數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電模式可靠性分析

王凱

（北京清控人居光電研究院有限公司）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、智慧城市等新興技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心做為大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的核心載體，其“城市大腦”的重要性也日益提高。其中，UPS（Uninterruptible Power System）配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成系統(tǒng)，其配置類型和供電模式的可用性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性、可維護(hù)性及建設(shè)成本，受到越來(lái)越多設(shè)計(jì)師和運(yùn)維人員的關(guān)注。

2 UPS配置類型

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版第2.6節(jié)，UPS的配置類型大致分為單臺(tái)、并聯(lián)和冗余等三個(gè)大類[1]；按照供電方式又可細(xì)分為后備式（離線式）、互動(dòng)式、雙變換（在線式）、串聯(lián)冗余、備用冗余和并聯(lián)冗余等類型。

對(duì)于后來(lái)衍生出來(lái)的雙總線供電模式，可保證每一套電源的獨(dú)立性，這種UPS配置也被稱為2N或2（N+1）模式。

3 可靠性與可用性

3.1 定義

在工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域的“可靠”與“可信”，并不是人們通常認(rèn)為的可以依靠、真實(shí)可信，而是有一套完整的定義和度量方法。

GB/T 2900.99-2016《電工術(shù)語(yǔ) 可信性》中規(guī)定，可靠性（Reliability）是在給定的條件和給定的時(shí)間區(qū)間，能無(wú)失效地執(zhí)行要求的能力；可用性（Availability）是處于按要求執(zhí)行狀態(tài)的能力。

下面引入幾個(gè)常用的度量指標(biāo)和公式：平均故障間隔時(shí)間（MTBF）、平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）、可用性（A）、可靠性（R）、失效率（λ）。

關(guān)于式（1）的可用性公式，很容易理解，通常大家習(xí)慣用N個(gè)9來(lái)表征系統(tǒng)的可用性，比如99.9%、99.99%等。假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)的宕機(jī)時(shí)間（Downtime）等于MTTR，其余時(shí)間均為正常運(yùn)行（Uptime），系統(tǒng)可用性想要達(dá)到5個(gè)9，需要宕機(jī)時(shí)間不大于5min/a；可用性想要達(dá)到6個(gè)9，需要宕機(jī)時(shí)間不大于31s/a[2]。

其實(shí)一般情況下，數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)可用性指標(biāo)不需要設(shè)置的過(guò)高，依照相應(yīng)的規(guī)范要求設(shè)計(jì)即可；比如城市照明控制系統(tǒng)的可用性，依據(jù)CJJ/T 227-2014《城市照明自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》第4.2.11條，“中心級(jí)系統(tǒng)故障恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于2h，平均故障間隔時(shí)間(MTBF)應(yīng)大于 30000h”，按式（1）計(jì)算，其可用性約為99.9933%。

3.2 串聯(lián)與并聯(lián)的可用性

上節(jié)描述的是一個(gè)組件的可用性計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)中具有多個(gè)組件時(shí)，根據(jù)現(xiàn)代控制理論和概率學(xué)公式，串聯(lián)與并聯(lián)的可用性如下[3]：

串聯(lián)冗余的可用性

比如有兩個(gè)一模一樣的產(chǎn)品組件構(gòu)造的系統(tǒng)，每個(gè)組件的可用性均為0.9，則根據(jù)式（4）、式（5）可以得出，并聯(lián)時(shí)的可用性為0.99，串聯(lián)時(shí)的可用性為0.81；所以串聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用性較低，已經(jīng)很少使用了。

3.3 可用性與可靠性的區(qū)別

根據(jù)2.1節(jié)給出的定義，可靠性是指從系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行到某個(gè)時(shí)刻，這個(gè)時(shí)間段內(nèi)正常運(yùn)行的概率；可用性是指系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)的任意時(shí)刻能正常工作的概率。比如A系統(tǒng)每年因故障中斷十次，每次恢復(fù)平均要20min；B系統(tǒng)每年因故障中斷2次，每次需5h恢復(fù)。

根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算，A系統(tǒng)的可用性為0.999618，可靠性為0.740818；B系統(tǒng)的可用性為0.998858，可靠性為0.904837。

可以看出，雖然A系統(tǒng)的可用性比B系統(tǒng)高，且A系統(tǒng)的總故障修復(fù)時(shí)間較少，但其可靠性比B系統(tǒng)要差很多。

4 UPS配置的可用性分析

圖1 UPS單路供電系統(tǒng)組件

通過(guò)上節(jié)的計(jì)算，可以看出并聯(lián)系統(tǒng)的可用性較高，依據(jù)GB 50174-2017中對(duì)于“冗余”和“容錯(cuò)”的定義，兩者都是重復(fù)配置，但冗余是針對(duì)系統(tǒng)中的組件、單元、模塊或路徑，而容錯(cuò)是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的。簡(jiǎn)而言之，兩個(gè)以上的重復(fù)單元可稱為冗余，但兩個(gè)以上的重復(fù)系統(tǒng)才可稱為容錯(cuò)；所以，N模式為基本需求，N+1或N+X模式為冗余需求，2N或2(N+1)模式為容錯(cuò)需求。

4.1 UPS供電系統(tǒng)的冗余模型

數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，不僅要考慮UPS的冗余，其后端的隔離變壓器、UPS配電柜、機(jī)架負(fù)載電源、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等，也應(yīng)納入分析計(jì)算。

以圖1這個(gè)滿足基本需求的簡(jiǎn)化模型為例，整個(gè)供電系統(tǒng)由4個(gè)組件組成：①UPS；②隔離變壓器；③配電柜；④負(fù)載電源。當(dāng)采用冗余配置時(shí)，根據(jù)⑤轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的位置，可以把常用的冗余系統(tǒng)分為：僅有UPS冗余、變壓器冗余、配電柜冗余以及完全冗余（即容錯(cuò)）等四種模型。

4.2 UPS冗余模型的可用性分析

為量化分析不同的UPS冗余模型，以及冗余組件的多少對(duì)于系統(tǒng)供電可用性的影響，以上節(jié)中的5種模型為例，分別進(jìn)行可用性計(jì)算。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，冗余模型中采用的幾個(gè)組件，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)MTBF和MTTR如表1：

通過(guò)對(duì)上節(jié)模型的分析，根據(jù)式（4）、式（5）代入表1的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得出下表：

可以看出，隨著UPS系統(tǒng)的冗余組件逐漸增加，系統(tǒng)整體可用性也逐漸提高；在使用機(jī)架式ATS的模型中，可用性已達(dá)到6.3個(gè)“9”；在完全冗余配置的模型中，可用性可以達(dá)到7.7個(gè)“9”。

冗余組件的增加，意味著單點(diǎn)故障的減少，同時(shí)系統(tǒng)的可維護(hù)性也隨之提高；年宕機(jī)時(shí)間也從1.2h，最多可減少到0.72s。

提升UPS的系統(tǒng)可用性，不僅是意味著成本的增加，也意味著需要更多的設(shè)備安裝面積和線路敷設(shè)路由；所以在機(jī)房建設(shè)之前，應(yīng)充分了解業(yè)主需求，并根據(jù)使用功能、投資規(guī)模以及建設(shè)周期等，進(jìn)行準(zhǔn)確定級(jí)，以確定選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的解決方案。

5 數(shù)據(jù)中心的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系

數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)建設(shè)，可以分為供電、制冷、消防、監(jiān)控、防雷、接地、布線、裝修等多個(gè)子系統(tǒng)，其中任何一個(gè)子系統(tǒng)的分級(jí)，都應(yīng)以數(shù)據(jù)中心的整體等級(jí)需求為準(zhǔn)。

表1 組件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 UPS冗余模型的可用性分析

目前國(guó)內(nèi)外主流的數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系，主要有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》、國(guó)家認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)CQC 9218-2015《數(shù)據(jù)中心場(chǎng)地基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、北美標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA-942B-2017 《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)》、Uptime Institute認(rèn)證《Tier Standard for Data Center Design，Construction and Operational Sustainability》。

GB 50174-2017將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C三級(jí)，分別為容錯(cuò)系統(tǒng)配置、冗余要求配置和基本需求配置。TIA和Uptime Institute，他們都將數(shù)據(jù)中心劃分為4個(gè)等級(jí)，兩者對(duì)4個(gè)等級(jí)的定義是一樣的：基本需求、冗余組件、在線維護(hù)和容錯(cuò)[5]。

國(guó)標(biāo)中的C、B、A級(jí)可分別對(duì)應(yīng)Tier I、Tier II、Tier III和 Tier IV。 當(dāng) 然，兩種標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比僅是一個(gè)粗略的、簡(jiǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際建設(shè)和認(rèn)證中，兩者并沒(méi)有對(duì)等性。Uptime認(rèn)證的Tier分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)標(biāo)GB 50174相比，更多的是針對(duì)實(shí)施結(jié)果的考核，而不是基于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的考核，雖然在全球已經(jīng)得到了很多用戶的認(rèn)可，但是在國(guó)內(nèi)通過(guò)設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維認(rèn)證的項(xiàng)目還比較少，有待進(jìn)一步推廣。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的UPS供電系統(tǒng)配置模式，是項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，供電系統(tǒng)的可用性將直接影響數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行。本文列舉了幾種不同的UPS配置類型及冗余模式，并分析計(jì)算了每種供電模式的可用性，可以為數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)及運(yùn)維人員在可用性評(píng)估過(guò)程中提供參考。