UPS供電理念的發(fā)展與轉(zhuǎn)變

2019-11-03 10:01:58

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供稿：網(wǎng)友

王其英
　　一、UPS的應(yīng)用回顧

　　UPS是伴隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而誕生的，從出生的那一刻起，就被視為數(shù)據(jù)的保護(hù)神。因?yàn)楫?dāng)時的數(shù)據(jù)輸入程序相當(dāng)復(fù)雜：首先將數(shù)據(jù)在紙帶上穿孔，再將已穿孔的紙帶通過光電機(jī) 輸入到計(jì)算機(jī)。萬一在計(jì)算機(jī)工作中斷電，整個數(shù)據(jù)就會完全丟失，供電恢復(fù)后又必須重新將穿孔的紙帶通過光電機(jī)把數(shù)據(jù) 輸入到計(jì)算機(jī)。當(dāng)時提出的要求就是，希望電源在市電斷電后再能繼續(xù)維持供電5s，將現(xiàn)場的運(yùn)算結(jié)果保存到磁心存儲器中。待市電恢復(fù)后，能接著原來的計(jì)算結(jié)果繼續(xù)運(yùn)行下去。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，晶體管化、集成電路化和微處理機(jī)化進(jìn)了IT技術(shù)的發(fā)展。由于初期的計(jì)算機(jī)很貴重，人們在關(guān)注數(shù)據(jù)的同時也害怕由于硬件的失效而損壞數(shù)據(jù)。隨著IT技術(shù)的發(fā)展和普及，信息的運(yùn)算量和交換量越來越大，尤其是局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)與普及，使得人與人之間的關(guān)系越來越離不開網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)的靈魂就是數(shù)據(jù)。因此人們對數(shù)據(jù)的關(guān)注程度是始終如一的，如圖1“關(guān)注數(shù)據(jù)”的平直線所示。但在數(shù)字爆炸時代的今天，如何關(guān)注數(shù)據(jù)的安全就成了關(guān)鍵。因此美國可用性研究中心在2002年就提出了用可用性指標(biāo)來衡量對數(shù)據(jù)關(guān)注的程度，而且對可用性的要求與日俱增，如圖1“關(guān)注業(yè)務(wù)可用性曲線”所示。

圖1 用戶對關(guān)注對象的變化示意圖

　　在IT技術(shù)與規(guī)模迅速膨脹的今天，數(shù)據(jù)中心的發(fā)展一般是無法估計(jì)和控制的，金融、通信、石化、交通，等等，都在紛紛建立數(shù)據(jù)中心，但是一般對數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)的用電量也無法精確估算。因此，不少用戶也把眼光放在了供電產(chǎn)品對環(huán)境變化的適應(yīng)性上，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的擴(kuò)容、搬家或在某一時期縮小規(guī)模的事是經(jīng)常發(fā)生的，為了合理使用資金，所以這種要求也與日俱增，如圖1中“關(guān)注產(chǎn)品對環(huán)境變化”的曲線所示。

　　上述這一切首先對供電提出的要求就是連續(xù)、平穩(wěn)和無干擾，這個任務(wù)只有UPS才能夠完成。即只有在保證供電質(zhì)量的情況下才有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠的運(yùn)算和傳輸。但是這種認(rèn)識并不是所有數(shù)據(jù)中心從事IT設(shè)備應(yīng)用的主管者都很明確的。有些主管者只注重電源的有無而沒有看到供電質(zhì)量的重要性。因此一直到現(xiàn)在還有少數(shù)一些地方仍在直接用市電工作，由于緊急供電電源EPS的出現(xiàn)，有些IT設(shè)備應(yīng)用的主管者甚至認(rèn)為用EPS就可以了。因此就造成了在使用UPS上的一些誤解。要知道EPS與UPS相比在供電質(zhì)量上還是有一定差距的。圖2示出了對一些數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用UPS的調(diào)查情況。從圖中可以看出，仍有2%的服務(wù)器沒有采用UPS保護(hù)。而采UPS集中保護(hù)和相對集中

圖2 受訪數(shù)據(jù)中心服務(wù)器采用UPS的情況

　　保護(hù)的服務(wù)器占了將近90%，這就代表了數(shù)據(jù)中心對UPS使用的主流方式。

　　二、當(dāng)前UPS供電系統(tǒng)的容量利用情況

　　集中保護(hù)的UPS使用方式給用戶帶來了方便，也反映出一些問題。由于集中供電系統(tǒng)的容量不易精確估算，再加之缺乏經(jīng)驗(yàn)和受當(dāng)時的UPS產(chǎn)品規(guī)格所限，使設(shè)計(jì)帶有很大的盲目性。圖3給出了某數(shù)據(jù)中心10年供電容量規(guī)劃圖。在這個圖中的預(yù)期負(fù)荷量如虛線所示，根據(jù)已往的經(jīng)驗(yàn)和為了

圖3 某數(shù)據(jù)中心10年供電容量規(guī)劃圖

　　保證供電有一定的富裕量，所以一般都打出了15%~20%的余量。這里用歸一法，表示出了UPS安裝容量的百分比為100%。照例說，這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)該是無可挑剔的，但由于對容量的估算不準(zhǔn)或在實(shí)施中改變了計(jì)劃，致使在10年的應(yīng)用中，整個實(shí)際負(fù)荷才為安裝容量的1/3。而這種情況絕非個別現(xiàn)象，根據(jù)上述可用性研究中心對300余家用戶的調(diào)查，繪制出了圖4UPS容量利用百分比圖。由圖中

圖4 UPS容量利用百分比圖

　　可以看出，僅有不到3%的用戶用到UPS容量的80%，5%的用戶用到了70%，不到11%的用戶用到了60%，70%以上用戶的用電量都在50%以下，造成了很大的浪費(fèi)。

　　三、當(dāng)前UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況

　　盡管UPS都在盡職盡責(zé)的保護(hù)著IT設(shè)備的正常運(yùn)行，但故障也是很難避免。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于UPS本身的原因造成故障的比例不足30%，由于自然因素和人為的因素而造成故障的比例占全部故障數(shù)的60%~70%。其造成故障或貌似故障的原因可歸納如下幾種。在這里把引起人們恐慌和驚動廠家的一切機(jī)器現(xiàn)象統(tǒng)稱為“故障”

　　 1．懷疑“故障”。本來不是故障，由于懷疑是故障從而驚動主管領(lǐng)導(dǎo)和廠家，雖然是虛驚一場，但也人為地運(yùn)用了真正故障的程序。

　　2．知識性“故障”。此種情況的出現(xiàn)主要是由于有一些機(jī)器管理員自持經(jīng)驗(yàn)豐富而實(shí)際是既缺乏基本理論知識又缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所致。

　　3．操作故障。此類故障是由于未按正當(dāng)程序操作而導(dǎo)致的故障。

　　4．延誤故障。雖然隨機(jī)文件或機(jī)器本身已經(jīng)告警，由于值班員的疏忽而未及時發(fā)現(xiàn)與處理，由此而導(dǎo)致后來的故障。

　　5．維護(hù)不當(dāng)或不及時導(dǎo)致的故障。對UPS的定期維護(hù)是必要的，但應(yīng)有一套嚴(yán)格的管理程序。那些不按規(guī)定要求進(jìn)行定期或不定期保養(yǎng)是導(dǎo)致機(jī)器故障的重要原因。

　　6．經(jīng)驗(yàn)故障。經(jīng)驗(yàn)是不可缺少的，是不可多得的財(cái)富。但經(jīng)驗(yàn)有其相對性，即在這種UPS上得到的經(jīng)驗(yàn)不一定完全適合另一種，否則就會導(dǎo)致故障。

　　7．交接故障。這類故障主要是由于管理人員的前后配合不好造成的。

　　8．環(huán)境故障。這類故障是由于用戶不重視機(jī)器的運(yùn)行環(huán)境或沒有能力優(yōu)化環(huán)境造成。

　　9．選型故障。

　　主要是由于用電者的一些糊涂概念造成。比如把UPS的效率當(dāng)成了功率因數(shù)、把輸入功率因數(shù)當(dāng)成了負(fù)載功率因數(shù)和把視在功率當(dāng)成了有功功率等。不分情況的認(rèn)為UPS負(fù)載功率因數(shù)越大越好，不懂得計(jì)算機(jī)之類的負(fù)載在目前不但需要有功功率更需要無功功率等。結(jié)果購回的UPS容量不是太大了就是太小了，選小了的UPS就會因頻繁地過載而跳閘。

　　10．商務(wù)故障。這主要是由于用戶對供應(yīng)商在價(jià)格和其它條件上的過分苛求而不得不降低質(zhì)量造成。

　　四、 UPS的發(fā)展趨勢

　　1． UPS在技術(shù)方面的發(fā)展趨勢

　　高頻化、小型化、智能化、環(huán)保化和系統(tǒng)集成化。

　　X

　　2．UPS在應(yīng)用方面的發(fā)展趨勢

　　（1）從單機(jī)向冗余結(jié)構(gòu)變化。

　　（2）從注重系統(tǒng)的可靠性向注重系統(tǒng)的可用性變化。

　　（3）從單純供電系統(tǒng)向保證整個IT運(yùn)行環(huán)境變化。

　　（4）提高UPS供電系統(tǒng)的“適應(yīng)性”。

　　五、IT系統(tǒng)面臨的幾個問題

　　1．IT設(shè)備集中化。由于管理的集中，就要求IT設(shè)備也要集中管理。

　　2．IT設(shè)備機(jī)架化。這是一種集中化管理的結(jié)構(gòu)方式。原來的服務(wù)器大都分散放置，為了集中，開始將服務(wù)器做成適用于19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架的結(jié)構(gòu)。

　　3．功率密度越來越高，配電問題和線纜管理問題變得復(fù)雜。將多臺服務(wù)器集中于一個機(jī)架內(nèi)勢必增大了功率密度、增加了配電路數(shù)和使線纜大量增多，使管理變得非常困難。

　　4．熱負(fù)荷密度越來越高，IT設(shè)備微環(huán)境的冷卻問題。功率密度增加使機(jī)柜溫度上升，線纜的大量增多堵塞了風(fēng)道，使散熱變得非常困難。

　　5．IT設(shè)備更新和擴(kuò)容迅速，要求供電的UPS能隨之變化。

　　由上述的幾點(diǎn)可以看出一個問題，即現(xiàn)代的數(shù)據(jù)中心配置越來越復(fù)雜，帶給用戶的困難也越來越大。他們不但面對來自四面八方的供應(yīng)商，而且還得具備各方面的知識，換言之，他們必須有一個由各方面“專家”組成的機(jī)構(gòu)來應(yīng)付這種局面。另一方面，數(shù)據(jù)中心的這些設(shè)備也來自四面八方，單個設(shè)備的可靠性和相互之間聯(lián)結(jié)的可靠性都沒有保障，如圖5所示。

圖5 多個孤立單元的拼湊組合示意圖

　　從圖中可以看出，一般數(shù)據(jù)中心機(jī)房由于是來自不同地域和不同廠家的設(shè)備，它們的性能一致性和連接緊密性都會存在著一定的“縫隙”。整個系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，而且各環(huán)節(jié)都有可能成為最薄弱的那一個。環(huán)節(jié)越多這種可能性就越大，換言之，可靠性也就越低。

　　六、可用性的提出和數(shù)據(jù)中心功能范圍的劃分

　　當(dāng)代數(shù)據(jù)中心關(guān)心的已不單單是系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，而更關(guān)心在指定時間內(nèi)正常運(yùn)行的時間比例，這就是可用性。其表達(dá)式如下所示。

　　式中： A為可用性，是一個小于1的小數(shù)。

　　MTBF為平均無故障時間，是可靠性指標(biāo)，用h表示。

　　MTTR為平均修復(fù)時間，用h表示。

　　由式中可以看出，除了表征硬件的可靠性指標(biāo)外又加進(jìn)了維修的軟指標(biāo)。如果能做到MTTR=0，就可以實(shí)現(xiàn)高可用性。

　　從上面的介紹可以看出，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備環(huán)節(jié)越少，實(shí)現(xiàn)高可用性的可能性就越高。如圖6所示，把數(shù)據(jù)中心功能劃分為兩個范圍，一個是IT系統(tǒng)，另一個是出IT以外的所有構(gòu)成運(yùn)行環(huán)境的設(shè)備，美國可用性研究中心稱之為NCPI，含義是網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施。在這里：

　　NCPI=供配電系統(tǒng)+冷卻系統(tǒng)+19英寸IT機(jī)柜系統(tǒng)+布線系統(tǒng)+管理系統(tǒng)（包括服務(wù)系統(tǒng)）

圖6 將數(shù)據(jù)中心功能劃分為兩個范圍的示意圖

　　劃分后的硬件環(huán)節(jié)由多個變成了兩個。很明顯，UPS供電系統(tǒng)已被集成進(jìn)NCPI。NCPI是一個概念，實(shí)現(xiàn)這個概念的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為InfraStruXure，中文名字叫做“英飛”。經(jīng)這種劃分后“英飛”系統(tǒng)的可用性可做到5個“9”，即0.99999，表示在一年的運(yùn)行時間中，其可能的斷電時間不會超過5min。

　　假如圖5中每個獨(dú)立環(huán)節(jié)的可靠性都為p=0.99999，那么系統(tǒng)的可靠性PS就是：

　　PS=0.999997=0.99993，不可靠性QS =1-PS =0.00007

　　如果圖6中兩個獨(dú)立環(huán)節(jié)的可靠性也都為p=0.99999，那么系統(tǒng)的可靠性PN就是：

　　PN=0.999992=0.99998，不可靠性QN =1-PN =0.00002

　　從上面簡單比較可以看出，IT和“英飛”構(gòu)成系統(tǒng)的可靠性比原來提高了將近3倍，即不可靠性僅為原來的30%。再加之在結(jié)構(gòu)上的一些特殊之處，使數(shù)據(jù)中心具有了以前從未有過的功能。圖7示出了“英飛”B型系列的外形圖。圖中所示是一個包括供電功率為40~80kW、2（N+1）模塊化冗余UPS電源的實(shí)例，系統(tǒng)的兩端為UPS和PDU，中間的柜子為放置IT設(shè)備（服務(wù)器、路由器等）的19²機(jī)架。

　　構(gòu)成單元：

　　1．.N+1模塊化冗余UPS

　　2．可監(jiān)測的配電PDU系統(tǒng)

　　3．.環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

　　4．散熱系統(tǒng)

　　5．可聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)

　　6．放置IT設(shè)備的19²機(jī)架

　　7．電源和數(shù)據(jù)電纜布線

　　8．負(fù)載再分配斷路器群

　　9．安全門鎖

圖7 “英飛”B型系列的外形圖

　　七、“英飛”系列所體現(xiàn)出的功能和優(yōu)勢

　　1.系統(tǒng)的整體性。“英飛”系列就是一個實(shí)際上的小機(jī)房。只需將市電接到它的PDU上和將IT設(shè)備放入包括電源在內(nèi)預(yù)留好的位置，整個系統(tǒng)就可運(yùn)行了。一個40kW的系統(tǒng)只需4個小時即可安裝完畢并投入運(yùn)行。節(jié)省了用戶的投資、時間和諸多麻煩。

　　2.提高了系統(tǒng)的可用性。由于系統(tǒng)是模塊化冗余結(jié)構(gòu)，電源故障不影響運(yùn)行，宏觀上可做到平均修復(fù)時間MTTR=0。

　　3.方便增容和移動。用戶可邊投資邊建設(shè)，使資金得到合理的應(yīng)用。由于是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜結(jié)構(gòu)，拆裝方便，所以搬家容易、快捷、無浪費(fèi)或少浪費(fèi)。

　　4.安全。由于設(shè)有安全門鎖，未經(jīng)授權(quán)人員無法接觸機(jī)器，避免了人員造成的各種故障。

　　5.便于IT設(shè)備集中。由于IT機(jī)柜與多家IT設(shè)備結(jié)構(gòu)兼容，方便了數(shù)據(jù)中心的改造和IT設(shè)備的集中。

　　6.良好冷卻功能。高溫是可靠性的天敵。一般IT機(jī)柜的冷卻能力低于2kW，由于“英飛”系列引入了氣流分配單元，可將每個IT機(jī)柜的冷卻能力提高到4kW~8kW，滿足了IT設(shè)備集中的要求。

　　7.節(jié)約空間。由于將原來的整體保護(hù)變?yōu)閰^(qū)域保護(hù)，優(yōu)化了機(jī)房空間的應(yīng)用，圖8示出了這種情況。

　　8.完善的管理系統(tǒng)。完善的管理可預(yù)警故障，完善的故障指示可縮短修復(fù)時間和降低了對值班人員的知識要求。尤其對負(fù)載電流的的監(jiān)測可具體到每一臺設(shè)備，從而可預(yù)防過載事件的發(fā)生。

　　9.方便了用戶和廠家的溝通。用戶面對的只有兩家：一家是IT廠家，一家是“英飛”廠家，改變了多頭服務(wù)的弊病，減輕了用戶的負(fù)擔(dān)、節(jié)約了用戶的時間，也促進(jìn)了用戶和廠家的關(guān)系，從而保證了服務(wù)的可靠性和及時性。

　　10.“英飛”除B系列外還有A系列和C系列。A系列的供電功率范圍是6kW~12kW，可帶12個IT機(jī)柜。C系列的供電功率范圍是320 kW ~1280kW，可帶幾百個IT機(jī)柜。

　　“英飛”系列的出現(xiàn)正是體現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心供電理念的改變。目前還只是將冷卻系統(tǒng)的氣流分配單元引入系統(tǒng)，隨著IT機(jī)柜功率密度的進(jìn)一步增加，冷卻需進(jìn)一步加強(qiáng)。比如刀片服務(wù)器的出現(xiàn)已向冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求（一個IT機(jī)柜插滿刀片服務(wù)器后的功率將達(dá)到20kW），采用氣流分配、導(dǎo)向和提速技術(shù)已無濟(jì)于事。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展發(fā)展，將制冷單元直接引入“英飛”系統(tǒng)的時代已不很遙遠(yuǎn)。NCPI概念的含義將進(jìn)一步擴(kuò)大與發(fā)展。