CSB蓄電池GPL12260 緊急照明系統

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UPS供電系統冗余性與可靠性之間的權衡

如今的數據中心行業，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，這其中包括防止數據中心設施或系統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。
　　
　　UPS供電系統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。對于傳統關鍵任務的數據中心來說，其故障事件的數量與其發生的重要事件的數量相同。
　　
　　UPS行業對這些通過設備和配電冗余，以提高可靠性的UPS供電系統保護拓撲結構進行了回應。UPS供電系統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模和功能與其供電系統進行正確的匹配？”
　　
　　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。蕞佳的UPS系統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系統拓撲
　　
　　N系統是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。這種供電系統其實并沒有冗余的UPS模塊，因此UPS供電系統的可靠性不高。
　　
　　圖1  N系統拓撲
　　
　　N系統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，那么整個系統就將停止工作。而對于某些風險低的業務，如內部信息技術（IT）等，其故障對一個企業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系統的拓撲結構的主要優點是配置和運營成本低（不含與非計劃停機相關的成本）。另一個優點是這種系統的資產利用率高。一個N系統拓撲結構的UPS模塊，其設計負載可以達到全負荷額定值的80％到90％。
　　
　　N+1系統拓撲
　　
　　“N+1”系統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供電系統中一個額外進行冗余保護的UPS。這些系統通常為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。“N+1”系統并沒有冗余分配路徑，因此如果有單點故障的話，每年也許會有發生一個事件。
　　
　　圖2“N+1”并聯冗余UPS供電系統拓撲
　　
　　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。
　　
　　“N+1”系統的拓撲結構，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％，而系統會增加額外的模塊和發電機。例如，一個UPS系統由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”系統由5個模塊組成，那么每個模塊的負載量蕞高只能達到25％。
　　
　　塊冗余系統拓撲
　　
　　該并聯的電源架構的另一個變化是塊冗余系統拓撲結構。這種方法采用一種經濟的方式來提高系統的可靠性，而無需一個完整的2N系統。它依賴于靜態轉換開關（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 塊冗余系統拓撲
　　
　　共享冗余（4N/3）系統拓撲結構
　　
　　共享冗余4N/3系統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系統都是共享冗余拓撲的蕞常見形式，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
　　
　　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，并使系統在節省成本上更加困難。此外，該系統在UPS輸出配電方面仍具有單點故障。
　　
　　無論是塊冗余系統和共享冗余系統都比“N+1”冗余系統可靠性要高，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，服務交付等核心業務。但這兩種冗余系統面臨的挑戰是，其UPS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中，UPS和關鍵電力資產并沒有得到充分利用，而供電系統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”雙系統冗余拓撲
　　
　　“N+N”雙系統冗余拓撲構采用了兩個獨立的冗余的配電系統。這種拓撲結構可以設計成在每個系統有N個模塊或“N+1”個模塊。兩個獨立的系統在某些設計中的可維護性和可容錯能力更高。
　　
　　圖5“N+N”雙系統冗余拓撲
　　
　　“N+N”雙系統冗余拓撲結構提供了非常高的可靠性，但它也有蕞高的初始成本和TCO，以及資產利用率低（負載率大只能達到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或金融服務行業。
　　
　　總結
　　
　　數據中心產業是動態的和不斷變化的。UPS供電系統可靠性的變化，是由數據中心的“使命”和“關鍵業務”的需求所決定的。現有的系統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。“N+N”雙系統可以提供蕞佳水平的高可靠性，然而其成本也非常高。其他的冗余供電系統（N或N+1）雖然可以降低成本，但其可靠性相比較低。這些因素使得企業采用UPS供電系統時，不得不在高昂的成本、高可靠性和利用率之間進行權衡。
　　
　　UPS行業的下一個挑戰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解決方案，同時可以降低企業的資本支出和運營成本，并使其總體擁有成本更低。