数据中心UPS不间断电源配置研究

中国移动通信集团上海有限公司 倪昀炜

中国移动通信集团上海有限公司黄赟

数据中心UPS不间断电源配置研究

中国移动通信集团上海有限公司 倪昀炜

中国移动通信集团上海有限公司黄赟

通过科学建模，设计数据中心不间断电源系统UPS（Uninterruptible Power System）配置软件，从冗余、容量、效率、成本、装机面积等参数入手，结合实际运行数据库，为数据中心UPS不间断电源系统设计人员提供一个有效的参考选择。从总体拥有成本TCO(Total Cost of Ownership)全生命周期角度，不仅考虑前期投资，而且对后期维护成本、节能运行进行综合的考虑。

数据中心，不间断电源系统，总体拥有成本

0 引言

数据中心机房按照重要性分A级、B级和C级机房，按照GB 50174—2008（电子信息系统机房设计规范）对各级机房不间断电源系统（Uninterrup tib le Power System）容量及数量配置规定如表1 所示。

表1中N为UPS系统按照设计负载容量供电所需的可以并机的UPS数量,M和X以及系数2为系统冗余参数，UPS系统设计目标就是确定N、M以及X参数。按照规范进行设计的方法在本申请中命名为规范设计。

表1 各级机房UPS系统配置规定

现有机房UPS系统设计中，只是根据负荷情况来考虑配置情况，而没有一个量化的考虑过程。UPS的负载率越高，UPS效率越高，见图1 UPS负载效率曲线所示。在当前机房节能的要求下，选用UPS时还会考虑系统的负载率，设计UPS方案时尽可能选择负载率高的UPS配置方案[1]。

图1 UPS负载效率曲线

选择确定供电UPS的数量N，以及冗余系数M和X。设计中存在的问题有：

1) 分析没有定量化。

2) 实际系统负载投入过程是一个渐进的过程，比如系统设计运行周期为10年，负载通常是逐年投入，最终小于或等于设计负载容量，见图2数据中心负载投入过程所示，该过程对设备的负载率或运行效率有较大影响。

如果说通信机房选用节能型UPS是一次节能，那么科学、合理地使用节能型UPS则是“二次”节能，是从“牙缝里”抠出的、“精打细算”的节能。因此，在不牺牲可靠性的前提下，如何参照系统总负载、动态负载、季节变化等因素的影响，配置单台UPS的功率与数量；二次挖潜、减少UPS热备份能耗，是“精细化”节能新的研究点，具有前瞻性。UPS供电系统设计必须要考虑系统价格成本、运行成本和维护成本，综合考虑系统成本才能为系统设计决策提供科学依据。

图2 数据中心负载投入过程

1 UPS配置软件设计与原理

本次UPS配置软件设计过程中综合考虑系统价格成本、运行成本、维护成本以及设备建工及面积使用成本，以UPS系统综合成本最小化即效用最大化为设计目标，也就是给定机房最终负载容量以及预期投入负载过程，计算各种方案中的设计设备成本、运行成本、维护成本的综合成本，来选择最优方案。图3为设计过程[2]。

图3 规范设计过程

本系统设计方法主要包括两部分：规范设计和效用量化分析及最优化设计。

效用量化分析及最优化设计在规范设计得到的可选用方案中，对每一个方案的设备成本（效用）、运行成本（效用）、维护成本（效用）以及安装建工及面积使用成本（效用）进行计算，得到每一种设计方案的总的效用，选取效用最大的方案作为最终方案。详细过程见图4效用量化分析及设计过程。。其中效用最大化方案就是成本最小化方案。

图4 效用量化分析及设计过程

2 UPS配置软件参数选择

系统正常工作前，需要对系统正常工作所需的参数进行选择设置，包括：

（1）可用UPS产品规格性能设置：包括产品品牌、型号、额定容量，额定功率、额定功率因素、负载效率曲线、价格、可并机数量；

（2）系统运行时参数设置：系统进行设计时，需要对设计参数进行设置，包括：人机交互输入包括系统预期最大负载功率PN（KW）；系统生命周期Cy（年）；供电系统等级G（A或者B）

3 数据库设计

由于系统所需存储和处理的数据信息量比较少，系统选用O ffice Access 作为存储数据的数据库，包括五个表格。数据库表格见图5，分述如下：

（1）产品信息表。

产品信息表存放所有可用于机房交流UPS系统设计选型的UPS型号规格数据，包括-产品ID、产品品牌、型号、额定容量，额定功率、额定功率因素、单价、可并机数量、单机无故障运行时间、装机面积、每次故障维护成本等。

图5 数据库表格

（2）负载效率曲线。

UPS设备运行时的效率和该UPS的空载损耗、比例损耗和二次方损耗相关，工程应用中需要知道该UPS在不同负载率条件下的损耗或者效率数据，该数据必须有设备供应商根据国家标准进行测定，理想情况下需要设备供应商提供从负载率5%～110%工况下的效率数据，负载效率曲线表格包括-负载率从5%～110%额定负载（间隔5%）时UPS产品的效率数据，需要输入每个UPS产品的22个负载效率数据；字段包括：产品ID，5%～110%负载对应的效率数据；产品ID和产品信息表中的产品ID对应。

（3）负载投入过程表，指系统负载与持续时间。

在整个生命周期内，根据预期实际负载大小，可以分为多个阶段，所有阶段的运行时间累计为整个生命周期时间长度。包括：负载阶段、预计投入负载、持续时间（总的时间为一个生命周期）。

（4）机房参数设置表，指与特定机房相关的影响投资运行成本的因素。

UPS供电系统设计总是针对具体的设计参数进行的，相关的因素包括该UPS系统的设计等级，预期的最大负载容量，预期该UPS系统的运行时间，另外每个机房所处商业位置不同，运行过程中和整个UPS系统运行成本相关的还应包括布放UPS系统所需的安装面积，不同位置机房的面积折算成本使用费不等，应该考虑UPS系统占用面积及面积使用成本，该表包括-机房编号、机房名称、设计等级、设计负载容量、设计生命周期、单位面积建工成本、单位面积使用成本。

（5）机房可行方案，存放经过计算后设计机房的可行UPS设计方案。

建立UPS设备型号库后，给定设计机房的设计参数，通过UPS组节能优化方法，计算不同UPS配置方案情况下，在整个生命周期内运行所涉及的总的投资成本，可以得到最优的配置方案。每一种可行UPS系统配置方案包括：机房编号，方案编号，方案模式，选型设备，设备费用，能耗费用，维修费用，面积费用，总费用。机房编号由用户自己设定，方案编号由计算机自动生成。

4 UPS配置软件主要功能

工具软件通过EXCEL表单实现，主要包括4个表单：

表单1——工具软件简介；

表单2——工具软件操作使用方法；

表单3——设计页面

表单4——打印输出页面

图6 技术实现结构

主要功能通过表单3和表单4实现。如图6所示，包括3个按钮，保存当前机房设置信息、保存当前产品设置信息、计算可行配置方案。工具软件使用前，必须输入所有可用UPS型号的产品信息，并进行保存。接下来设置设计机房信息，并进行保存，最后只要通过点击《计算可行配置方案》按钮，就可以列出该机房的可行配置方案，每个方案包括UPS配置模式、选型设备以及总的投资运行费用，根据费用大小可以确定在已有可选UPS产品设备前提下的最经济UPS配置方案。

5 设计页面

通过输入机房信息、UPS产品信息，软件最终输出机房UPS设计信息，见图7。

图7 机房设计信息输出

6 预期经济效益

通过本软件的建立，可以为设计人员提供参考。例如对于设计容量为300kVA的情况，以往可能使用2+1的配置模式，但是通过软件的评估，发现采用2+1的配置方式，在整个使用周期内，其成本为2764万元，而1+1的模式虽然在初始成本比2+1模式高了3万元，但是其总成本为2335万元，可节约429万元。

7 结束语

UPS的规划建设一直没有一套统一有效的设计规范可供参考，在以往的设计中往往只看重设计的可用性，而没有从后期使用角度来进行评估，而本软件就旨在从本处着手，不仅考虑前期投资，更是对后期维护成本进行综合的考虑，旨在通过本软件，给专业设计人员提供一个有效的参考选择。

[1]谷立静,周伏秋,孟辉.我国数据中心能耗及能效水平研究.中国能源[J],2010,32(11).

[2]漆逢吉，《通信电源》，北京邮电大学出版社

Research on UPS(Uninterruptable Power Supp ly) Configuration in Data Center

Ni yun wei,Huang yun

Through scientific modeling,it p rovides with UPS(uninterrup tab le power supp ly) configuration software designed for data center.From redundancy to capacity,efficiency,cost, installation area,etc,it combined w ith ac tual operation database so that designers could have a valid reference for selec tion of UPS in data center.In the point view of TCO(total cost of ownership),based on life cyc le perspective it considers not only initial investm ent but also m aintenance cost and comp rehensive energy-saving operation.

data center;uninterrup tab le power supp ly(UPS);total cost of ownership(TCO)

倪昀炜，工程师。现供职于中国移动通信集团上海有限公司，担任动力运行维护一职。毕业于同济大学电子信息工程专业，现于上海交通大学攻读在职研究生。对通信机房的配电及动环监控系统有深入研究。