数据中心ups供电系统设计和应用中存在的问题

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1、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

2、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 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

3、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

4、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 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

5、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

6、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 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

7、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

8、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

9、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

10、。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

11、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

12、 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

13、的不均衡为 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

14、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 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

15、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

16、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