數據中心不間斷電源系統的中心化與分散化比較分析

高巖叢

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

1 數據中心不間斷電源系統概述

1.1 數據中心

數據中心是一個集中管理、處理和存儲大量數據和信息的設施，通過提供網絡和計算資源來支持各種應用和服務。數據中心通常由大型服務器、網絡設備、存儲設備及其他關鍵設施組成，旨在提供高度可靠和高性能的計算和數據服務。

1.2 不間斷電源系統

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統是一種提供連續電源供應的設備。它通過將電能儲存到電池或其他能量儲存設備，在電網供電中斷時提供備用電源，以保證電力的持續供應。不間斷電源系統能夠在電力故障或電力波動時及時實現電源切換，防止設備損壞、數據丟失或系統中斷[1]。

1.3 不間斷電源系統在數據中心中的作用

在數據中心中，不間斷電源系統扮演著至關重要的角色。其主要作用是在電力中斷或波動的情況下，保持數據中心的連續運行。當發生電力故障時，不間斷電源系統能夠迅速切換至備用電源，以確保關鍵設備的正常運行，避免數據丟失和業務中斷，同時保護硬件設備免受電力波動或電力故障的損害。此外，不間斷電源系統還能提供穩定的電能質量，降低電力干擾對設備的影響，確保數據中心設備的可靠性和穩定性。

2 中心化不間斷電源系統

2.1 基本原理

中心化不間斷電源系統是一種常用的供電方式。通常在數據中心機房周圍設置若干個電力電池室，將不間斷電源系統集中放置在電力電池室內，就近為設備提供不間斷電源保障。中心化不間斷電源系統一般由模塊化或高頻不間斷電源設備組成，用于為負載提供不間斷電源保障。該系統采用集中式設計方式，可以由單個大容量不間斷電源設備組成，也可以由多個不間斷電源設備并聯組成。

中心化不間斷電源系統的工作原理是在電網供電正常的情況下，UPS設備通過整流、逆變直接給設備供電，并將電能轉換為直流電儲存在蓄電池組中。一旦電網供電中斷，通過后備的蓄電池組，將儲存的直流電轉換為交流電，以持續為負載設備提供穩定的電力，確保負載設備不會因斷電而停止運行。這種系統能夠有效保護關鍵設備免受電力波動和停電的影響，確保設備持續穩定運行，提高電力供應的可靠性和穩定性。

2.2 系統架構

中心化不間斷電源系統由主機、電池組、靜態轉換開關、監控和控制單元以及配電系統組成。在正常供電的情況下，主機將電網的交流電轉換為直流電，再通過逆變器將其轉換為交流電，經由靜態開關直接為設備供電。當電網供電中斷時，主機將通過蓄電池組提供的直流電逆變為交流電，經靜態開關為設備提供不間斷的電力供應，保障設備不間斷運行。靜態轉換開關的作用是監測電網的質量，并在電網故障時無間斷地切換供電源。監控和控制單元用于監測系統的運行狀態和各項參數，并提供遠程管理功能。配電系統將不間斷電源系統輸出的電能分配給各個負載設備，確保穩定供電。

2.3 系統優點

中心化不間斷電源系統提供了高度可靠的電力支持，確保負載設備持續穩定運行。在電網供電中斷、電力波動或發生故障時，系統能夠立即切換到蓄電池供電，避免設備停機和數據丟失，從而確保業務連續性和數據完整性。

中心化不間斷電源系統可以采用模塊化設計，根據負載需求進行靈活擴展和升級，無須更換整個系統。這種靈活性使系統具備良好的可擴展性和適應性，能夠滿足不斷增長的電力需求。

此外，中心化不間斷電源系統通常配備監控和控制單元，能夠實時監測和管理系統狀態，提供遠程監控和故障診斷功能，方便操作人員進行維護和管理[2]。

2.4 系統缺點

中心化不間斷電源系統采用集中式設計，系統的單點故障風險較高。如果不間斷電源設備或靜態轉換開關發生故障，整個系統可能會中斷供電，導致負載設備無法正常運行。

此外，中心化系統的安裝和維護成本較高。由于系統的大容量和復雜性，需要專業人員進行安裝、配置和定期維護，增加了成本，提高了管理的復雜性。

2.5 系統應用

中心化不間斷電源系統廣泛應用于各種類型的數據中心，特別是那些對電力供應可靠性要求較高的數據中心。它可以用于處理關鍵業務、存儲大量敏感數據或要求持續運行的應用，適用于各種規模的數據中心，從小型企業機房到大型的云服務提供商的數據中心。此外，中心化不間斷電源系統還可以應用于不同的行業，包括金融、電信、互聯網服務等領域。通過中心化的電源管理和控制，數據中心可以實現高可用性、高穩定性以及靈活的電力供應，確保業務的連續運行和數據的安全性。

3 分散化不間斷電源系統

3.1 基本原理

分散化不間斷電源系統是一種分布式不間斷電源系統，每個系統的容量通常在6～20 kVA，直接安裝在機架上。這種系統的基本原理是將不間斷電源的功能和組件集成到一個小型的、獨立的機架式設備中，每個設備都具備獨立的電池儲能和逆變器功能。分散化的設計使得每個機架上的不間斷電源系統能夠獨立運行，相互之間沒有依賴性。當主電網供電中斷時，每個分散化不間斷電源系統會自動將儲存的直流電轉換為交流電，為機架內的負載設備提供穩定的電力支持，保證關鍵設備的持續運行。這種分散化的特點使分散化不間斷電源系統在應對局部故障或擴展能力時更加靈活，同時提高了系統的可靠性和冗余性。

中國互聯網絡信息中心(CNNIC) 2018年1月31發布的我國互聯網發展狀況統計報告顯示，我國網民規模已達到7.72億，互聯網普及率達到55.8 %，網民使用手機上網的比例為97.5 %[1]。手機等新媒體在對大學生的生活、學習帶來便利的同時，也產生了一定的消極影響。因此，對新媒體對大學生思想行為的影響進行全面分析并提出進行正確引領路徑，幫助他們確立正確的理念信念、形成正確的思想行為，促使他們勇挑時代重任，在實現中華民族從富起來到強起來偉大征程上建功立業，就成為高校教師和廣大教育工作者面臨的重要而緊迫的任務。

3.2 系統架構

分散化不間斷電源系統由電池組、逆變器、整流器、控制器以及監測單元組成。電池組用于存儲直流電能，為逆變器提供電力。逆變器負責將儲存的直流電轉換為交流電，供給負載設備。整流器用于將主電網的交流電轉換為直流電，同時為電池組充電。控制器負責監控系統的狀態和運行情況，控制電力供應。監測單元負責實時監測電池狀態、負載狀況和電力供應情況，并進行故障檢測和診斷。每個獨立的分散化不間斷電源設備都具備完整的功能，可以獨立運行，并與其他設備互不干擾，實現分散化的電力支持。這種架構使分散化不間斷電源系統具有高度可靠性和冗余性，即使部分設備故障，其他設備仍能正常運行，確保關鍵設備的連續供電。

3.3 系統優點

由于每個機架上安裝獨立的分散化不間斷電源設備，這種系統具有高度的可靠性和冗余性。即使某個設備發生故障，其他設備仍能獨立運行，保證關鍵設備的持續供電，從而降低停機風險。每個機架上的分散化不間斷電源設備可以根據負載需求進行獨立的容量選擇和擴展，方便根據實際需要進行靈活布置和調整。

此外，由于采用分散化的設計，系統的故障定位和排除更加簡便，提高了系統的可維護性。分散化不間斷電源系統還具有較低的傳輸損耗和更短的電力路徑，能夠提供更快速的能源傳輸和響應速度，從而減少能源浪費，縮短響應時間，確保負載設備的穩定運行。

3.4 系統缺點

由于每個機架上都安裝獨立的不間斷電源設備，系統的成本較高。相比于集中式系統，分散化系統需要更多的設備和組件，增加了采購和維護成本。

此外，系統的管理和監控相對復雜。由于需要單獨監測和控制多個獨立的不間斷電源設備，增加了系統的管理復雜性和人力資源需求。每個機架上的不間斷電源設備容量有限，適用于小規模到中等規模的負載設備，對于大規模的負載需求可能無法滿足，需要考慮其他解決方案。由于每個設備獨立運行，需要確保每個設備的參數和設置相互協調一致，以保證系統的穩定性和一致性[3]。

3.5 系統應用

在關鍵業務和敏感數據處理方面，分散化系統可以提供更高的容錯能力和業務連續性。對于分布式數據中心或邊緣計算環境，分散化系統可以更好地滿足分布式設備的供電需求。分散化不間斷電源系統的高靈活性和可擴展性使其適用于各種規模的數據中心，包括小型企業機房、大型云服務提供商以及邊緣計算節點等。

4 中心化與分散化不間斷電源系統的對比分析

4.1 可靠性對比

中心化不間斷電源系統通過集中控制和管理實現整個系統的監測和調整，可靠性較高。它可以快速實現電源切換和故障恢復，縮短數據中心的停機時間，減少業務中斷。

分散化不間斷電源系統通過將電源設備分散安裝在數據中心設備附近，提高了系統的可靠性。每個設備都有獨立的不間斷電源單元，當一個設備發生故障時，其他設備仍能正常供電，縮小了故障范圍。

4.2 復雜性對比

中心化不間斷電源系統相對復雜，需要集中控制單元和大量的電源線路和配電設備，增加了系統的部署和維護成本，提高了系統故障隔離和維修的復雜性。

分散化不間斷電源系統中，每個設備都配備了獨立的不間斷電源單元，減少了集中控制的需求，降低了系統的復雜性[4]。

4.3 靈活性和可擴展性對比

中心化不間斷電源系統的靈活性和可擴展性相對較差。由于所有設備都依賴于中心控制單元，當需要增加設備或進行系統擴展時，要對整個系統進行調整和重新配置。

分散化不間斷電源系統中，每個設備都有獨立的不間斷電源單元，系統可以根據需要進行靈活配置和擴展。當數據中心需要增加設備時，只需添加相應的不間斷電源單元即可，無須對整個系統進行大規模的改變。

4.4 能耗和效率對比

中心化不間斷電源系統的能耗和效率受集中控制和傳輸損耗的影響。由于電能需要在較長的距離上傳輸到各個設備，會導致能量損失和傳輸效率降低。此外，中心化間斷電源系統中的集中控制單元和配電設備也會耗費一定的能量。因此，在能源利用效率方面，該系統可能相對較低。

分散化不間斷電源系統中，電能可以直接傳輸到設備附近，減少了能量損失，提高了能源利用效率。此外，分散化系統中的獨立不間斷電源單元可以根據設備的需求進行定制和優化，進一步提高了能耗和效率[5]。

5 結 論

中心化不間斷電源系統和分散化不間斷電源系統都在數據中心中發揮著重要的作用，各自具有一系列的優點和缺點。中心化系統在性能和可靠性方面較強，但復雜性較高。分散化系統在靈活性和可擴展性方面較好，但故障隔離能力相對較弱。在實際應用中，需要綜合考慮數據中心的需求、可靠性要求以及成本限制等因素，選擇合適的不間斷電源系統架構，以確保數據中心的穩定運行和業務的連續性。