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数据中心UPS供配电理念的转变

来源:机房360 作者:小柯编辑 更新时间:2012-9-25 14:44:41

摘要:越来越多的客户倾向于飞轮UPS的依据是,如果发电机系统不能在15秒内启动并正常带载的话,那么运维人员也不太可能会在15或者30分钟内找到故障并立刻修复,数据中心的电力中断将在所难免!”新建数据中心开始考虑是否真的需要30分钟的后备时间,是否更短的时间也可以接受?

  随着IT技术的发展,特别是云计算的兴起,做为基础物理设施的供电系统,其设计理念和配置方法也在发生着明显的变化。国外一系列的数据中心建设案例呈现出这样的特点,即提高系统的可靠性、更高的供电效率以及日益缩短的后备时间。可以说UPS电源正在扮演一个更加纯粹的“守护者”的角色——用更少的消耗换取更高的可靠性,这首先是数据中心大型化集约化发展的需要,同时也是时代对于数据中心建设绿色环保节能提出的新要求。
  
  更高的供电效率
  
  随着云计算的蓬勃发展,数据中心能耗的不断增加已越来越受到业界人士的关注。2006年,美国数据中心的总耗电量约为610亿千瓦时,总电力成本约为45亿美金;而2011年,美国数据中心的总耗电量已超过1000亿千瓦时,总电力成本高达74亿美金。数据中心的成本、效率和可持续性受到了严峻挑战。随着数据中心耗电量急剧上升,“数据中心节能”成为未来数据中心建设的发展趋势。UPS在数据中心中耗电量为18%,然而,由于UPS系统需要7x24小时在线运行,所以提高UPS供电效率可以带来直接的电力节省。哪怕是些许的效率提升,每年也会节省大量的电费开支。影响UPS系统效率的两个因素为:UPS系统自身的拓扑结构和决定UPS负载因数的数据中心电源及配电的设计。
  
  UPS系统本身的设计结构很大程度上决定了效率。目前市面上UPS主要有两种结构—在线互动式和在线双转换式。
  
  在线互动式UPS将整流器和逆变器与市电输入并联。这种设计使得在线互动式UPS可以对市电(过压或欠压)进行补偿;同时通过相应的电路,对谐波、瞬态波动和其他电力质量问题进行调节。当市电不可用或超出设定范围,在线互动式UPS通过静态开关将负载与市电隔离,同时切换到电池或飞轮等储能装置给负载供电。

  在线双转换式UPS系统双变换式UPS系统将负载与市电完全隔离。在任何时刻都对负载提供100%调整过的交流电。由于双变换式UPS工作时对市电能量进行两次变换–第一次是交流到直流,然后再是直流到交流,也因此得名“双变换式UPS”。正常运行状态下,即使市电没有电力干扰,双转换UPS系统也会一直给负载提供处理过的交流信号。
  
  使用双转换UPS,电源要从交流整流到直流,再从直流逆变到交流,才能确保输出端完整的正弦波及频率保护功能,以及保护负载免受七种电力干扰的影响。这个方法既超出了现代IT设备的电源需求,又消耗了大量的能源。

  比较而言,在线互动式UPS设计更简单,在主电力通路上的器件更少,从而在保护负载的同时获得更高的供电效率。由此可见,采用飞轮储能UPS系统可以有效降低能耗已经成为一个不争的事实。
  
  ActivePower提供飞轮UPS即采用在线互动式设计,可以达到与在线双变换式UPS相同的电力输出质量,主要是采用了高速微处理器,可以在一个20ms周波内对市电采样400次,快速对电源的瞬态问题作出响应。而飞轮储能装置对负载的输入电路设计几乎和在线双变换式UPS相同。除了通过UPS架构对电能节省外,飞轮储能系统相比蓄电池对环境条件(温/湿度)要求更低,另外,飞轮储能系统占地面积只有蓄电池1/4,大大降低了对制冷量和制冷空间的要求,从而进一步节省电能。以一个15000平方英尺的数据中心为例,按每平方英尺的IT设备运行功率为50W计算,每年需要消耗电能6.9兆瓦时(MWh)。如果UPS电源系统在效率上提高5%,每年可降低384,000千瓦时(kWh)的电能消耗,或大约节省3.8万美元的电费开支(按0.10美元/千瓦时计算),另外还可大量减少在冷却负载方面的节省。
  
  至于,对于在线互动式UPS最主要的质疑即针对市电频率波动的处理能力,因为输出频率是与市电同步,ActivePower利用了同样的微处理器解决这个问题,只允许+/-0.2%市电频率的漂移,当市电超出这个范围,将由飞轮进行供电,这样做的结果是有效保证了供电质量。
  
  更高的可靠性
  
  数据信息的重要性的提升,使得数据中心的可靠性在政府和企业中的日益凸显;虽然能效对于数据中心越来越重要,但运维人员仍然对于任何可能引起宕机风险的改变都极其慎重;更多的关于数据中心供电可靠性的知识可以帮助运维人员在提高数据中心供电效率的同时减少顾虑。
  
  自从1996年,MTechnology公司(MTech)一直采用风险概率评估法(PRA)这种科学的方法,对高效电力设备进行评估。风险概率评估法(PRA)是用于评估复杂系统可靠性和有效性的正式技术方法的集合。PRA技术通过综合简单部件故障率的已知信息,利用正式的数学模型,对系统可靠性作出令人信服的评估。对于大部分电气、电子和机械部件来说,都有其可供参考的故障率数据。PRA的计算方法参考这些数据,并考虑到各部件在特定系统中相互作用的因素,利用专业知识将他们融合一起。所以,在系统组成以前,就能评估出复杂系统的故障率。
  
  MTechnology公司将停电分为两类:
  
  超过10秒钟的长时间市电中断:在这种情况下,通过命令自动转换开关切换到运转状态,交流电源转移到发电机,然后发电机启动运行。在发达国家发生十秒钟以上电力中断的情况并不多见。事实上,根据美国电力研究所(EPRI)的评估结果显示,用户遭受电压下跌的几率要高出电力完全中断几率的十倍之多。在电力完全中断的案例中,超过10秒钟的情况不超过4%。
  
  故障树分析显示,自动转换开关故障是引起备用电源系统故障的最重要原因。使用中的自动转换开关发生故障的次数大约占系统预期故障次数的95%。模型中使用了电机及电子学工程师联合会黄金书(IEEEGoldBook)的数据,其故障率大约为每小时10-5,或超过100,000小时(11年以上)的故障平均间隔时间,这说明整套机电部件在持续使用中性能良好。因为自动转换开关只是单点故障,所以它的故障率占据了大部分的系统故障,且自动转换开关故障几乎总会导致系统故障。因为自动转换开关故障率、主开关柜故障率和发电机故障率是系统的主要故障率。下图为故障树模型的ActivePower飞轮UPS简化单线流程图。

  数据显示:包含ActivePower飞轮UPS的系统几乎不会发生故障。短时间电力中断情况所作的模拟次数是长时间电力中断模拟次数的100多倍。增加短时间电力中断故障率将对以上结果有重要影响。

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