分布式UPS在數據中心的應用

喬迎超（中國移動通信集團設計院有限公司湖北分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著社會發展和通信網絡的演進，數據中心在各個行業迅速發展，隨之而來的建設需求越來越多。除去傳統通信運營商、銀行、大型互聯網企業等建設的大規模數據中心，也有一些企業、政府部門建設的小規模數據中心。這些數據中心無論規模大小都離不開不間斷電源的保障，而不間斷電源在數據中心中應用最廣泛的是UPS設備。過去較長的一段時期內，UPS均采用了集中式UPS，從早期的工頻機（6脈沖、12脈沖）過度到現在的高頻機、模塊化UPS。近些年，部分數據中心也采用了分布式UPS。這種類型的UPS設備與傳統集中式UPS設備電氣原理相似，但在設備外形、安裝等[1]方面上存在很大區別，為項目建設單位在電源設備選型上提供了另外一種選擇。

1 分布式UPS

分布式UPS是分布式電源電源系統（Distributed Power System，DPS）的一種，也是應用較多的一種。一般DPS按照輸出電源類型可分為輸出220 V交流DPS和輸出240 V高壓直流DPS等。由于高壓直流型電源在電氣特性以及應用上與傳統UPS有著本質區別，尤其是蓄電池的應用方面，因此這里主要討論與傳統UPS在電氣原理和結構上較為相似的220 V交流DPS，即分布式UPS。

1.1 分布式UPS的主要特點

分布式UPS的最主要特點就是區別與傳統UPS在電力室的“集中”安裝。分布式UPS將UPS設備“分布”安裝到設備機柜中。為了滿足安裝到機柜的要求，分布式UPS采用相對鉛酸電池體積更小、重量更輕的鋰電池，且一般與UPS設備合為一體，但可以單獨進行更換。此外，受限于安裝空間和電池大小，單臺分布式UPS設備支持的機柜功率有限，市面上主流廠家設備一般容量范圍為3～8 kW，電池后備時間15～30 min。

1.2 分布式UPS的主要結構及組網方式

分布式UPS一般的常見結構如圖1所示。

單臺UPS支持雙路市電輸入，兩路輸出，其中A路為帶后備電池的保障輸出，B路為市電直供。

分布式UPS常見的組網方式有單機架單機組網、單機架2N組網和雙機架2N組網[2]。

（1）單機架單機組網。每個設備機柜安裝1臺分布式UPS，單臺UPS設備功率滿足單個機柜總功率需求。在有雙路市電輸入的情況下，機柜可實現UPS+市電雙路電源。

（2）單機架2N組網。每個設備機柜安裝2臺分布式UPS，單臺UPS設備功率滿足單個機柜總功率需求，2臺UPS輸入接入2路不通的市電，機柜電源的A路、B路分別接入2臺UPS設備的保障輸出。

（3）雙機架2N組網。每個設備機柜安裝1臺分布式UPS，單臺UPS設備功率滿足2個機柜總功率需求。比如，第1臺機柜的UPS設備保障輸出接入本機柜的電源輸入A路和第2臺機柜的電源輸入B路，第2臺機柜的UPS設備保障輸出接入本機柜的電源輸入A路和第3臺機柜的電源輸入B路，最后一個機柜的UPS設備保障輸出接入本機柜的電源輸入A路和第1臺機柜的電源輸入B路。單機柜所接入的2臺UPS設備，其上級輸入電源應來自不同的2路市電。

上述分布式UPS常見組網方式中，單機架單機組網方式可靠性最低，但設備投資少。單機架2N組網方式可靠性高，但設備投資多。雙機架2N組網雖然節省了部分費用，但組網方式稍顯復雜，結構不夠清晰。

2 設備配置的對比

2.1 設備組網方式對比

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》附錄1，數據中心的UPS結構根據不同的級別采用2N、N+1、N等不同的配置。A級數據中心需采用2N或M（N+1）（M=2、3、4…）配置，B級數據中心需采用N+1配置，C級數據中心采用N配置。集中式UPS可簡單實現上述組網，但是通過第1章節中對分布式UPS設備結構及組網方式的描述可以發現，在進行N+1組網時，分布式UPS因其容量分散的特點，無法實現傳統意義上的N+1（2≤N≤4）組網。因此，當數據中心的目標等級定義為B級或客戶明確要求UPS為N+1配置就可以滿足其需求時，需根據項目規模具體評估集中式UPS做N+1冗余配置和分布式UPS做冗余配置的投資對比，避免造成投資浪費。

2.2 設備容量對比

在進行UPS設備容量計算時，集中式UPS因其接入設備多，在計算容量時可根據經驗或具體設備使用情況考慮一定的同時系數。但是，分布式UPS因其接入設備單一，一般是按照單個機柜的設計功率來計算容量需求，無法考慮多個機柜同時工作的同時系數[3]。比如，某設備機房計劃安裝100個機架，單機架平均設計功率5 kW，考慮同時系數0.8（暫不考慮需要系數），功率因素0.9，單機允許使用率0.9，UPS容量裕度系數1.2，則 UPS需 求 容 量E1=5×100×0.8÷0.9÷0.9×1.2=593 kVA。如果數據中心等級為C級時，集中式UPS可選用2臺300 kVA UPS，其設備總容量未600 kVA。如果數據中心等級為A級時，集中式UPS可選用4臺300 kVA UPS采用2N（N=2）方式運行，其設備總容量為1 200 kVA。

而分布式UPS采用單機架單機組網時，如果同樣考慮一定的容量裕度系數，需至少選用單臺8 kVA設備共100臺，其總容量為800 kVA。如果考慮冗余，采用2N組網方式時，設備總容量將達到1 600 kVA?？梢钥闯觯绻麢C架數達到一定規模，可以考慮負荷的同時系數時，分布式UPS的設備總容量將大于集中式UPS。同樣，由于設備規模的增加和電池模塊化的設計，分布式UPS所需的電池規模也會更多。

反之，當機架數量較少時，或者機房面積足夠大，但是因為遠期裝機需求不明確使得機架不能一次性建設到位時，對于對投資效益比較敏感的建設單位往往會考慮到設備利用率和投資收益的問題，這是項目投資決策的重要環節。集中式UPS設備在選型時往往按照客戶要求或者項目整體規劃，根據整個機房可裝機設備功率情況選擇盡可能大的UPS設備，可以在一定程度上節省投資，但是會面臨投產初期設備利用率低和投資回收期長的問題。而分布式UPS設備則較好地解決了這種問題，可分批次建設電源設備，并可以快速完成部署，在下一階段甚至可以靈活改為分布式高壓直流設備，或者根據不同的客戶要求，在2N、N供電等級之間靈活選擇。

3 機房利用率的對比

對于機房利用率的對比，不能簡單一概而論，要根據不同情況具體分析。這里的機房利用率是指同樣面積的機房（含電力室）可實際安裝服務器設備的規模。目前，行業內除去一些規模較大的數據中心，也有許多小規模的數據中心，也需要根據不同的機房條件選擇合適的UPS設備。

一般來講，下面兩種情況下分布式UPS設備具有明顯優勢[4]：一是樓板承重條件不滿足電池安裝要求的機房，如普通機房或者其他民用建筑內的改造機房，承重加固難度大且費用多；二是機房面積小、形狀不規則或者有其他不利于電源、電池擺放的因素，無法布局單獨的電力電池室。因此，需挑選同樣可安裝兩種類型UPS設備的機房進行利用率對比。例如，某機房擬建如圖2所示。

設數據中心單機架設計功率4 kW，采用集中式UPS方案時，UPS采用400 kVA 2N（N=2）配置，配置4組480 V/800 Ah蓄電池組，后備時長按0.5 h考慮，預計UPS總輸出功率為648 kW，可滿足162個機柜功率需求。在隔出電力電池室所需要的面積后，根據設計規范及通用產品尺寸進行平面布局設計，具體如圖2所示。除去配電列頭柜，剩余機房預計可安裝166個機柜。

分布式UPS雙機架2N結構組網時，單機架采用1臺10 kVA分布式UPS組成，平面布局如圖3所示。在服務器機柜同等尺寸及布局的情況下，除去配電列頭柜和空調配電柜，可裝245個機柜。

單從機柜數量上看，分布式UPS方案明顯可安裝更多的機柜，比集中式UPS方案多安裝48%的機柜。但是，由于分布式UPS設備安裝在機柜內占據了機柜空間，因此應從可安裝服務器空間上考慮機房利用率。以一個IT機柜42U空間計算，分布式電源占據6U，則兩種方案的實際剩余空間為：集中式UPS方案166×42=6 972U；分布式UPS方案245×（42-6）=8 820U。

從機柜空間上看，分布式UPS方案的機柜可用空間比集中式UPS方案多27%，但相比機柜增加比例明顯下降。實際項目中，判斷機房利用率提升的程度要看實際項目需求。例如，4 kW功率實際能夠滿足單機柜多少U的設備安裝，如果本身單機柜受供電功率限制，則本身就會空出一部分空間，那么以機柜空間來判斷機房利用率的提升就沒有太大意義。

圖2 集中式UPS平面布局方案

圖3 分布式UPS平面布局方案

表1 投資費用對比

總體而言，采用分布式UPS相對集中式UPS確實能夠安裝更多的機柜，但仍然需要結合其他因素綜合考慮。

4 項目投資的對比

綜上所述，對于分布式UPS和集中式UPS的對比，需在兩者均適用的場景下進行分析。以圖2和圖3的方案為例分別進行投資費用對比，具體結果如表1所示。

通過表1可看出，與集中式UPS相比，分布式UPS的總投資與單機架投資均較高，主要是由于鋰電池的費用較高。此外，由于可安裝機柜數量多，所需要的空調、機柜投資也相應增加。

與鉛酸電池相比，鋰電池具有充放電次數多、壽命長及高溫環境適應性強的特點。但是，由于通信機房良好的市電保障和機房專用空調對機房環境溫度的保障，使得鋰電池的優勢在數據中心的應用中顯得性價比不高[5]。這是目前為止在通信行業內鋰電池主要應用在基站、傳輸機房等接入層站點而尚未大規模應用在核心機樓的原因之一。

但是，也可以通過表1看出，雖然分布式UPS的投資較大，但是如果能保障其單機柜收益，則在完成投資回收后，更多的機柜無疑將帶來更多的業務收入。關于投資回收期和投資收益的計算是另外一個相對復雜的計算和分析，這里不作詳述。

5 其他對比

對于分布式UPS，有些人認為其分散的供電模式避免了單臺設備故障導致設備大面積故障的情形，但是集中式UPS的N+1、2N的配置在多年實踐中早已經證實其具有很高的可靠性。反之，也有人認為分散的分布式設備反而使得故障節點增多，但是分布式UPS的模塊化設計，包括電池在內都可以快速實現更換，其維修替換時間小于集中式UPS。此外，對于不同的使用單位，需要注意維護部門的管理界面和客戶的要求。假如某些客戶要求機柜加鎖，也會使得維護部門在維護時顯得不太方便。

6 結 論

無論是集中式UPS還是分布式UPS，都有各自明顯的優缺點。兩者不是互相可以取代的關系，而是有著各自更加適用的場景。因此，設備選型時，應結合項目的機房條件、項目規模、市場業務情況以及投資效益要求等多方面因素綜合考慮，選擇合適的UPS設備方案。