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高可用性数据中心的UPS设计与配置

  UPS的可靠性更多有赖于电源系统的整体设计,而并非UPS本身的设计(如UPS是否采用互动式或双变换技术)。而最终,提高UPS可用性的办法无疑就是将包括UPS和整个电源保护方案在内的整体修复时间缩至最短,将冗余扩至最大。  
  1 平均无故障时间(MTBF)之惑  
  一直以来,MTBF(平均无故障时间)是UPS生产商用来测量和说明UPS可靠性的关键度量指标。不过,用MTBF莱预测UPS的可用性实际上却难具说服力。  
  为了说明这一点,我们来举一个例子,假设一台UPS的MTBF是200,0OOh,非专业人士可能简台UPS的MTBF是200,0OOh,非专业人士可能简单地以为该设备可以无故障运行200,000h(约为23年)。但是,事实上UPS生产商不可能也不会对产品进行为期23年的无故障运行测试。相反,他们只是根据UPS组件的预计使用寿命先行计算出一个MTBF值。然后,在其出货量增长到具有统计学意义时,会根据这批设备实际的性能数据替换到某些初步的预估值,这些修正后的数据可能存在误导性。比如,假设2,500台UPS在5年的研究期内运行良好,那么得到的MTBF值可能会相当高。但是如果这些系统中有一个组件的使用寿命只有6年,那么在5年研究期过后的一年,它们中的90%可能会发生故障。  
  用可用性来测量关键电源后备系统更加具有实质意义。鉴于UPS在数据中心所占据的重要作用,能否快速更换旧零件或故障零件就显得至关重要。可用性表示的是MTBF与另一度量单位MTTR(平均故障修复时间)相互之间的关系。MTTR是指从发现故障、给予响应到完全修复所需的时间。  
  可用性A=MTBF/(MTBF+MTTR)  
  然而,单独来讲,尽管可用性比MTBF更能说明UPS的可靠性,但是在一些重要方面仍存在不足。具体来说,可用性无法说明例行保养的时间。如果一个系统每年都必须安排进行检查、重新校准或常规维护,它实际的运行可肘性会比上面公式得出的数值来得低。  
  2 UPS设计和内部电源通路  
  尽管UPS内电源通路数量的增多会使成本增加,但是这可以确保日某此b系统组件(譬如整流器、逆变器或内郡备用电池)发生故障,关键负载的供电免于中断。UPS从设计类型上基本分为三类:  
  (1)后备式UPS的电源通路。 
  当UPS检测到停电故障时,后备式UPS可以切断IT设备(lTE)的市电供电,为系统提供电源保护。不过,一些备用电源系统会在过压或欠压时提供局部的电源保护,对电池电源的使用较为有限。可见,虽然后备式UPS可提高效率和降低成本,但有时提供的电源保护并不全面。  
  (2)互动式UPS通常视情况适度调节电压之后,再对受保护设备供电。不过,互动式UPS必须使用电池电源来防止各种频率异常现象和停电'清况。 
  (3)双变换式UPS可以将关键负载与市电电源完金隔绝,从而确保为IT设备提供洁净、可靠的电力。双变换式UPS比后备式UPS和互动式UPS更耗能,因此它们在数据中心或设备司内的散热量更高。 
  这些UPS设计的不同之处在于其内部的电源通路。后备式UPS通常有两条电源通路,由一个电源开关同时控制。因此,如果电源开关故障,那么lT设备便会断电。  
  互动式UPS通常有两条完全独立的电源通路,其中条通路使用电源接口。如果电源接口发生故障,则UPS将由电池供电以确保将所有连接的设备从容关闭。郡分顶级的互动式系统也会包含一个静态旁路通路,可以自动旁路UPS申发生故障的组件,将lT设备直接连接至市电电源。  
  大多数的双变换式UPS有两条电源通路,一条由市电电源或发电机供电,一条则由电池电源供电。此外UPS内还包括:  
  (1)自动静态旁路开关可以旁路发生故障的整流器或逆变器,并由市电电源直接供电给IT设备。  
  (2)手动维护旁路设备允许技术人员在不中断受保护负载供电的情况下对系统进行维修。  
  3 提高ups电源通路可用性的策略  
  提高UPS电源通路可靠性的方法有:  
  (1)添加并联电池组:使用单组串联电池的UPS对正常供电负载的风险会大大增强。如果串联申的电池其申一只出问题,就会影响整串电池组放电,从而导致UPS无法正常供电。如果在UPS上再并联一串电池组的话,假设其中一串电池组发生故障,那么UPS仍可由另一串正常的电池组供电一段时间,从而有时间连接备用发电机供电或者从容关闭负载设备。  
  (2)安装柴油发电机:电池供电只能解决一时的燃眉之急。如果面临长时间的断电情况,即使使用了最长时效的电池组可能也是"有心无力"。因此,在长时间停电的情况下,使用柴油发电机作为备用供电电源较为理想力口。 
  4 通过并联安装UPS提高可用性  
  冗余的设计逻辑,不仅适用于电源保护方案,同样亦适用于UPS设计。在电源设计申构建多条电源通路能够从根木上提高系统的可靠性。

  电源供应链的最终性能受限于其申最弱的一环。因此,在供应链的每一点上添加多个冗余可以提高其整体的可靠性。因此,最可靠的输电系统通常包括从总电源至用电负载的多条相互独立的电源通路,相互尽可能避免重叠。采用冗余配置的电源系统,当组件发生故障或者进行例行维护时郡不会导致IT设备关闭。 
    5 冗余UPS架构  
  在UPS行业领域,系统并联郡署的方式有很多。最常见的两种方式是串并联组合部署的架构或者是全冗余并联部署的架构。  
  (1)串联冗余系统  
  当需要使用两个不同型号或者是由两个不同厂商生产的UPS系统支持基本负载时,有时会使用串联冗余的配置架构,它们无法在冗余配置中并联。但是使用串联组合部署的架构可以帮助克服这种限制。 
  (2)并联冗余系统  
  一般来说,全冗余并联架构具备的可靠性更高,不过这也取决于实施的形式。  
  a.不完全冗余方式  
  某些UPS声称具有并联架构,但实际上只是有限的几个组件进行并联。这也就是说,虽然在一个类似的零件出现故障时,系统可以提供一定的冗余。但是如果系统中设有独立的子系统,一旦子系统发生故障,那么整个UPS便需要关罚进行维修。 
  b.具有独立子系统并联冗余方式  
  有的UPS设计还包括带有独立子系统的UPS和带有点对点并机能力的UPS,这就是说由UPS自身进行控制,而不是使用主控制器,这就赋予了UPS高的可靠性级别。并联架构的设计旨在不增加设计复杂程度的情况下尽可能地消除弟点故障。因此,并联架构可以使用独工子系统和点对点控制,提供最少故障点和最高可靠性的系统设计。 
  c.“N十l”并联冗余模块化系统  
  6个12kW UPS系统,使用热插拔电子组件和电池模块,如果用户手上有可更换的零部件的话,他们便可在几分钟内自行更换故障的组件,"5十1"并联冗余方式。 
  6 电池如何影晌可靠性  
  UPS的设计理念决定了使其用电池供电的频率,而电池使用频率又与电池的运行时间和使用寿命直接相关。  
  后备式UPS会频繁切换至电池供电模式,这会减少电池的运行时司并缩短使用寿命。而且,在频繁切换供电模式的过程中会存在短暂的断电,可能会使IT系统关罚。同时,输出电压调整范围较宽,会导致IT电源关闭。
    互动式UPS比后备式UPS能够更好地提供电源异常保护,然而当在正常模式和调节模式之间进行转换时或者为应对发电机起动时的电压不稳定,必须依靠电池进行供电。  
  双变换UPS的电池使用则更为适度。在较宽的输人电压容限范围内,UPS整流器和逆变器会共同调节输出电压,而不需要借助于电池进行供电。此外,从正常供电模式转换至电池供电模式的切换时间很短,因此不必担心IT系统会出现供电中断的情况。  
  带有多运行模式的新型高效双变换UPS,其使用电池的时间和频率与双转换UPS相似,在某些情况下可能要来得更低。而且,这些UPS在正常运行模式下效率可高达99。效率更高就相当于电池的运行时司更长,运行温度更低,这两点都有助于延长电池的使用寿命。  
  7 结束语  
  电源系统可用性最大化的六个关键步骤:  

  (1)高品质UPS的标准化设计:选择资历出众、拥有诸多成功案例的业界厂商。UPS的设计应当包括内置关键组件冗余,采用多条电源通路,使用性能优越的组件,同时在生产过程中对质里进行严格把关。

  (2)选择内置有多条电源通路的UPS:良好的UPS设计应当能提供多条电源通路进行额外冗余,包括静态旁路开关,手动维护旁路或自动维护旁路。  
  (3)寻找可满足您叮设备需求的UPS:一些kUPS的价格虽低,但却无法正常支援用电负载,达就会导致IT设备被重置、数据被破坏甚至设备被关闭。带有多运行模式的高效双变换式UPS可以在IT设备和工业设备容许的电压和频率范围内对电源进行很好地净化。  
  (4)部署冗余并联UPS:可以对电源通路、电子组件和电池模块进行冗余,从而提供最高的可靠性保护。  
  (5)注重可以缩短MT丁R的各种特性:选择模块化系统设计,UPS应使用便于维修的零部件,比如热插拔电池和电子组件。从根本上来说,MTTR比MTBF对可用性的影响更大。  
  (6)选择使用电池可能性最小的UPS:频繁使用电池供电的UPS,其电池的运行时间和使用寿命会相对缩减。带有多运行模式的高效双变换UPS使用电池的可能性更小,有助于延长电池的使用寿命。

 

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