高等級數(shù)據(jù)中心不間斷電源的分析與選擇

近年來，“東數(shù)西算”工程建設(shè)如火如荼，一座座符合《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50174-2017)標(biāo)準(zhǔn)的高等級數(shù)據(jù)中心投入使用，巨大的數(shù)據(jù)流量在數(shù)據(jù)中心的“堅(jiān)實(shí)底座”上高速流轉(zhuǎn)。不間斷電源(UPS)作為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的最后一道“防火墻”，時(shí)刻為數(shù)據(jù)流量全速通行保駕護(hù)航。

本文以保障“業(yè)務(wù)連續(xù)性”為前提，探討了不同類型UPS的特點(diǎn)、差異及應(yīng)用場景等，旨在為用戶在不同場景下選用不同類別的UPS提供系統(tǒng)性評估方法。

一、UPS的分類及辨別方法

我國UPS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步于上世紀(jì)80年代中期，較發(fā)達(dá)國家晚了將近20年。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，UPS系列關(guān)鍵技術(shù)取得突破性進(jìn)展，譬如高端大功率UPS已成功實(shí)現(xiàn)從千瓦到兆瓦級水平的飛躍，且與國外品牌UPS設(shè)備在功能性價(jià)值上已不分伯仲。

目前，國內(nèi)外廠商已研發(fā)出多類“高頻UPS”機(jī)型，可滿足不同數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景的需求，其中主要應(yīng)用的三種類型為塔式UPS(高頻一體式)、模塊化UPS(全熱插拔)和類模塊UPS(業(yè)內(nèi)俗稱“假塔式”)。

在這其中，類模塊UPS是在模塊化UPS的基礎(chǔ)上取消了模塊熱插拔套件，所以既失去了“功率模塊故障后快速更換”的好處，又不具備塔式UPS的高可靠性。因此，高等級數(shù)據(jù)中心不適宜采用類模塊UPS。各類型高頻UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 各類型高頻UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

二、塔式UPS和模塊化UPS的結(jié)構(gòu)差異

現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)中心應(yīng)用較多的是塔式UPS和模塊化UPS。這兩類UPS產(chǎn)品基于不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行效率上亦略有差異。

塔式UPS內(nèi)部為獨(dú)立的三相結(jié)構(gòu)，無電流不均衡情況，參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為《通信用交流不間斷電源(UPS)》(YD/T1095-2018)。單臺塔式UPS的最大功率為600kVA，整機(jī)效率可達(dá)96%以上，在20%～30%負(fù)載率下效率亦可達(dá)95%以上，低載高效特征明顯。國標(biāo)A級數(shù)據(jù)中心配合高效變壓器，可將數(shù)據(jù)中心總能耗與關(guān)鍵設(shè)備能耗之比(Power Usage Effectiveness,PUE)中的供配電因子PLF控制在0.075以內(nèi)，從而可較好地實(shí)現(xiàn)PUE小于1.3甚至1.2。

模塊化UPS內(nèi)部由三相功率模塊并聯(lián)而成，參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為《通信用模塊化交流不間斷電源》(YD/T2165-2017)。單個(gè)三相功率模塊的功率以50～100kVA居多，整機(jī)效率可達(dá)96.5%以上。國標(biāo)A級數(shù)據(jù)中心結(jié)合高效變壓器，可將PUE中的PLF控制在0.071以內(nèi)。相較于塔式UPS，模塊化UPS可更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE小于1.3甚至1.2。塔式UPS和模塊化UPS電路如圖2所示。

圖2 塔式UPS(左)和模塊化UPS(右)電路示意

三、塔式UPS和模塊化UPS的全方位對比

結(jié)合塔式UPS和模塊化UPS的結(jié)構(gòu)差異及其在項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)，業(yè)內(nèi)對兩類機(jī)型的評價(jià)總結(jié)見表1。

表1 塔式UPS和模塊化UPS的特征對比

除此之外，兩類機(jī)型在以下幾個(gè)方面亦有較大差異。

1.機(jī)內(nèi)均流風(fēng)險(xiǎn)

得益于獨(dú)立的三相結(jié)構(gòu)，塔式機(jī)內(nèi)不會出現(xiàn)模塊輸出不均流的現(xiàn)象；而模塊機(jī)內(nèi)部則存在模塊輸出不均流現(xiàn)象，且隨著時(shí)間的推移，有不均流加大的風(fēng)險(xiǎn)。

2.電容更換成本

塔式機(jī)的電容安裝方式是使用大電容螺栓將其安裝在銅排上，模塊機(jī)的電容安裝方式則使用小電容器將其焊接在PCB板上，兩者在電容器更換成本上有較大差異。塔式機(jī)電容器更換成本為整機(jī)成本的10%左右，模塊機(jī)則需全部更換功率模塊，更換成本攀升至整機(jī)成本的50%以上。

3.運(yùn)行效率

通過采用功率模塊休眠技術(shù)，模塊機(jī)的休眠顆粒度為50kVA或100kVA，此外，可通過提升整機(jī)的負(fù)載率以獲得更高的運(yùn)行效率。整體而言，模塊機(jī)運(yùn)行效率高于塔式機(jī)0.5%左右。

4.故障概率及維修時(shí)間

獨(dú)立的三相結(jié)構(gòu)決定了塔式機(jī)整機(jī)內(nèi)部器件發(fā)生故障的概率將遠(yuǎn)低于模塊機(jī)功率模塊的故障概率。若故障發(fā)生，維修塔式機(jī)內(nèi)部器件的時(shí)間約為30分鐘，而模塊機(jī)在有備份模塊的情況下，更換模塊僅需10分鐘。

5.尺寸及重量

塔式機(jī)尺寸較大，安規(guī)距離可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的1.5倍以上；而模塊機(jī)尺寸較小，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)安規(guī)距離要求時(shí)散熱能力較差，器件老化速度較快。在重量方面，塔式機(jī)較重，模塊機(jī)重量僅為塔式機(jī)的70%左右，因而成本更低。

四、塔式UPS和模塊化UPS適合的場景

基于不同的結(jié)構(gòu)和特性，塔式UPS和模塊化UPS均有相應(yīng)適合的應(yīng)用場景，用戶可根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況進(jìn)行選型。整體而言，高等級數(shù)據(jù)中心選型可考慮以塔式UPS為主。

1.根據(jù)并機(jī)方案選型

模塊化UPS主要通過并機(jī)實(shí)現(xiàn)功率模塊冗余，并機(jī)數(shù)量越多，功率模塊就越多，功率模塊間環(huán)流也就越大。因此，并機(jī)數(shù)量在兩臺時(shí)應(yīng)用模塊化UPS或塔式UPS均可，并機(jī)數(shù)量在3臺及以上的情況，建議使用塔式UPS。

2.高安全場景

對于將“高可靠運(yùn)行”要求置于首位的數(shù)據(jù)中心，因其設(shè)計(jì)理念追求的是“不會壞”，所以建議首選塔式UPS。同時(shí)，目前高頻塔式機(jī)的效率只略低于模塊機(jī)，也可同時(shí)兼顧節(jié)能的需求。

3.“極致節(jié)能”場景

對于將“極致節(jié)能”要求置于首位的數(shù)據(jù)中心，可優(yōu)先選擇模塊化UPS。因?yàn)槟K化UPS的運(yùn)行效率比塔式機(jī)高0.5%，且休眠的功率顆粒度更小，節(jié)能效果也更好。但需要注意的是，模塊化UPS可能會較為頻繁地出現(xiàn)設(shè)備故障。

五、塔式UPS和模塊化UPS的應(yīng)用情況

現(xiàn)階段，我國高等級數(shù)據(jù)中心應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，本文將以金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應(yīng)用情況為例，同時(shí)列舉互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center,IDC)的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1.金融行業(yè)應(yīng)用塔式UPS占比超過99%

通過測算，2018年以來，擁有1000臺以上機(jī)柜的金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心塔式機(jī)的應(yīng)用比例達(dá)到95%以上，占據(jù)絕對主流。若考慮近十年來金融行業(yè)1000臺以上機(jī)柜數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，塔式UPS占比則高達(dá)99%以上。2018年以來擁有1000臺以上機(jī)柜金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應(yīng)用情況見表2。

表2 2018年以來1000臺以上機(jī)柜金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應(yīng)用情況

2.IDC等應(yīng)用模塊化UPS占比80%以上

目前，IDC較多地應(yīng)用模塊機(jī)，但由于其故障率偏高，對業(yè)務(wù)連續(xù)性影響極大。據(jù)了解，模塊機(jī)整機(jī)及模塊的故障率是塔機(jī)的5倍以上。例如，2023年6～7月，某項(xiàng)目上應(yīng)用的20多臺模塊機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)故障，炸機(jī)導(dǎo)致單路UPS中斷時(shí)間長達(dá)數(shù)周，部分機(jī)房雙路掉電，且導(dǎo)致對客業(yè)務(wù)中斷、服務(wù)中斷以及用戶索賠等嚴(yán)重后果。此類數(shù)據(jù)中心模塊化UPS炸機(jī)、UPS燒毀、機(jī)房燒毀等事故，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來極大隱患。根據(jù)事后評估，發(fā)生故障的項(xiàng)目使用的模塊化UPS模塊尺寸小、功率高(3U 100kVA)，導(dǎo)致單模塊功率密度大、散熱性較差，熱量累積導(dǎo)致器件短路，最后引發(fā)炸機(jī)。模塊機(jī)雖具有單機(jī)成本較低、效率略高的優(yōu)勢，但若過于追求成本，其過高的能量密度將導(dǎo)致元器件安規(guī)距離過小、機(jī)內(nèi)溫升偏高、器件老化較快，為數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行帶來一定的隱患。

此外，在多個(gè)行業(yè)的項(xiàng)目中，陸續(xù)有大量模塊化UPS的功率模塊被召回，召回行為對于數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行也是一個(gè)巨大考驗(yàn)。召回后再次上新的模塊是否還會發(fā)生故障，這對數(shù)據(jù)中心運(yùn)維團(tuán)隊(duì)及高層管理者都是一個(gè)巨大的心理考驗(yàn)和責(zé)任考驗(yàn)。

UPS作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的設(shè)備之一，其對于供電連續(xù)性的影響至關(guān)重要。架構(gòu)安全、穩(wěn)定可靠、在行業(yè)中積累了成熟經(jīng)驗(yàn)的塔式UPS，或可作為用戶的優(yōu)先選擇。

本文轉(zhuǎn)載自《中國金融電腦》