数据中心UPS供电系统设计和应用中存在的问题

1、数据中心UPS供电系统设计和应用中存在的问题摘 要：在 IT 行业中，实际应用中存在的问题和随着技术的进步不断提出的新的 要求，是供电系统新的设计理念的产生和新产品开发生产的基础和动力，同时也 是检验新产品是否符合要求，有没有推广应用前景的唯一客观的标准。对于使用 者来说，充分了解应用中的问题，才能客观地准确的去评价各类产品的先进性， 才能有针对性的选用即符合自己使用要求又性能价格比高的产品。关键词：UPS供电系统问题与要求长期以来，业界对ups供电系统的认识一直停留在电力电子技术层面，很少有权 威的专业机构认真地研究用户在使用过程中面对的技术问题。例如多数ups厂商 的研发部门把精力放在提高转换效率、提高功率密度、提高输出电压稳定度（调 整率）以及传输失真度等ups指标上，不能说这样的做法不正确，而是推动了电力电子技术、电器工程 技术和计算机技术在 uPS 领域的应用和发展。但是，这些研发部门是否花精力去 拜访UPS用户，是否问过他们在应用过程中更关心的问题是什么。这些研发部门 的工程师很少会从研发实验室的仪器堆中“走”出来，去UPS用户使用的现场办 公。美国UPS厂商APC公司，从

2、2000年起派出工程师和设计专家到全球200多 家大型UPS用户、电力设计机构考察，认真倾听来自设备经理、IT经理、CEO、 工程顾问、项目经理等不同层面的反馈，发现了以前从来没有认真思考过的问题， 并总结归纳出了 5个方面共22条数据中心UPS供电系统当前面临的也是今后必 须解决的迫切问题。这22个问题全面而直接地反映了 UPS供电系统的用户（特 别是数据中心的用户）对UPS设备和供电系统的意见和要求，这些意见和要求中 很多已超出了传统概念的UPS设备应具备的功能范围。第1类问题一生命周期成本问题这类问题一般是UPS用户方面的高级决策人员、财务管理人员首先关心的问题。 UPS 系统的购买通常被视为固定资产的投资行为，所以长期及短期的投资回报率 和投资风险是他们首先考虑的重要问题。问题1.如何能优化投资和可用空间、避免UPS容量的浪费，以及能否做到“边 成长边投资”问题 通常情况下，用户在设计采购方案时，需要考虑到未来的业务发展。例如，如果 业务量以每年20%的速率增长，则5年后所有IT或通信设备的负载量将是第1 年的 2.5 倍。所以，最初采购时就要考虑到未来的需求。为了适应业务发展

3、的终 期目标，许多用户采用“一次到位”的方式采购UPS。从对UPS装机运行510 年的用户的调查发现，用户的设计容量（即UPS的购买容量）、用户设备的预计 负载量以及用电设备的实际负载量之间存在着很大差异。从一般平均情况来看， 在首次装机时预计负载量只是设计容量的 30%，而实际负载量又只是预计负载量 的 30%。换句话说，在最初装机运行时， UPS 的实际负载量仅为 9%左右。随着业 务的发展，用电设备逐年增加，在第5年时预计负载量增加到设计容量的80%左 右，而实际负载量只达到设计容量的 28%。图1为UPS配置容量与实际运行容量的统计数据的示意图。实际上，大容量UPS 的用户对系统可用性的要求非常高，几乎全部使用冗余并机系统，所以实际的购 买容量比上述的容量大1.5倍（三台并机， 2+1冗余）或2倍（二台并机， 1+1 冗余）。从图1中还可以看出，用户在UPS容量上的投资，70%以上都被浪费了。 事实说明，在大容量 UPS 供电系统的用户中，这是一个普遍存在的问题。所以用 户提出是否有一种办法可以解决这个问题，能否有一种能够“边成长边投资”的 方案。问题 2空间或称占地面积的问题

4、如何提高IT设备所占空间与其他基础支撑设施所占空间的比例？对于部分UPS 用户（如远离市区的工厂或IDC等）来说，空间根本不是问题。但对于那些位于 商务区的数据中心机房和旧机房的扩容改造，或者其他办公用房改造为机房的来 说，基础支撑设施所占据的空间是个令人头痛的问题。基础支撑设施，通常指机 械和电力基础设施。机械设施通常包括IT机房空调等，电力基础设施包括发电 机组、UPS系统、电池系统、输入开关柜和输出配电柜等。随着IT设备的小型 化（刀片式服务器的出现就是一个例子），人们发现IT设备的空间与基础支撑 设备的空间的比例有越来越小的趋势，这使得用户的心里感到不平衡有一天 是否会尴尬地发现：不能直接产生利润的基础设施竞会比直接产生利润的IT设 备所占用的空间还大？有没有一种方案能够压缩整个基础支撑设施所占用的空 间呢？图1UPS配置容量与实际运行容量的统计数据示意 问题3装配速度问题市场瞬息万变，对于企业来说，“快”是生存之道。构建一个数据中心，不仅电 源系统的各个部件存在着交货周期问题，而且方案设计、系统安装等也需要时间。 大型 UPS 系统、柴油发电机、大型开关设备等需要很长的交货周

5、期，这一点已是 人所共知。用户必须提前 6 个月购买这些系统和设备，若其中间环节稍有差迟， 用户的起用时间就会被推迟。在极端情况下，甚至出现当用户启用设备时市场已 经变化，最初的设计方案已经彻底过时。尤其是在近年来IT行业的萧条时期， 有些用户必须提前 6 个月购买拟建中的数据中心的各种设备， 6 个月后他们才发 现到了一个进退两难的境地。因为他们的项目已经因为后期资金的限制而被迫取 消或缩减了规模。他们被这些定购的设备困住了。通常情况下，因系统的进度及可用性要求的不同，数据中心的实际建设时间一般 要318个月不等。用户希望能够缩短从作出决定进行修建到实际建成并投入运 行的时间。问题4服务合同的费用问题大型 UPS 系统及一些电力基础设施的其他组成部分的复杂性，加上缺乏技术娴 熟、经验丰富并经过高级培训的技术人员，导致了服务合同费用的居高不下。随 着系统使用年限的增加，用户的运营费用不断上升。更令用户感到不平的是，服 务费用都是按照UPS的装机容量来报价的，尽管用户实际只用到了 UPS 70%以下 甚至只有 10%的容量。用户非常希望能够找到降低系统复杂性的途径，以此来简 化所需要的服

6、务并降低服务合同的费用。问题5投资风险问题针对 UPS 系统的投资，是否有灵活的退出策略？变幻莫测的市场环境，使所有企 业的决策者对未来的业务的不确定性感到不安。这种对未来业务的不可知性，直 接导致了对IT设备及电力基础设施投资的风险性。目前的电力基础设施需要大 量投资，但没有可变通及灵活的退出策略。许多用户都在试图寻求能够在项目启 动失败时提供简单而经济的退出策略。除此之外，许多用户都在租赁的办公环境内办公，数据中心的办公室也在其内， 而且通常在25年内就搬迁到新的办公环境。对于当前的基础设施而言若要搬 迁到其他地方，要么技术上不可行，要么将需要一笔很大的开支，因为现有的数 据中心基础设施并不能搬迁，而是需要重新购买。总之，用户都希望能够在各种 情况下低成本地退出。第2类问题UPS系统的可适应性及可扩展性 问题6系统和部件的标准化与规范化 如何降低系统的设计风险，这是当前IT机房设计和实施过程中普遍思虑的问题。 目前大型UPS用户的电力基础设施变得越来越复杂，多种品牌型号的UPS、输入 输出开关装置、信号及动力电缆的布线等，导致了大量的现场工程设计工作和设 计方案的多样性，大大地增加

7、了用户或技术顾问公司、设计院的负担，顾问工程 师会因为设计的复杂性和资源配置问题而承担极大的风险。用户和顾问公司希望 有一种方案能够使得所有部件标准化、规范化，这不仅可降低设计和施工的工作 量，还可以因为设计方案的标准化、规范化而降低设计和组建的风险。问题7不可预测的功率密度问题 用电设备的功率密度，即单位体积内或单位面积内负载消耗的电功率，在随着技 术的发展而增大。举例说明，五六年前，一台典型的IT机柜内可以放5-8台服 务器，功率密度大约为每个机柜1.0-1.5kW。如今，随着刀片式服务器的面市， 在极端情况下每个机柜内负载量甚至能够达到10kW。对于未来功率密度的增大 速率和程度，尽管每个用户都有自己的一套理论，但有一点是大家共识的，那就 是不断增大且无法准确预见。这种情况对于规模相对较大的数据中心来说会带来 两方面的问题：一是在IT设备因业务增长而追加设备的过程中，不同区域或不 同机柜内的功率密度会变得不均衡，这样会在数据中心内形成一些功率密度非常 高的区域，从而会因大量热损耗而引起局部温升，即形成过热点，这必然要对散 热设施提出更高的要求；第二方面的问题是，功率密度的不均衡为

8、设备的配电提 出了挑战。一个机柜如果安装早期的服务器，也许只能容纳10台，即只需10 个电源插座就够了；现在，一个机柜能容纳40个1U的服务器，即至少需要40 个电源插座，将来这个数目还可能增加。显然，对于UPS的配置也提出了更高的 要求。所以用户会提出这样的疑虑：电力基础设施能否适应这种不断变化而又无 法预测的功率密度带来的影响呢？问题8如何适应不断变化的其他需求 技术革新通常每隔1. 5-3年就发生一次，数据中心也不例外。随着数据中心环境 的变化，电力基础设施和其他基础设施都必须适应并满足这些要求。机柜内的设 备升级更换时会导致许多其他问题，诸如新旧设备的重量密度不同、安装要求不 同（如DELL公司的服务器不能安装在COMPAQ机柜上）、单电源设备与双电源设 备对配电要求不同、交流设备与直流设备对配电要求也不同等。例如，某些服务 器是双电源供电的，这样的服务器就不容易得到专为单电源服务器设计的基础设 施的支持，反之亦然。除此之外，UPS容量的扩展也是用户十分关心的问题。UPS 扩容时的问题主要有以下3个方面：第一是新旧UPS系统的兼容问题。如果新增 加的 UPS 与现有的 UPS

9、的品牌不同甚至品牌相同而机型不同，都会增加额外的服 务费用，增加操作难度，并可能影响原系统的可靠性和可用性指标。第二是新扩 容的 UPS 与现场环境的匹配问题，用户担心万一最初设计时不够全面，那么在 UPS 扩容升级时会不会发生预留给新增 UPS 的空间不够，改动输入输出布线是否 需要改变房屋结构等新的问题。第三方面是UPS扩容升级过程中会不会被迫中断 现有业务。实际情况是为设备扩容而停业半天的情况时有发生，而他们的用户似 乎习以为常了。但是，现在的要求不同了，许多行业需要24h不间断运行的业务， 无论什么原因，哪怕是设备升级，中断几分钟也将被视为重大事故，所以 UPS 用户非常希望有一种不停电扩容的解决方案。问题 9断路器数量增加以及断路器指标的离散性问题在传统的集中式UPS设计中，UPS和关键负载之间安置了许多断路器，实际上每 个断路器都是一个单路径故障点。许多用户已经开始认识到断路器这一单路径故 障点对关键负载的可靠性的重大影响，换句话说，每一个断路器都是影响输出业 务的潜在隐患，所以断路器数量越多，关键负载可靠性就会越低。另外，相同指 标而不同厂商的断路器，其运行过程中的实际动作稳定值也存在着很大差异，例 如一个标称20A的断路器动作电流是20A,而另一个标称20A的断路器动作电流 可能只有17A，这在很大程度上影响了数据中心路保护机制。情况最糟糕时，下 游断路器可能不会动作，而最终导致上游的断路器动作，结果发生大面积负载掉 电的情况。用户希望能够减少UPS与负载之间的断路器的数目以及使用更加标准 化的断路器。第3类问题提高UPS可用性的问题许多UPS厂商都开始重视UPS系统的可用性问题，常见的提高UPS可用性的技术 是采用冗余技术和可热插拔的模块化设计。但是，当我们把目光从UPS本身移到 整个电力基础设施系统的时候发现，影响用户设备供电的可用性的因素其实还有 许多。问题10操作人员人为操作失误的问题根据美国权威调查机构 UP TIME INSTITUTE 提供的信息， 54%的宕机故障都是人 为因素造成的。许多其他的组织也对这一数据进行了调查，有的估计值甚至高达 75%-80%。无论确切的百分比是多少，大家都一致

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