管服務(wù)器的用戶接受程度看,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)普遍樂于接受240V直流供電環(huán)境,而其他用戶由于缺乏對(duì)240V直流系統(tǒng)的足夠了解,除了擔(dān)心IT設(shè)備的適用性外,還對(duì)在直流環(huán)境工作下的服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定性及壽命存在疑慮,仍希望由UPS提供交流電源環(huán)境。

      (2)供電系統(tǒng)的可用度

      從單套電源設(shè)備的工作原理看,由于240V直流系統(tǒng)的電池直接并接于電源設(shè)備的輸出端,而模塊化UPS的電池與負(fù)載之間被UPS設(shè)備隔離,系統(tǒng)上仍存在單點(diǎn)故障,故單套240V電源設(shè)備的可靠性明顯高于單套模塊化UPS。

      當(dāng)兩套模塊化UPS以雙總線的方式組成供電系統(tǒng)向負(fù)載供電時(shí),其可靠性及可維修性大大增強(qiáng),根據(jù)理論計(jì)算,其可用度和240V直流系統(tǒng)一樣,都高于99.999%,因此在數(shù)據(jù)中心如果重要的核心設(shè)備采用240V直流系統(tǒng)或模塊化UPS雙總線供電模式,其供電安全是有可靠保障的。

      (3)供電系統(tǒng)全生命周期總成本

      供電系統(tǒng)的全生命周期總成本包括建設(shè)投資、運(yùn)行能耗成本及設(shè)備維護(hù)成本。從工程建設(shè)投資看,以供電能力相近的單套240V直流系統(tǒng)和單套模塊化UPS相比,將電源設(shè)備、配電設(shè)備、配套的服務(wù)器交直流機(jī)架以及電纜等其他主要工程材料統(tǒng)計(jì)在內(nèi),兩者的建設(shè)總投資額相差不超過(guò)10%(受電源設(shè)備采購(gòu)價(jià)波動(dòng)影響較大)。

      從運(yùn)行能耗成本看,由于240V直流設(shè)備和模塊化UPS的工作效率相近,電源設(shè)備自身的能耗及由此消耗的制冷設(shè)備能量也較為接近。

      從設(shè)備的維護(hù)成本看,影響較大的主要是故障模塊的整體更換費(fèi)用,以目前的產(chǎn)品成熟度及工作穩(wěn)定性比較,模塊化UPS的功率模塊略遜于240V整流模塊,故前者的維護(hù)成本會(huì)相對(duì)較高。

      240 V直流設(shè)備和模塊化UPS的成熟產(chǎn)品在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時(shí)間普遍低于4~5年,設(shè)備有效使用年限有待進(jìn)一步觀察。假設(shè)兩者的生命周期相等,則供電能力相近的單套240V直流系統(tǒng)和單套模塊化UPS在其全生命周期內(nèi)的總成本相差不多。當(dāng)為了提高供電系統(tǒng)的可用度,采用雙總線的模塊化UPS時(shí),電源設(shè)備的建設(shè)投資及其維護(hù)成本會(huì)增加一倍,假設(shè)電源設(shè)備的有效使用年限為10年,10年內(nèi)因故障而需更換一半數(shù)量的240V整流模塊和UPS功率模塊,那么雙總線模塊化UPS供電系統(tǒng)(包含服務(wù)器機(jī)架)的全生命周期總成本會(huì)比240V直流系統(tǒng)高出15%~25%。

      5 數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中值得關(guān)注的問(wèn)題

      作為替代傳統(tǒng)塔式UPS的新型供電模式,240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中除了必須遵循已發(fā)布實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《通信用模塊化不間斷電源》(YD/T2165-2010)、《通信用240V直流供電系統(tǒng)》(YD/T2378-2011)及《通信用240V直流供電系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)要求》(YD/T2556-2013)外,還有以下問(wèn)題值得關(guān)注。

      (1)當(dāng)采用240V直流系統(tǒng)供電,對(duì)IT設(shè)備進(jìn)行上電前的直流供電適應(yīng)性測(cè)試時(shí),不僅要關(guān)注其是否能使用直流電源,還要關(guān)注其是否可在240V供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)范圍(204~288 V)內(nèi)正常工作。曾經(jīng)發(fā)生過(guò)某型號(hào)交換機(jī)在240V供電系統(tǒng)浮充供電方式下運(yùn)行正常,但轉(zhuǎn)入均充供電方式時(shí),該交換機(jī)因電源模塊進(jìn)入保護(hù)模式而宕機(jī),從而造成業(yè)務(wù)中斷。

      (2)240V直流系統(tǒng)的可靠性很高,當(dāng)電源設(shè)備輸出正負(fù)母排短路時(shí),系統(tǒng)無(wú)法像模塊化UPS那樣,通過(guò)切換至外接旁路將故障UPS設(shè)備隔離,從而快速恢復(fù)臨時(shí)供電。為了避免這種情況,可采用兩套直流系統(tǒng)各引出一路給雙路IT設(shè)備供電的方式。由于每套直流系統(tǒng)的整流模塊在配置時(shí)均包括電池充電功率及冗余備份部分,故可以利用此特性將3套直流系統(tǒng)進(jìn)行組合,兩兩互為備份對(duì)負(fù)載進(jìn)行雙路供電。該模式無(wú)需成倍增加投資,但可實(shí)現(xiàn)真正的雙路供電。

      (3)通過(guò)對(duì)安裝在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的部分廠商的模塊化UPS進(jìn)行性能測(cè)試,得出了一些目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的測(cè)試結(jié)果。由于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)未做規(guī)定,各設(shè)備生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品性能可能會(huì)有偏差,但相關(guān)結(jié)果可為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)者進(jìn)一步了解該類電源設(shè)備性能提供參考。

      ·旁路轉(zhuǎn)逆變時(shí)的回切系數(shù):模塊化UPS因過(guò)載轉(zhuǎn)旁路,而后逐步卸除部分負(fù)載,只有當(dāng)負(fù)載率低于0.85~0.9時(shí),UPS才能從旁路狀態(tài)切回逆變狀態(tài)。

      ·對(duì)電池的充電能力:電池放出部分容量后,市電恢復(fù)并讓模塊化UPS輸出帶滿載,測(cè)試此時(shí)對(duì)電池的充電情況,發(fā)現(xiàn)充電電流接近于0,即功率模塊中的整流電路容量未包含電池充電部分。

      ·帶載能力:功率模塊的可輸出容量與負(fù)載的功率因素相關(guān)。如額定容量為20 kVA的功率模塊帶16 kW的純阻性負(fù)載時(shí),顯示為100%負(fù)載率,帶功率因素0.92~0.94(容性)的IT設(shè)備后,當(dāng)負(fù)載容量為16~17 kVA時(shí),功率模塊顯示100%的負(fù)載率。

      上述測(cè)試結(jié)果意味著在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的實(shí)際應(yīng)用中模塊化UPS的功率模塊無(wú)法按其額定容量帶滿負(fù)載正常運(yùn)行:旁路逆變互切換功能要關(guān)閉UPS承接的部分服務(wù)器負(fù)載才能實(shí)現(xiàn);電池放電后,由于功率模塊輸出全部用來(lái)給服務(wù)器供電,無(wú)法完成電池的充電任務(wù);當(dāng)前絕大多數(shù)服務(wù)器的功率因素都呈0.92~0.94容性特征,而在此應(yīng)用場(chǎng)景下,功率模塊的帶載能力下降到其額定容量的80%~90%。

      (4)從近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,部分廠商的模塊化UPS的功率模塊故障率與模塊的進(jìn)風(fēng)溫度及長(zhǎng)期負(fù)載率密切相關(guān),當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過(guò)35℃、負(fù)載率超過(guò)70%時(shí),功率模塊的故障率成倍增長(zhǎng)。因此運(yùn)行維護(hù)時(shí)要特別注意功率模塊散熱風(fēng)扇的完好性以及進(jìn)排風(fēng)濾網(wǎng)的清潔。

      (5)240V直流系統(tǒng)的整流模塊配置要求在《通信用240V直流供電系統(tǒng)》(YD/T2378-2011)中已有明確規(guī)定:按系統(tǒng)最大輸出電流,采用N+1冗余配置,其中N為主用,包括對(duì)負(fù)載供電及對(duì)電池充電,N≤10時(shí),1為備用,N>10時(shí),每10個(gè)備用1個(gè)。由于冗余整流模塊處于熱備份工作狀態(tài),且所有整流模塊均分負(fù)載,故此項(xiàng)規(guī)定事實(shí)上確定了該系統(tǒng)安全運(yùn)行的帶載率上限。而目前模塊化UPS的功率模塊冗余度配置尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮對(duì)模塊化UPS性能測(cè)試的結(jié)果以及功率模塊故障率大小與其長(zhǎng)期帶載率密切相關(guān)等因素,筆者認(rèn)為負(fù)載的設(shè)計(jì)容量應(yīng)低于所有功率模塊總額定容量的60%,供電系統(tǒng)的安全性會(huì)相對(duì)較高。

      6 結(jié)束語(yǔ)

      相對(duì)于傳統(tǒng)的塔式UPS,240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短。當(dāng)前,各生產(chǎn)廠商正在不斷完善電源設(shè)備的性能,IT設(shè)備生產(chǎn)廠商也在完善IT設(shè)備電源模塊的性能及對(duì)供電電源的要求??梢灶A(yù)計(jì),在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用模塊化配置的電源設(shè)備是大趨勢(shì),而240V直流系統(tǒng)和模塊化UPS各具特點(diǎn),必定會(huì)共存相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。作為數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)者,不斷總結(jié)積累這兩種供電系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),有助于正確選擇合適的供電系統(tǒng),并提升其安全性、經(jīng)濟(jì)性及可維護(hù)性,從而保障數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行。

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