近年來，“東數(shù)西算”工程建設如火如荼，一座座符合《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》(GB50174-2017)標準的高等級數(shù)據(jù)中心投入使用，巨大的數(shù)據(jù)流量在數(shù)據(jù)中心的“堅實底座”上高速流轉。不間斷電源(UPS)作為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的最后一道“防火墻”，時刻為數(shù)據(jù)流量全速通行保駕護航。
本文以保障“業(yè)務連續(xù)性”為前提，探討了不同類型UPS的特點、差異及應用場景等，旨在為用戶在不同場景下選用不同類別的UPS提供系統(tǒng)性評估方法。
一、UPS的分類及辨別方法
我國UPS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步于上世紀80年代中期，較發(fā)達國家晚了將近20年。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，UPS系列關鍵技術取得突破性進展，譬如高端大功率UPS已成功實現(xiàn)從千瓦到兆瓦級水平的飛躍，且與國外品牌UPS設備在功能性價值上已不分伯仲。
目前，國內(nèi)外廠商已研發(fā)出多類“高頻UPS”機型，可滿足不同數(shù)據(jù)中心應用場景的需求，其中主要應用的三種類型為塔式UPS(高頻一體式)、模塊化UPS(全熱插拔)和類模塊UPS(業(yè)內(nèi)俗稱“假塔式”)。
在這其中，類模塊UPS是在模塊化UPS的基礎上取消了模塊熱插拔套件，所以既失去了“功率模塊故障后快速更換”的好處，又不具備塔式UPS的高可靠性。因此，高等級數(shù)據(jù)中心不適宜采用類模塊UPS。各類型高頻UPS的內(nèi)部結構如圖1所示。
圖1 各類型高頻UPS的內(nèi)部結構示意
二、塔式UPS和模塊化UPS的結構差異
現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)中心應用較多的是塔式UPS和模塊化UPS。這兩類UPS產(chǎn)品基于不同的內(nèi)部結構，在運行效率上亦略有差異。
塔式UPS內(nèi)部為獨立的三相結構，無電流不均衡情況，參考的行業(yè)標準為《通信用交流不間斷電源(UPS)》(YD/T1095-2018)。單臺塔式UPS的最大功率為600kVA，整機效率可達96%以上，在20%～30%負載率下效率亦可達95%以上，低載高效特征明顯。國標A級數(shù)據(jù)中心配合高效變壓器，可將數(shù)據(jù)中心總能耗與關鍵設備能耗之比(Power Usage Effectiveness,PUE)中的供配電因子PLF控制在0.075以內(nèi)，從而可較好地實現(xiàn)PUE小于1.3甚至1.2。
模塊化UPS內(nèi)部由三相功率模塊并聯(lián)而成，參考的行業(yè)標準為《通信用模塊化交流不間斷電源》(YD/T2165-2017)。單個三相功率模塊的功率以50～100kVA居多，整機效率可達96.5%以上。國標A級數(shù)據(jù)中心結合高效變壓器，可將PUE中的PLF控制在0.071以內(nèi)。相較于塔式UPS，模塊化UPS可更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心PUE小于1.3甚至1.2。塔式UPS和模塊化UPS電路如圖2所示。
圖2 塔式UPS(左)和模塊化UPS(右)電路示意
三、塔式UPS和模塊化UPS的全方位對比
結合塔式UPS和模塊化UPS的結構差異及其在項目中的實際應用表現(xiàn)，業(yè)內(nèi)對兩類機型的評價總結見表1。
表1 塔式UPS和模塊化UPS的特征對比
除此之外，兩類機型在以下幾個方面亦有較大差異。
1.機內(nèi)均流風險
得益于獨立的三相結構，塔式機內(nèi)不會出現(xiàn)模塊輸出不均流的現(xiàn)象；而模塊機內(nèi)部則存在模塊輸出不均流現(xiàn)象，且隨著時間的推移，有不均流加大的風險。
2.電容更換成本
塔式機的電容安裝方式是使用大電容螺栓將其安裝在銅排上，模塊機的電容安裝方式則使用小電容器將其焊接在PCB板上，兩者在電容器更換成本上有較大差異。塔式機電容器更換成本為整機成本的10%左右，模塊機則需全部更換功率模塊，更換成本攀升至整機成本的50%以上。
3.運行效率
通過采用功率模塊休眠技術，模塊機的休眠顆粒度為50kVA或100kVA，此外，可通過提升整機的負載率以獲得更高的運行效率。整體而言，模塊機運行效率高于塔式機0.5%左右。
4.故障概率及維修時間
獨立的三相結構決定了塔式機整機內(nèi)部器件發(fā)生故障的概率將遠低于模塊機功率模塊的故障概率。若故障發(fā)生，維修塔式機內(nèi)部器件的時間約為30分鐘，而模塊機在有備份模塊的情況下，更換模塊僅需10分鐘。
5.尺寸及重量
塔式機尺寸較大，安規(guī)距離可達到國家標準的1.5倍以上；而模塊機尺寸較小，在滿足國家標準安規(guī)距離要求時散熱能力較差，器件老化速度較快。在重量方面，塔式機較重，模塊機重量僅為塔式機的70%左右，因而成本更低。
四、 塔式UPS和模塊化UPS適合的場景
基于不同的結構和特性，塔式UPS和模塊化UPS均有相應適合的應用場景，用戶可根據(jù)實際項目情況進行選型。整體而言，高等級數(shù)據(jù)中心選型可考慮以塔式UPS為主。
1.根據(jù)并機方案選型
模塊化UPS主要通過并機實現(xiàn)功率模塊冗余，并機數(shù)量越多，功率模塊就越多，功率模塊間環(huán)流也就越大。因此，并機數(shù)量在兩臺時應用模塊化UPS或塔式UPS均可，并機數(shù)量在3臺及以上的情況，建議使用塔式UPS。
2.高安全場景
對于將“高可靠運行”要求置于首位的數(shù)據(jù)中心，因其設計理念追求的是“不會壞”，所以建議首選塔式UPS。同時，目前高頻塔式機的效率只略低于模塊機，也可同時兼顧節(jié)能的需求。
3.“極致節(jié)能”場景
對于將“極致節(jié)能”要求置于首位的數(shù)據(jù)中心，可優(yōu)先選擇模塊化UPS。因為模塊化UPS的運行效率比塔式機高0.5%，且休眠的功率顆粒度更小，節(jié)能效果也更好。但需要注意的是，模塊化UPS可能會較為頻繁地出現(xiàn)設備故障。
五、塔式UPS和模塊化UPS的應用情況
現(xiàn)階段，我國高等級數(shù)據(jù)中心應用領域廣泛，本文將以金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應用情況為例，同時列舉互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center,IDC)的應用情況進行分析。
1.金融行業(yè)應用塔式UPS占比超過99%
通過測算，2018年以來，擁有1000臺以上機柜的金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心塔式機的應用比例達到95%以上，占據(jù)絕對主流。若考慮近十年來金融行業(yè)1000臺以上機柜數(shù)據(jù)中心的應用，塔式UPS占比則高達99%以上。2018年以來擁有1000臺以上機柜金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應用情況見表2。
表2 2018年以來1000臺以上機柜金融行業(yè)數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)應用情況
2.IDC等應用模塊化UPS占比80%以上
目前，IDC較多地應用模塊機，但由于其故障率偏高，對業(yè)務連續(xù)性影響極大。據(jù)了解，模塊機整機及模塊的故障率是塔機的5倍以上。例如，2023年6～7月，某項目上應用的20多臺模塊機陸續(xù)出現(xiàn)故障，炸機導致單路UPS中斷時間長達數(shù)周，部分機房雙路掉電，且導致對客業(yè)務中斷、服務中斷以及用戶索賠等嚴重后果。此類數(shù)據(jù)中心模塊化UPS炸機、UPS燒毀、機房燒毀等事故，給設備安全運行帶來極大隱患。根據(jù)事后評估，發(fā)生故障的項目使用的模塊化UPS模塊尺寸小、功率高(3U 100kVA)，導致單模塊功率密度大、散熱性較差，熱量累積導致器件短路，最后引發(fā)炸機。模塊機雖具有單機成本較低、效率略高的優(yōu)勢，但若過于追求成本，其過高的能量密度將導致元器件安規(guī)距離過小、機內(nèi)溫升偏高、器件老化較快，為數(shù)據(jù)中心安全運行帶來一定的隱患。
此外，在多個行業(yè)的項目中，陸續(xù)有大量模塊化UPS的功率模塊被召回，召回行為對于數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運行也是一個巨大考驗。召回后再次上新的模塊是否還會發(fā)生故障，這對數(shù)據(jù)中心運維團隊及高層管理者都是一個巨大的心理考驗和責任考驗。
UPS作為數(shù)據(jù)中心基礎設施中最重要的設備之一，其對于供電連續(xù)性的影響至關重要。架構安全、穩(wěn)定可靠、在行業(yè)中積累了成熟經(jīng)驗的塔式UPS，或可作為用戶的優(yōu)先選擇。
本文轉載自《中國金融電腦》
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