高等級數據中心不間斷電源的分析與選擇
近年來，“東數西算”工程建設如火如荼，一座座符合《數據中心設計規范》(GB50174-2017)標準的高等級數據中心投入使用，巨大的數據流量在數據中心的“堅實底座”上高速流轉。不間斷電源(UPS)作為數據中心供電系統的最后一道“防火墻”，時刻為數據流量全速通行保駕護航。
本文以保障“業務連續性”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提供系統性評估方法。
一、UPS的分類及辨別方法
我國UPS產業化發展起步于上世紀80年代中期，較發達國家晚了將近20年。歷經30多年的發展，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，國內外廠商已研發出多類“高頻UPS”機型，可滿足不同數據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(業內俗稱“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，高等級數據中心不適宜采用類模塊UPS。各類型高頻UPS的內部結構如圖1所示。
圖1 各類型高頻UPS的內部結構示意
二、塔式UPS和模塊化UPS的結構差異
現階段，數據中心應用較多的是塔式UPS和模塊化UPS。這兩類UPS產品基于不同的內部結構，在運行效率上亦略有差異。
塔式UPS內部為獨立的三相結構，無電流不均衡情況，參考的行業標準為《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級數據中心配合高效變壓器，可將數據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，從而可較好地實現PUE小于1.3甚至1.2。
模塊化UPS內部由三相功率模塊并聯而成，參考的行業標準為《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級數據中心結合高效變壓器，可將PUE中的PLF控制在0.071以內。相較于塔式UPS，模塊化UPS可更好地實現數據中心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，業內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.機內均流風險
得益于獨立的三相結構，塔式機內不會出現模塊輸出不均流的現象；而模塊機內部則存在模塊輸出不均流現象，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部器件發生故障的概率將遠低于模塊機功率模塊的故障概率。若故障發生，維修塔式機內部器件的時間約為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，用戶可根據實際項目情況進行選型。整體而言，高等級數據中心選型可考慮以塔式UPS為主。
1.根據并機方案選型
模塊化UPS主要通過并機實現功率模塊冗余，并機數量越多，功率模塊就越多，功率模塊間環流也就越大。因此，并機數量在兩臺時應用模塊化UPS或塔式UPS均可，并機數量在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”要求置于首位的數據中心，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，也可同時兼顧節能的需求。
3.“極致節能”場景
對于將“極致節能”要求置于首位的數據中心，可優先選擇模塊化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設備故障。
五、塔式UPS和模塊化UPS的應用情況
現階段，我國高等級數據中心應用領域廣泛，本文將以金融行業數據中心UPS系統應用情況為例，同時列舉互聯網數據中心(Internet Data Center,IDC)的應用情況進行分析。
1.金融行業應用塔式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數據中心塔式機的應用比例達到95%以上，占據絕對主流。若考慮近十年來金融行業1000臺以上機柜數據中心的應用，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數據中心UPS系統應用情況見表2。
表2 2018年以來1000臺以上機柜金融行業數據中心UPS系統應用情況
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，對業務連續性影響極大。據了解，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多臺模塊機陸續出現故障，炸機導致單路UPS中斷時間長達數周，部分機房雙路掉電，且導致對客業務中斷、服務中斷以及用戶索賠等嚴重后果。此類數據中心模塊化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。根據事后評估，發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，最后引發炸機。模塊機雖具有單機成本較低、效率略高的優勢，但若過于追求成本，其過高的能量密度將導致元器件安規距離過小、機內溫升偏高、器件老化較快，為數據中心安全運行帶來一定的隱患。
此外，在多個行業的項目中，陸續有大量模塊化UPS的功率模塊被召回，召回行為對于數據中心的安全穩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生故障，這對數據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作為數據中心基礎設施中最重要的設備之一，其對于供電連續性的影響至關重要。架構安全、穩定可靠、在行業中積累了成熟經驗的塔式UPS，或可作為用戶的優先選擇。
本文轉載自《中國金融電腦》
