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機房供電系統和配電系統的選擇
  • 本文對數據中心集中供電和n+x分區供電方式進行了比較,討論了它們各自的優缺點,并通過實例的可靠性模型和公式定量地闡述了可靠性的概念。
  •    一、集中供電與分區供電系統的結構比較
      
      在一個機房中除去主要的信息運行設備外,還有保障其運行的其它設備,比如供電系統、空調系統、消防系統、保安系統和綜合監控系統,等等。在這些系統中首當其沖的就是供電系統,因為不論其它設備如何高級,如何可靠,一旦供電中斷,其他一切就都會陷于癱瘓。而供配電系統又包括電源系統、配電系統和綜合監控系統。圖1所示就是一個機房的系統構成實況,該圖中UPS是一個模塊化結構加PDU供電系統和配電系統為眾多的IT機柜供電。
      
      在小于400kVA容量的數據中心機房系統中采用n+x模塊化電源供電系統,對提高系統的可靠性與可用性是很有幫助的。即使大于400kVA的中大型機房采用n+x模塊化電源供電系統也更有其優越性,圖2就示出了大型機房分區供電的情況。圖中表示的是將一個大型機房系統分成了5個區,每個區由一套UPS供電,這樣劃分的根據是:不論多么大的系統都是由多臺機器構成,一般說任何一單臺設備的用電量大都不超過幾十千伏安(巨型機除外),都是多臺設備由一臺UPS供電,這樣一來就使整個系統的設備有了分組配電的可能。
      
      具體做法就是將各組設備按一定要求劃分,這樣既給了系統邊擴充邊投資和將資金有效利用的便利條件。
      
      二、分區供電系統的主要優勢
      
      1.可以合理利用資金
      
      這樣做的優點是避免了一次性投入大量資金而見效緩慢的弊病。往往為了供電一次到位,一大筆資金投進去了,而用電設備遲遲不能齊備,一拖就是幾個月甚至幾年。比如某一金融數據中心,按照要求一次就購置了1,600kVA(2×800kVA)的UPS,用電設備計劃占用5個樓層,但直到三年后的用電量也只有300kVA!如果采用分區供電就避免了這些弊病。
      
      2.可以降低和避免整個系統全部同時癱瘓的可能性
      
      分區供電給備份系統創造了安全環境。集中供電時,一般都選用大容量的塔式機UPS,比如上述的2×800kVA=1600kVA(另有一臺800kVA冗余,構成了1+1系統),如果其中有兩臺同時故障,按計劃容量就會導致整個系統因供電不足而關機。如果分區供電,按上述的例子分成16個區,即使其中兩個甚至三個區故障也僅僅是一小部分,也不會全部癱瘓。
      
      3.使供電系統的可維護性大為提高
      
      如果分區后的供電設備又采用了n+x模塊化冗余UPS結構,即使一個區供電故障,用熱插拔的方法將故障模塊更換掉就可以了。因為在上述例子中有多個分區采用同樣規格的n+x模塊化冗余UPS,因此備用模塊式足夠多,所以更換起來就很快,即使用戶的非專業人員在UPS告警信息的指導下也可以迅速地更換故障模塊。
      
      如果是集中供電就不那么方便了。比如上面的例子,假如其中一臺800kVA的UPS故障,首先用戶的非專業人員不能也沒有能力參與修理,首先要通知廠家,當然如果該UPS已托管給廠家遠程監控就方便一些,但仍存在廠家修理的情況,即是不是這種修理就能一次成功?沒有100%把握。不像一個UPS故障模塊換掉就可以了,即使萬一這個模塊不行,在上述例子中如果多備份一個模塊,再換一個就行了。而這種大容量UPS的備用有兩個就不錯了,而整機模塊化因標準化程度高也可統一備用多個。
      
      4.使主要設備的多重冗余供電有了可能
      
      分區供電為主要設備供電時可以雙冗余、三冗余和N冗余。在一個大系統中必然有一個或幾個設備是關鍵的,為其供電電源設備的可靠性或可用性要求萬無一失。在集中供電的情況下一般采用最多的是n+1,n+2者少之又少,尤其是大容量情況下,供電系統模式定下來了,其可靠性也就定了,比如上述的2×800kVA=1600kVA的例子是1+1,其冗余度也就到此為止,一次故障時間中只允許一臺UPS故障。因此,一旦有一臺UPS故障,在這一臺UPS修復以前就不允許有第二臺再出現故障,尤其是在400kVA以上的用電場合,其UPS的容量也很大,一臺故障后的修復時間一般不會很短,有時甚至拉的時間很長。比如由于交通問題廠家不能及時趕到、感到后備件缺乏、維修工程師素質不高等因素使故障不能及時解決。而分區供電后,一則備件可以共享,二者可允許兩個以上模塊同時故障。
      
      圖3給出了UPS集中供電和分區供電時的機房利用率比較效果圖,采用分區供電后由于省去了集中供電時的UPS專用機房,機房利用率提高了,供電和被供電設備的數量增加了,使得分區供電的靈活性和冗余性大為提高,從而提高了系統的可靠性與可用性。
      
      三、集中供電與分區供電系統的可靠性比較
      
      圖4示出了一種高可靠分區供電系統。圖中各分區都采用的是n+x模塊化結構UPS,其中的關鍵負載得到了多臺n+x模塊化結構UPS供電的保障。
      
      為了有一個量的概念,假設所有UPS(不論是模塊結構還是柜式結構)的可靠性都是0.99,為了用統一標準比較,再假設每個分系統也是2+1。圖4給出了單機冗余與模塊化結構再冗余時的可靠性數學模型,下面就根據這些模型計算它們的可靠性。
      
      1.單機2+1冗余系統的可靠性
      
      這是一般用得較多的一種供電方案,其可靠性數學模型如圖6.4(a)所示。

           
      
        
      上述1600kVA的2+1系統例子中,系統的可靠性也正是3個“9”,其不可靠性是1-RD≈0.9992,也就是十萬分之二。
      
      2.雙2+1冗余模塊結構再冗余時的可靠性
      
      這要以圖6.4中的“關鍵負載”供電為例,在此圖中關鍵負載時雙電源輸入,這兩個電源分別來自兩個分區的N+X模塊化結構UPS,其供電系統的可靠性數學模型如圖5(b)所示。其可靠性為:
      
        
      其可靠性比上述單獨的2+1高出4個“9”。這是多么大的區別!當然N+X模塊化結構UPS,,當X=1時,N越大則系統的可靠性越低,為了有一個數量的概念,不妨做一個大略的計算。
      
      3.兩個多模塊并聯系統再冗余時的可靠性
      
      一般分區中大都是多模塊并聯,前面所述,一般說在N+1模塊冗余并聯系統中,N越大則系統的可靠性越低,但在圖4的結構中如果只取兩個多模塊并聯系統為關鍵負載冗余供電,如果仍作上面的單機可靠性數據假設,以ARRAYUPS為例,因為這個UPS有8個15kVA模塊,可作7+1冗余,即105kVA+15kVA。這時單機系統的可靠性為:
      
        
      式中R1是單臺ARRAYUPS作7+1組合時的可靠性。
      
      從上式的計算可以看出,即使在7+1組合時,其可靠性也比單臺時高一個數量級,如果在此可靠性數據的情況下由兩臺這樣的分區供電系統(ARRAY)除去帶本身的負載外,還向關鍵負載冗余供電,在這種情況下的系統可靠性數學模型如圖6所示,根據該模型計算得的系統可靠Rm型如下:
      
      
      
      從這個計算結果中可明顯地看出,即使N+X模塊化結構UPS在7+1組合時,兩個分區供電的UPS再冗余向關鍵負載供電時,其關鍵負載仍能夠得到了6個“9”的供電可靠性,這是其一;其二,這種可靠性是可變的,當負載所需功率作一個15kVA減小時,其系統的可靠性就提高一個數量級,這是單機冗余所無法做到的。比如上述例子中容量為2×800VA+800VA冗余時,只有負載容量減小800VA時,才可使系統的可靠性提升。
      
      上面的例子不過是兩個分區電源向一個關鍵負載供電得到的可靠性結果,而且還可以三個區、四個區,一直到N個區的n+x模塊化結構UPS同時向關鍵負載冗余供電,可想而知,其可靠性和可用性是多么高啊!
      
      四、關于對模塊化結構的誤解
      
      還有一種說法:當模塊并聯多到8個以上時,其系統可靠性還不如一個單臺UPS。上述7+1的例子就是8個模塊并聯。上面假設單個模塊的可靠性是2個“9”,7+1的8個模塊并聯后上升到3個“9”,比單個模塊的可靠性還高一個數量級。如果并聯書在增加,是不是增加到某一個數量時,其可靠性就真的不如單個模塊大呢?這個疑問是來自多方面的,不搞清楚這個問題,對n+x模塊化結構UPS的推廣將使一個障礙。
      
      1.從數學的角度看n+x冗余并聯
      
      首先由幾個假設:n是不等無窮大的正整數;X是等于或大于1的正整數;可靠性數據為小于零的正數。如果在串聯模塊數最多(設為N),并聯模塊數最少(設為1),單個模塊UPS的可靠性用一個具體數據0.99,那么系統的可靠性表達式RN就是:
      
      
      
      只要能夠證明在N為任何值時RN≥0.99就可以了。首先看式(6-5)的(1-0.99N)項,因為只有這一項和并聯模塊數N有關,當N→∞時,0.99N→0,(1-0.99N)=1,這時的RN=0.99,這是最極限的情況。但實際中N不可能是無窮大,而且是一個小于100的數值,就是說永遠是這個關系,即(1-0.99N)>0。
      
      上述的討論就證明了只有串聯模塊數為無窮大再與一個同樣模塊并聯時,系統的可靠性才與一個模塊的相等,否則N+1系統的可靠性永遠大于單個模塊的可靠性。這里假設單個模塊的可靠性是0.99,如果取其它的值也同樣得出這樣的結果。因此,上述的說法只是一種猜測,毫無根據。
      
      2.從可用性角度看N+X冗余并聯
      
      從可用性的角度看,無論N為何值,N+X冗余并聯結構永遠是單臺UPS所無法比擬的。單臺UPS故障就意味著它的供電中斷,負載再也無法得到它的保護;而N+X冗余并聯結構中一個UPS模塊故障時,供電仍可繼續。
      
      所以,那種‘當模塊并聯多到8個以上時,其系統可靠性還不如一個單臺UPS’的說法是一種人云亦云的誤解。尤其是在X>1的配置情況下,模塊化系統的可靠性大增,而且是成數倍增加。為了說明問題,仍以上述的8模塊系統為例,將7+1組合改為6+2組合時的系統可靠性。人假設每個單元的可靠性為0.99,這時的系統可靠性表達式為:
      
        
      根據此時算得的系統可靠性為:
      
        
      這個結果和7+1組合時的系統可靠性0.999321相比又搞了兩個數量級,比單個UPS模塊的可靠性高了3個數量級,這就很說明問題了。
      
      作者簡介
      
      鴻韜,高級工程師,多年從事數據中心供電設計與運維工作。
      
      編輯:Harris
      
     

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