随着大数据云计算的不断发展,大型、高密数据中心的建设应运而生,而大型数据中心带来的耗电量也是巨大的。据统计目前数据中心的能耗已占到全球电量的2%至3%。高可靠、低能耗、易维护的供配电系统成为数据中心建设的核心诉求,而UPS作为其源动力,发挥着至关重要的作用。

大型数据中心要求电力系统高可靠性,T4级数据中心可靠性99.995%,平均每年只能有48分钟故障时间,服务中断时间小于24分钟,UPS 电池最少满负载备份时间(需要有发电机应急电源系统)不少于15分钟。当市电发生输入中断,就由蓄电池、UPS逆变为负载提供不间断电源,来持续保障业务的正常运营。UPS工作时整流器和逆变器都会产生功率损耗,例如电价为1元/度,以400KVA的UPS为例,UPS效率每提高1%,一年节省的电费为(400KVA×1)×0.01×24×365×1=35040元。所以如何提高UPS的工作效率,是降低数据中心运营成本的一个亟待解决的问题。

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一、 数据中心UPS系统设计规划

对于数据中心的供电系统解决方案而言,应优先考虑提高它的可利用率。按照TIA-942所推荐的供电系统可利用率的分类标准,可分为Tier-4级、Tier-3级、Tier-2级和Tier-1级。Tier-4级供电系统是由两路UPS所组成的2N型供电系统来向IT设备供电,它能确保负载”永不停电”,具备故障容错功能,其可利用率最高,适用于中大型的高端数据中心。Tier-3级供电系统是由1路市电+1路UPS/HVDC所组成的2N型供电系统来向IT设备供电,它使负载的供电系统具有可在线维护特性,其可利用率次之,适用于中大型的中端数据中心; Tier-2级供电系统是由N+1台UPS所组成的冗余供电系统来向IT设备供电,适用于中小型数据中心; Tier-1级供电系统是单机系统,其可利用率最低,适用于小型机房。

举例:某数据中心设计每个机房模块机柜200个,容量为3KW/个。

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备注:为了能够完全与供应电源兼容,输入功率因数需要接近1

根据IT设备负荷计算进行UPS选型,UPS容量按照2N方式配置,选型计算如下表:

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备注:高冗余度的UPS系统其设计额定负荷水平通常在40%~50%之间

UPS设备选型为在线双变换式,采用空间矢量调制及全数字化控制技术。共分为两组,每组配置为4台400KVA UPS并机运行,第一组UPS为1#、2#机房IT设备A路供电,第二组UPS为1#、2#机房IT设备B路供电,正常运行时每组UPS各承担50%,当一组UPS故障时由另一组UPS承担全部负荷。

二、 UPS供电系统的“系统级”休眠技术

就绝大多数的数据中心机房UPS而言,不管实际营运的负载有多大,这一系统中的全部UPS均投入运行。而通常数据中心的负载是分步增长的,尤其是IDC机房,初期机房很空、负载很轻,这时所有的UPS都开动起来本身就是一个很大的能源浪费;另外就UPS的效率曲线而言,其效率与负载率成正比变化关系,负载率越低效率也越低。

假设每套并机初期的负载总量仅为一台的容量(实际往往会更低,某运营商的数据中心,运行一年多了,负载仅为一台的1/4),那么四台并机工作时每台UPS的负载率为25%,以500KVA的12脉冲UPS为例,在这一负载率下的效率仅为85%以下,这意味着约有2*15%*500KVA*0.9=135KW的电被白白浪费掉了。更为致命的是,对于多台并机系统而言,如此低的负载率很容易引起并机系统振荡,导致UPS故障和系统宕机事故。

因此,为了提高可靠性和减少大量能源在低负载下的白白浪费,数据中心机房UPS系统采用绿色休眠节能技术是非常必要的。这一技术能在负载较低的情况下,自动根据当前总负载的大小,决定投入运行UPS的台数,在保证应有的N+1冗余供电情况下,退出多余的UPS并使其进入休眠状态,以达到安全运行与节能的目的。

针对前述的负载,具有绿色休眠技术构成的每套UPS并机系统将仅有两台UPS投入工作保证系统的1+1,其余UPS处于休眠状态基本不消耗电能,这样每台工作UPS的负载率将达到约50%,对于12脉冲UPS其相应的效率也提高到90%左右(IGBT整流UPS此时的效率将高达95%),减少了能源的损耗。

绿色休眠技术的采用,不仅实现了节能增效的目的,也提高了整个数据中心机房UPS供电系统的运行可靠性。从运行的可靠性来看,休眠技术通过使多余的UPS休眠退出,减少了并机的实时并机台数,即从设计的3+1变为了实际运行的1+1或2+1,使并机系统的连续运行稳定性得以成倍提高;休眠技术提高了带载率,减少了并机系统振荡的风险;此外,处于休眠状态的UPS与正常运行的UPS相比,其自身可靠性也得到明显的提高。

三、数据中心UPS工作模式与运营成本分析

通常数据中心的负载都是分步增长的,初期机房很空、负载很轻,这时所有的UPS都开动起来本身就是一个很大的能源浪费;另外就UPS的效率曲线而言,其效率与负载率成正比变化关系,负载率越低效率也越低。

UPS逐台投入,后面就需要根据负载变化,在线扩容并机。在正常工作中,并机系统中多台UPS分别承当负载电流,其可靠性比承当所有负载电流的单机系统高。

下面就不同负荷情况与UPS工作模式选择,来分析下与运营成本的关系。

(1)数据中心部署初期,设备上线数量少,UPS负荷率低,因此UPS逆变器效率处于较低水平。在这种情况下,如何提高UPS负荷率成为重要问题。初期按照UPS 40%负荷率确定运行数量,随着业务发展需求,IT设备负荷增加,UPS逐台投入运行。

比如初期每个模块机房部署100台机柜,每台机柜用电量为3KW。根据一般工商业电价计算每年度UPS电费成本,见下表:

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IT设备初期低负荷情况下,两组UPS设备及IT设备用电量为705.88KW,每年运营电费为494.68万元。

如果初期部署,UPS容量按照2N方式配置,负荷计算如下表:

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则相应的UPS电费成本计算,如下表:

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IT设备初期低负荷情况下,两组UPS设备及IT设备用电量为666.67KW,每年运营电费为467.20万元。与4台UPS并机模式比较,每年节约电费为494.68-467.20=27.48万元。

(2)数据中心IT设备满负荷情况,比如每个模块机房部署满了200台机柜,每台机柜用电量为3KW。根据一般工商业电价计算每年度UPS电费成本,见下表:

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IT设备满负荷情况下,两组UPS设备及IT设备用电量为1333.33KW,每年运营电费为934.40万元。

当数据中心部署满负荷正常运行时,为保证2N配置,两组4台UPS并机系统全部投入运行。这种情况下采用UPS热待机休眠模式,既可以提高UPS负荷率,UPS全部在线又可以保证系统运行的安全性。IT设备满负荷时,每组UPS运行2台,另外2台处于休眠状态,负荷计算及电费成本计算见下表:

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则相应的UPS电费成本计算,如下表:

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IT设备满负荷情况下,两组UPS设备及IT设备用电量为1276.60KW,每年运营电费为894.64万元。与传统4台UPS并机全部在线工作模式比较,每年节约电费为934.40-894.64=39.76万元。

由此可见,低负载情况下UPS设备的效率将会产生能源损耗,因此需要依据实际负荷水平进行优化工作模式。UPS系统的负荷水平尽量随时保持在较高的水平,以达到提升UPS系统的运行效率并降低损耗的目的。

四、 UPS系统设计选型应注意的问题

UPS的设计和选型对于数据中心供电系统的建设具有重要意义。

市场上UPS品牌、类型众多,按照运行方式一般分为双变换式UPS、互动式UPS、后备式UPS。双变换式为在正常运行方式下,由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。

当交流输入供电超出UPS预定允差时,UPS单元转入储能供电运行方式,由蓄电池/逆变器组合在储能供电时间内,或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前(按两者的较短时间),连续向负载供电。

互动式为在正常运行方式下,由适合的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。后备式为在正常运行方式下,负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。UPS供电方式通常分为单机工作、热备份串联、直接并机、模块并机及双母线(2N)方案。由于双母线(2N)系统不存在单点故障,大大增加了数据中心供电可靠性,因此在大型数据中心广泛应用。在选型时除了考虑设备成本外,还应考虑并机系统休眠功能、待命单机投入运行及各单机轮询等技术指标。

另外UPS能效分级运行模式也可以使其工作效率处于较优状态,我们可以根据不同情况进行合理模式选择。

第一级――“UPS级”绿色休眠节能模式。在输入市电品质很好的情况下,将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载,从而使整个UPS系统的供电效率高达惊人的99%,实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标。在这一模式下,UPS内部的整流器、充电器处于深度休眠,逆变器处于浅度休眠状态,不仅基本不损耗电能,更使主功率器件处于休眠状态,提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长其工作寿命。

第二级――双变换工作模式。当市电交流输入电源的指标超出预定的容限时,UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式,此时的UPS满载工作效率通常在93%左右。

第三级――电池放电工作模式。当市电的电压与频率超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时,UPS将关断整流器,进入电池放电工作模式,此模式下UPS的满载工作效率约94%。

通过上述的三级运行模式,结合当前数据中心机房输入市电的品质,可使UPS在90%以上的运行时间都工作在安全、节能的第一模式,保证了90%的时间内UPS的效率达到99%。

五、结语

企业级大型数据中心,要求高等级、高可用、高可靠性。IT设备由UPS系统提供不间断电源,UPS供电方案采用双母线(2N)容错系统,保证了数据中心设备供电的安全可靠。

由于UPS整流器、逆变器等元器件技术指标的限制,导致UPS设备损耗电能,在负荷率低的情况下,逆变器效率明显下降。因此在IT设备部署初期、部署中期和部署全部完成时,根据实际负荷变化情况,选择不同UPS工作模式,从而优化UPS的工作效率,可以大大降低数据中心的运营成本。

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