如今的數據中心行業(yè)，面臨著數據和網絡容量成倍增長的需求，以及電力分配和電力基礎設施解決方案拓撲結構改變的挑戰(zhàn)，這其中包括防止數據中心設施或系統(tǒng)因斷電出現異常和故障，具有更廣泛的電力可靠性的UPS供電系統(tǒng)。

UPS供電系統(tǒng)的可靠性并不僅僅以其運行時間來計算（幾小時或幾天），還要通過事件的（在“多年來單一事件測量”）的數目來衡量。對于傳統(tǒng)關鍵任務的數據中心來說，其故障事件的數量與其發(fā)生的重要事件的數量相同。

UPS行業(yè)對這些通過設備和配電冗余，以提高可靠性的UPS供電系統(tǒng)保護拓撲結構進行了回應。UPS供電系統(tǒng)采用冗余結構無疑提高了可靠性、效率、以及負載分擔水平，但由于其冗余配置，增加了設備，使其資本支出（CAPEX）和運營支出（OPEX）的成本不斷上升。

通常UPS供電系統(tǒng)采用冗余拓撲，其可靠性水平較高。根據調查機構UptimeInstitute提供的數據，TierIV級數據中心每年發(fā)生的事故小于一個，每一年的停機時間上于0.8小時。而人們往往會問這樣的問題：“這么高的可靠性，企業(yè)要付出什么樣的代價？”和“人們到底需要什么樣的數據中心？”或者簡單地說，“如何才能將數據中心的規(guī)模和功能與其供電系統(tǒng)進行正確的匹配？”

適合的冗余度和可靠性

隨著數據中心市場多樣化，某些領域和應用程序只需要很少的關鍵電源保護（例如，Uptime Institute處理云計算社交媒體或搜索引擎的一級數據中心）。而其他的可保證100％的正常運行時間的服務級別協議（SLA）的托管數據中心的要求更高一些，例如，運行視頻流媒體，電子商務和金融/股票交易這些關鍵任務應用的數據中心，其數據中心評級可為TierIII/IV級。還有一些對正常運行時間和可靠性有著更高要求的數據中心，其評級可為TierII或TierIII級。

Uptime Institute對于每個數據中心等級的排名，通常對應UPS供電系統(tǒng)采取冗余拓撲的級別。這些拓撲結構可以采用多種不同的配置來實現。最佳的UPS系統(tǒng)的選擇取決于重要的因素，包括冗余、負載功率（千瓦或千瓦）、故障隔離，負荷分擔，資產利用率，容量擴展和所有權的CAPEX和OPEX測得的總擁有成本（TCO）。

N系統(tǒng)拓撲

N系統(tǒng)是最基本的關鍵供電拓撲結構，其中“N”是用千瓦衡量的負載能力。這種供電系統(tǒng)其實并沒有冗余的UPS模塊，因此UPS供電系統(tǒng)的可靠性不高。

圖1  N系統(tǒng)拓撲

N系統(tǒng)的拓撲結構也有多個“單一”的故障點，每年故障事件為一到兩個，因此這是不太可靠的拓撲結構。而這個單一的故障點被定義一旦失效，那么整個系統(tǒng)就將停止工作。而對于某些風險低的業(yè)務，如內部信息技術（IT）等，其故障對一個企業(yè)或大型集團的用戶并不會產生太大影響，這種拓撲結構才能說是有效的。

N系統(tǒng)的拓撲結構的主要優(yōu)點是配置和運營成本低（不含與非計劃停機相關的成本）。另一個優(yōu)點是這種系統(tǒng)的資產利用率高。一個N系統(tǒng)拓撲結構的UPS模塊，其設計負載可以達到全負荷額定值的80％到90％。

　　N+1系統(tǒng)拓撲

“N+1”系統(tǒng)拓撲為了提高可靠性，添加了冗余組件。“N”是與總負載相等的載荷能力，“1”是指在UPS供電系統(tǒng)中一個額外進行冗余保護的UPS。這些系統(tǒng)通常為UPS模塊并聯結構，但這種拓撲仍然有多個單點故障的風險，如UPS模塊的輸出并聯總線?！癗+1”系統(tǒng)并沒有冗余分配路徑，因此如果有單點故障的話，每年也許會有發(fā)生一個事件。

圖2“N+1”并聯冗余UPS供電系統(tǒng)拓撲

而“N+1”并聯冗余拓撲通常適用于那些提供基于互聯網服務的低依賴性企業(yè)。

“N+1”系統(tǒng)的拓撲結構，具有較少的冗余元件和較高的利用率，其初始成本和運營成本較低。而其較高的利用率取決于負載的模塊或發(fā)電機的數量。其滿負荷額定值為UPS功率模塊總和的80％到90％，而系統(tǒng)會增加額外的模塊和發(fā)電機。例如，一個UPS系統(tǒng)由2個功率模塊組成，那么正常情況下，一個功率模塊分擔40％到50%的負載量，而一個“N+1”系統(tǒng)由5個模塊組成，那么每個模塊的負載量最高只能達到25％。

　　塊冗余系統(tǒng)拓撲

該并聯的電源架構的另一個變化是塊冗余系統(tǒng)拓撲結構。這種方法采用一種經濟的方式來提高系統(tǒng)的可靠性，而無需一個完整的2N系統(tǒng)。它依賴于靜態(tài)轉換開關（STS）和UPS模塊的即時處理，以實現有效的載荷，而冗余的UPS具有承擔和轉移負載的能力，這可以在大多數的塊冗余拓撲中實現。然而，STS開關也是一個單點故障。雖然這個系統(tǒng)中UPS模塊的利用率得到提高，但其帶載率也只到70％～75％。

            圖3 塊冗余系統(tǒng)拓撲

共享冗余（4N/3）系統(tǒng)拓撲結構

共享冗余4N/3系統(tǒng)的拓撲結構與塊冗余拓撲非常相似，在多條路徑分布著不同的負載，并且所有UPS模塊都被加載。而4N/3和3N/2系統(tǒng)都是共享冗余拓撲的最常見形式，并且這些拓撲的UPS利用率水平通常在60％～70％的范圍內。如在3N/2拓撲中，其UPS的最大負荷的利用率可以理解為2兆瓦的負載除以3兆瓦的UPS容量，其效率等于67％。

　    　圖4 4N/3共享冗余系統(tǒng)

如圖4所示，這種拓撲結構還需要額外的電纜和配電基礎設施，這增加了初始資本和安裝成本，并使系統(tǒng)在節(jié)省成本上更加困難。此外，該系統(tǒng)在UPS輸出配電方面仍具有單點故障。

無論是塊冗余系統(tǒng)和共享冗余系統(tǒng)都比“N+1”冗余系統(tǒng)可靠性要高，其故障率每年不到一個事件。這種性能非常適合于大多數組織中的數據和應用程序的實時傳遞，服務交付等核心業(yè)務。但這兩種冗余系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是，其UPS最大利用率通常小于70％～75％，而實際使用時由于其容量有限，效率還要少得多。塊冗余或共享冗余系統(tǒng)中，UPS和關鍵電力資產并沒有得到充分利用，而供電系統(tǒng)實際部署的關鍵負載可能會經常變化，這是因為數據中心運營中，經常會有添加、刪除、升級或轉移IT負載、服務器等設備的情況。

　　“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓撲

“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓撲構采用了兩個獨立的冗余的配電系統(tǒng)。這種拓撲結構可以設計成在每個系統(tǒng)有N個模塊或“N+1”個模塊。兩個獨立的系統(tǒng)在某些設計中的可維護性和可容錯能力更高。

圖5“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓撲

“N+N”雙系統(tǒng)冗余拓撲結構提供了非常高的可靠性，但它也有最高的初始成本和TCO，以及資產利用率低（負載率最大只能達到40％到45％）的缺點。而這樣可靠性高的拓撲結構，五年只有一個到兩個的計劃外中斷。這種設計通常用于可靠性和可用性要求非常高的企業(yè)或金融服務行業(yè)。

總結

數據中心產業(yè)是動態(tài)的和不斷變化的。UPS供電系統(tǒng)可靠性的變化，是由數據中心的“使命”和“關鍵業(yè)務”的需求所決定的。現有的系統(tǒng)拓撲結構的演變表明，數據中心市場中可以提供一系列不同配置的UPS系統(tǒng)?！癗+N”雙系統(tǒng)可以提供最佳水平的高可靠性，然而其成本也非常高。其他的冗余供電系統(tǒng)（N或N+1）雖然可以降低成本，但其可靠性相比較低。這些因素使得企業(yè)采用UPS供電系統(tǒng)時，不得不在高昂的成本、高可靠性和利用率之間進行權衡。

UPS行業(yè)的下一個挑戰(zhàn)將是尋找一個可以提供適當的冗余和可靠性水平的新的系統(tǒng)解決方案，同時可以降低企業(yè)的資本支出和運營成本，并使其總體擁有成本更低。

編譯：Harris

關鍵詞：ups電源參數http://ysmy604813.com.cn/list-3-1.html

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