數(shù)據(jù)中心機房UPS供電模式可靠性分析

王凱

（北京清控人居光電研究院有限公司）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡、智慧城市等新興技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心做為大數(shù)據(jù)和云計算的核心載體，其“城市大腦”的重要性也日益提高。其中，UPS（Uninterruptible Power System）配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的重要組成系統(tǒng)，其配置類型和供電模式的可用性、適應性、擴展性、可維護性及建設成本，受到越來越多設計師和運維人員的關注。

2 UPS配置類型

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設計手冊》第四版第2.6節(jié)，UPS的配置類型大致分為單臺、并聯(lián)和冗余等三個大類[1]；按照供電方式又可細分為后備式（離線式）、互動式、雙變換（在線式）、串聯(lián)冗余、備用冗余和并聯(lián)冗余等類型。

對于后來衍生出來的雙總線供電模式，可保證每一套電源的獨立性，這種UPS配置也被稱為2N或2（N+1）模式。

3 可靠性與可用性

3.1 定義

在工業(yè)產(chǎn)品領域的“可靠”與“可信”，并不是人們通常認為的可以依靠、真實可信，而是有一套完整的定義和度量方法。

GB/T 2900.99-2016《電工術語 可信性》中規(guī)定，可靠性（Reliability）是在給定的條件和給定的時間區(qū)間，能無失效地執(zhí)行要求的能力；可用性（Availability）是處于按要求執(zhí)行狀態(tài)的能力。

下面引入幾個常用的度量指標和公式：平均故障間隔時間（MTBF）、平均故障修復時間（MTTR）、可用性（A）、可靠性（R）、失效率（λ）。

關于式（1）的可用性公式，很容易理解，通常大家習慣用N個9來表征系統(tǒng)的可用性，比如99.9%、99.99%等。假設一個系統(tǒng)的宕機時間（Downtime）等于MTTR，其余時間均為正常運行（Uptime），系統(tǒng)可用性想要達到5個9，需要宕機時間不大于5min/a；可用性想要達到6個9，需要宕機時間不大于31s/a[2]。

其實一般情況下，數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)可用性指標不需要設置的過高，依照相應的規(guī)范要求設計即可；比如城市照明控制系統(tǒng)的可用性，依據(jù)CJJ/T 227-2014《城市照明自動控制系統(tǒng)技術規(guī)程》第4.2.11條，“中心級系統(tǒng)故障恢復時間應小于2h，平均故障間隔時間(MTBF)應大于 30000h”，按式（1）計算，其可用性約為99.9933%。

3.2 串聯(lián)與并聯(lián)的可用性

上節(jié)描述的是一個組件的可用性計算，當系統(tǒng)中具有多個組件時，根據(jù)現(xiàn)代控制理論和概率學公式，串聯(lián)與并聯(lián)的可用性如下[3]：

串聯(lián)冗余的可用性

比如有兩個一模一樣的產(chǎn)品組件構造的系統(tǒng)，每個組件的可用性均為0.9，則根據(jù)式（4）、式（5）可以得出，并聯(lián)時的可用性為0.99，串聯(lián)時的可用性為0.81；所以串聯(lián)冗余系統(tǒng)的可用性較低，已經(jīng)很少使用了。

3.3 可用性與可靠性的區(qū)別

根據(jù)2.1節(jié)給出的定義，可靠性是指從系統(tǒng)開始運行到某個時刻，這個時間段內(nèi)正常運行的概率；可用性是指系統(tǒng)在執(zhí)行任務的任意時刻能正常工作的概率。比如A系統(tǒng)每年因故障中斷十次，每次恢復平均要20min；B系統(tǒng)每年因故障中斷2次，每次需5h恢復。

根據(jù)式（1）、式（2）計算，A系統(tǒng)的可用性為0.999618，可靠性為0.740818；B系統(tǒng)的可用性為0.998858，可靠性為0.904837。

可以看出，雖然A系統(tǒng)的可用性比B系統(tǒng)高，且A系統(tǒng)的總故障修復時間較少，但其可靠性比B系統(tǒng)要差很多。

4 UPS配置的可用性分析

圖1 UPS單路供電系統(tǒng)組件

通過上節(jié)的計算，可以看出并聯(lián)系統(tǒng)的可用性較高，依據(jù)GB 50174-2017中對于“冗余”和“容錯”的定義，兩者都是重復配置，但冗余是針對系統(tǒng)中的組件、單元、模塊或路徑，而容錯是針對整個系統(tǒng)的。簡而言之，兩個以上的重復單元可稱為冗余，但兩個以上的重復系統(tǒng)才可稱為容錯；所以，N模式為基本需求，N+1或N+X模式為冗余需求，2N或2(N+1)模式為容錯需求。

4.1 UPS供電系統(tǒng)的冗余模型

數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，不僅要考慮UPS的冗余，其后端的隔離變壓器、UPS配電柜、機架負載電源、轉換開關等，也應納入分析計算。

以圖1這個滿足基本需求的簡化模型為例，整個供電系統(tǒng)由4個組件組成：①UPS；②隔離變壓器；③配電柜；④負載電源。當采用冗余配置時，根據(jù)⑤轉換開關的位置，可以把常用的冗余系統(tǒng)分為：僅有UPS冗余、變壓器冗余、配電柜冗余以及完全冗余（即容錯）等四種模型。

4.2 UPS冗余模型的可用性分析

為量化分析不同的UPS冗余模型，以及冗余組件的多少對于系統(tǒng)供電可用性的影響，以上節(jié)中的5種模型為例，分別進行可用性計算。

為簡化計算，冗余模型中采用的幾個組件，其基礎數(shù)據(jù)MTBF和MTTR如表1：

通過對上節(jié)模型的分析，根據(jù)式（4）、式（5）代入表1的數(shù)據(jù)，可以計算得出下表：

可以看出，隨著UPS系統(tǒng)的冗余組件逐漸增加，系統(tǒng)整體可用性也逐漸提高；在使用機架式ATS的模型中，可用性已達到6.3個“9”；在完全冗余配置的模型中，可用性可以達到7.7個“9”。

冗余組件的增加，意味著單點故障的減少，同時系統(tǒng)的可維護性也隨之提高；年宕機時間也從1.2h，最多可減少到0.72s。

提升UPS的系統(tǒng)可用性，不僅是意味著成本的增加，也意味著需要更多的設備安裝面積和線路敷設路由；所以在機房建設之前，應充分了解業(yè)主需求，并根據(jù)使用功能、投資規(guī)模以及建設周期等，進行準確定級，以確定選擇一個經(jīng)濟、合理的解決方案。

5 數(shù)據(jù)中心的技術標準和認證體系

數(shù)據(jù)中心的基礎建設，可以分為供電、制冷、消防、監(jiān)控、防雷、接地、布線、裝修等多個子系統(tǒng)，其中任何一個子系統(tǒng)的分級，都應以數(shù)據(jù)中心的整體等級需求為準。

表1 組件的基礎數(shù)據(jù)

表2 UPS冗余模型的可用性分析

目前國內(nèi)外主流的數(shù)據(jù)中心設計標準和認證體系，主要有國家標準GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范》、國家認證標準CQC 9218-2015《數(shù)據(jù)中心場地基礎設施評價技術規(guī)范》、北美標準ANSI/TIA-942B-2017 《數(shù)據(jù)中心電信基礎設施標準》、Uptime Institute認證《Tier Standard for Data Center Design，Construction and Operational Sustainability》。

GB 50174-2017將數(shù)據(jù)中心分為A、B、C三級，分別為容錯系統(tǒng)配置、冗余要求配置和基本需求配置。TIA和Uptime Institute，他們都將數(shù)據(jù)中心劃分為4個等級，兩者對4個等級的定義是一樣的：基本需求、冗余組件、在線維護和容錯[5]。

國標中的C、B、A級可分別對應Tier I、Tier II、Tier III和 Tier IV。 當 然，兩種標準的對比僅是一個粗略的、簡化的對應關系，在實際建設和認證中，兩者并沒有對等性。Uptime認證的Tier分級標準，與國標GB 50174相比，更多的是針對實施結果的考核，而不是基于建設標準的考核，雖然在全球已經(jīng)得到了很多用戶的認可，但是在國內(nèi)通過設計、建造和運維認證的項目還比較少，有待進一步推廣。

6 結語

數(shù)據(jù)中心機房的UPS供電系統(tǒng)配置模式，是項目設計和建設過程中的一個重要環(huán)節(jié)，供電系統(tǒng)的可用性將直接影響數(shù)據(jù)中心的安全運行。本文列舉了幾種不同的UPS配置類型及冗余模式，并分析計算了每種供電模式的可用性，可以為數(shù)據(jù)中心設計及運維人員在可用性評估過程中提供參考。