数据中心APCUPS电源供配电理念的转变

数据中心APCUPS电源供配电理念的转变

更高的供电效率

随着云计算的蓬勃发展,数据中心能耗的不断增加已越来越受到业界人士的关注。2006年,美国数据中心的总耗电量约为610亿千瓦时,总电力成本约为45亿美金;而2011年,美国数据中心的总耗电量已超过1000亿千瓦时,总电力成本高达74亿美金。数据中心的成本、效率和可持续性受到了严峻挑战。随着数据中心耗电量急剧上升,“数据中心节能”成为未来数据中心建设的发展趋势。APCUPS电源在数据中心中耗电量为18%,然而,由于UPS系统需要7×24小时在线运行,所以提高UPS供电效率可以带来直接的电力节省,哪怕是些许的效率提升,每年也会节省大量的电费开支。影响UPS系统效率的两个因素为:UPS系统自身的拓扑结构和决定UPS负载因数的数据中心电源及配电的设计。

UPS系统本身的设计结构很大程度上决定了效率。目前市面上UPS主要有两种结构——互动式和双变换式,如图1、图2所示。

图1  互动式系统图

图2  双变换式APCUPS电源系统图

互动式UPS将整流器和逆变器与市电输入并联。这种设计使得互动式UPS可以对市电(过压或欠压)进行补偿;同时通过相应的电路,对谐波、瞬态波动和其他电能质量问题进行调节。当市电不可用或超出设定范围,互动式UPS通过静态开关将负载与市电隔离,同时切换到电池或飞轮等储能装置给负载供电。

双变换式UPS系统是将负载与市电完全隔离。在任何时刻逆变器都对负载提供100%调整过的交流电。由于双变换式UPS工作时对市电能量进行两次变换,第一次是交流到直流,然后再是直流到交流,也因此得名双变换式UPS。正常运行状态下,即使市电没有电力*,双变换式UPS系统也会一直给负载提供处理过的交流电源。

使用双变换式UPS,电源要从交流整流到直流,再从直流逆变到交流,才能确保输出端完整的正弦波及频率保护功能,以及保护负载免受七种电力*的影响。这个方法既超出了现代IT设备的电源需求,又消耗了大量的能源。

比较而言,互动式UPS设计更简单,在主电力通路上的器件更少,从而在保护负载的同时获得更高的供电效率。由此可见,采用飞轮储能式UPS系统可以有效降低能耗已经成为一个不争的事实。

APCUPS电源即采用互动式设计,可以达到与双变换式UPS相同的电力输出质量,主要是采用了高速微处理器,可以在一个20ms周波内对市电采样400次,快速对电源的瞬态问题作出响应。而飞轮储能装置对负载的输入电路设计几乎和双变换式UPS相同。除了通过UPS架构对电能节省外,飞轮储能系统相比蓄电池对环境条件(温/湿度)要求更低,另外,飞轮储能系统占地面积只有蓄电池的1/4,大大降低了对制冷量和制冷空间的要求,从而进一步节省电能。以一个15000平方英尺的数据中心为例,按每平方英尺的IT设备运行功率为50W计算,每年需要消耗电能6.9MWh。如果UPS电源系统在效率上提高5%,每年可降低384,000kWh的电能消耗,或大约节省3.8万美元的电费开支(按0.10美元/kWh计算),另外还可大量减少在冷却负载方面的节省。

至于,对于互动式UPS最主要的质疑是针对市电频率波动的处理能力,因为输出频率与市电同步,Active Power利用了同样的微处理器解决这个问题,只允许±0.2%市电频率的漂移,当市电超出这个范围,将由飞轮进行供电,这样做的结果是有效保证了供电质量。

2   更高的可靠性

数据信息重要性的提升,使得数据中心的可靠性在政府和企业中日益凸显。虽然能效对于数据中心越来越重要,但运维人员仍然对于任何可能引起宕机风险的改变都极其慎重;更多的关于数据中心供电可靠性的知识可以帮助运维人员在提高数据中心供电效率的同时减少顾虑。

1996年开始,MTechnology公司一直采用风险概率评估法(PRA),对高效电力设备进行评估。风险概率评估法(PRA)是用于评估复杂系统可靠性和有效性的正式技术方法的集合。PRA技术通过综合简单部件故障率的已知信息,利用正式的数学模型,对系统可靠性作出令人信服的评估。对于大部分电气、电子和机械部件来说,都有其可供参考的故障率数据。PRA的计算方法参考这些数据,并考虑到各部件在特定系统中相互作用的因素,利用专业知识将它们融合在一起。所以,在系统组成以前,就能评估出复杂系统的故障率。

MTechnology公司将停电分为两类:

(1)超过10s的长时间市电中断

在这种情况下,通过命令自动转换开关切换到运转状态,交流电源转移到发电机,然后发电机起动运行。在发达国家发生10s以上电力中断的情况并不多见。事实上,根据美国电力研究所(EPRI)的评估结果显示,用户遭受电压下跌的几率要高出电力完全中断几率的十倍之多。在电力完全中断的案例中,超过10s的情况不超过4%。

故障树分析显示,自动转换开关故障是引起备用电源系统故障的最重要原因。使用中的自动转换开关发生故障的次数大约占系统预期故障次数的95%。模型中使用了电机及电子学工程师联合会黄金书(IEEE Gold Book)的数据,其故障率大约为(10～5)/h,或超过100,000h(11年以上)的故障平均间隔时间,这说明整套机电部件在持续使用中性能良好。因为自动转换开关只是单点故障,所以它的故障率占据了大部分的系统故障,且自动转换开关故障几乎总会导致系统故障。因为自动转换开关故障率、主开关柜故障率和发电机故障率是系统的主要故障率。图3为故障树模型的Active Power飞轮UPS简化单线流程图。

图3  故障树模型Active Power飞轮UPS简化单线流程图

数据显示:包含Active Power飞轮UPS系统几乎不会发生故障。短时间电力中断情况所作的模拟次数是长时间电力中断模拟次数的100多倍。增加短时间电力中断故障率将对以上结果有重要影响。

(2)小于10s的短暂市电中断

这种情况下,在市电恢复前,UPS中储存的能量足以支持负载正常运行,所以就不必考虑将电源转移到发电机上的问题。在这种情况下,将会明显显现出两套UPS系统核心可靠性的差别。

在短时间电力中断的情况下,储存的电能足可以维持任何电力*的通过时间。假定小于10s的电压下降和电力中断情况占所有电压下降和电力中断情况的96%,这个衡量标准在决定单个UPS系统可靠性方面具有重要作用,可检测到的电池故障和检测不到的电池故障占所有双变换UPS故障率的90%。在良好的维护保养及有效测试情况下,能够降低电池故障率,图4中双变换式UPS蓄电池的理论故障率是在这个基础上得出的。参考MTech研究结果,经验告诉我们蓄电池在实际的使用中并不可能如同模型中预测的那样可靠。双变换UPS蓄电池系统中,最有可能运行失败的模式是检测不到的电池故障,检测蓄电池单元是相当困难的工作。其对比结果仍是飞轮UPS系统具有更高的可靠性。在实际使用中,大部分电池故障是检测不到的,所以飞轮UPS更具优点。有专家指出“UPS系统中最容易出现故障的部分就是蓄电池。唯一确保蓄电池可靠工作的方式就是定期测试。蓄电池可能表面看起来很好,但实际是处于失效的边缘。大多数数据中心使用了几乎10倍于实际需求的维护量。而‘过量维护’恰恰降低了系统的可靠性,因为人为干预是所有因素中可靠性最低的。”

图4  双变换式UPS系统图

两套系统的共有部分是:单路市电馈电和通过开关柜及自动转换开关同UPS系统输入端相连的备用发电机。图5中展示了连接到UPS输入电路的市电、发电机、自动转换开关和主开关柜的单线流程简图内容。

图5  供电系统流程图

分析结果显示,双变换式UPS系统发生故障的可能性高出飞轮UPS系统七倍之多。飞轮UPS系统的一个优势就是当需要时,飞轮储能系统出现故障的概率非常小。换言之,如果在飞轮系统正常运行时市电发生中断,则飞轮的电力输出是几乎可以保证的。

3   更短的后备时间

UPS配置30min的后备电池曾经是行业标准,但如今已缩短到15min或更短。这是数据中心用户试图平衡可靠性和运维成本的结果,也是由于数据中心的容错机制将更多依赖软件和算法的控制,而降低了对基础设施硬件冗余的依赖。

数据中心发展至今,在市电中断时对数千台甚至上万台IT设备实现关机的想法已经不现实,并且无法被业主接受;数据中心供电标准要求两路市电或市电与后备发电机之间的手动切换。

15min可以给后备发电机组“多一次启动机会”的想法也不成立,因为如果发电机组在最初的5～6s内无法起动的话,那么就像汽车一样,几乎不可能在接下来的15min内恢复起动;数据中心供电标准要求后备发电机组必须在15s内完成起动带载,并且目前的发电机技术完全可以满足。

越来越多的客户倾向于飞轮UPS的依据是,如果发电机系统不能在15s内启动并正常带载的话,那么运维人员也不太可能会在15min或者30min内找到故障并立刻修复,数据中心的电力中断将在所难免!新建数据中心开始考虑是否真的需要30min的后备时间,是否更短的时间也可以接受?据此,有研究机构预测将引发一场UPS选择和配置的变革。过去认为是非主流或小众市场的UPS技术在未来会得到推崇。而数据中心模块化部署的趋势必将推动这场变革。

对国内用户来说,目前市电的可靠性达到99.9%,有些重要的负载更采用双路市电供电,市电的可靠性可以说已经达到了4个9,即99.99%。万一市电中断,后备电源的可靠性也可以达到3个9,从市电到后备电源的切换,在技术上只需要10s的时间,这是一个公开的标准。目前,欧洲已经将这个时间定在了8s。目前国内很多数据中心,多采用2N以上结构,使用飞轮UPS完全可以满足应用。

近日,常州柴油发电机工厂,Active Power飞轮UPS与油机配合实测证明此言不虚。Active Power实测设备CleanSource1000kVA飞轮UPS数据显示:飞轮UPS空载、半载系统切换时间分别为8.8s、11.5s;飞轮UPS带载率55%、99%时,飞轮放电时间分别为36s、20s,飞轮UPS与油机“黄金搭档”的默契配合,得到了大家一致赞誉。其供电效率也得到了验证:当飞轮UPS带载率50%、70%及满载时,飞轮UPS供电效率分别为96%、97%及98%。飞轮UPS在测试中表现出来的优异性能,生动地展现了机械储能UPS技术的卓越性能以及广阔的发展空间。■（御风）