数据中心不问断电源系统配置分析

【摘要】本文探讨了五种常用的数据中心不间断电源系统配置，并从可靠性、运行效率、设备投资等角度对各种不间断电源系统配置的优、缺点和适用场合做了分析。

【关键词】 数据中心；不间断电源系统；N+1；2N；可靠性

0 前言

大型的不间断电源系统在数据中心中有着广泛的运用，以确保重要的服务器和IT设备的不间断供电。

不同的不间断电源系统配置将直接影响到所支持的IT设备或其它重要负荷的运行稳定性。同时也将决定设备本身故障和人为操作失误等对整个系统的影响程度。一个可靠的不间断电源系统配置，将在很大程度上减少前述因素对系统可用性的影响。

1. 国内外设计标准对不间断电源系统配置的要求

国内外主要的计算机机房及数据中心设计标准中，均对不间断电源系统的配置提出了要求。下文选取正常运行时间学会（Uptime Institute）标准；美国通信工业协会（TIA）标准TIA-942-A；以及国标GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》中对不间断电源系统的配置要求相关条文为例，说明不同重要性等级的机房对不间断电源系统配置的不同要求。

1.1 正常运行时间学会标准

正常运行时间学会（Uptime Institute）标准提出了第一级（TIER I）至第四级（TIER IV）四个不同的数据中心基础设施等级分类，用来描述整个数据中心基础设施架构的可靠性和可维护性。其中第一级（TIER I）为最低等级，第四级（TIER IV）为最高等级。

第一等级（TIER I）：基本的基础设施架构；

第二等级（TIER II）：有冗余的容量元件；

第三等级（TIER III）：可并行维护的系统；

第四等级（TIER IV）：可容错的系统。

1.2 美国通信工业协会标准

美国通信工业协会（TIA）标准TIA-942-A同样针对不同的可用性和安全性等级，对数据中心的基础设施提出了四个不同的等级。

对于不间断电源系统拓扑而言。第一等級和第二等级的不间断电源系统均只需满足N的要求，第三等级的不间断电源系统需为N+1冗余配置，第四等级的数据中心需为2N冗余配置。

2. 几种常用的不间断电源系统配置

下文将介绍一些典型的不间断电源系统配置。

2.1关于N的理解

在不间断电源设计中，通常使用”N“来描述满足所有负荷的基本供电容量。例如共有100kW的重要负荷需要由不间断电源系统保护，则”N”即为100kW。

2.2 N系统配置

一个N配置的不间断电源系统，其容量仅满足为其所保护的重要负荷供电，而不提供任何冗余。

典型的N配置不间断电源系统如图一。该系统配置仅满足正常运行时间学会和美国通信工业协会标准中定义的第一级数据中心，以及国标GB50174-2008中定义的C级机房的标准。

2.3 N+1系统配置

N+1系统配置配置的不间断电源，指在N配置系统的基础上，增加一个冗余的不间断电源模块。该冗余的电源模块容量，应至少等于一个主用不间断电源模块的容量。

常用的N+1系统配置设计有如下几种

（1） 串联冗余

串联冗余（Isolated Redundant），通常包括一台主用的不间断电源设备，用以向负载供电；一台备用的不间断电源设备，串接于主用不间断电源的内部静态维修旁路上。该设计要求主用不间断电源的主回路和内部静态维修旁路分接于两个不同的输入回路。但主用和备用不间断电源设备的容量和品牌型号均可不同。

通常情况下，所有负载由主用不间断电源供电，而备用不间断电源为空载。当出现意外使主用不间断电源切换至内部静态旁路时（如主用不间断电源发生故障或产生较大的过载），备用不间断电源将瞬时负担起所有的负载。因此，备用不间断电源必须谨慎选择，确保其瞬时加载能力能满足上述使用要求。

串联冗余的系统设计，现较多运用于对N配置的不间断电源系统进行改造，使其在一定程度上实现冗余，又不需要替换原有的设备。

该系统设计在输出端仍存在“单点故障”，为此在设计中仍需提供外部维修旁路。

典型的串联冗余不间断电源系统如图二。该系统配置满足美国通信工业协会标准中定义的第三级数据中心，以及国标GB50174-2008中定义的B级机房的标准。同时，该系统配置也可以满足正常运行时间学会标准中定义的第二级数据中心的标准。

（2） 并联冗余

并联冗余，通常由多台并联的不间断电源设备和一个共用的输出母线组成。冗余的容量至少等于一台主用不间断电源的容量。并联冗余的系统要求所有的不间断电源设备均来自同一的生产厂家，且型号和容量必须相同。

通常情况下，系统内所有的不间断电源设备均分负载。当其中一台设备出现故障而退出运行时，其余的不间断电源设备将立即担负由原有故障设备供电的负荷。该系统设计可确保对系统中的一台设备进行维护的同时，对负载不造成任何影响。

针对并联冗余设计不间断电源使用率底的问题，目前主流的不间断电源厂家均已推出模块化不间断电源产品，如艾默生的Trinergy系列和伊顿的9395系列。一台不间断电源由多个小功率的不间断电源模块构成，当系统负荷率较低时，可以使部分模块休眠，而提高在用模块的负载率，从而实现提高系统效率的目的。

典型的并联冗余不间断电源系统如图三。该系统配置满足美国通信工业协会标准中定义的第三级数据中心，以及国标GB50174-2008中定义的B级机房的标准。同时，该系统配置也可以满足正常运行时间学会标准中定义的第二级数据中心的标准。

（3） 分布式冗余

分布式冗余（Distributed Redundant）是目前业内较多运用的一种不间断电源系统设计。该设计的目的在于提高系统冗余程度和可靠性的同时，所需的不间断电源设备投资少于2N系统。

分布式冗余系统通常由三个或以上的不间断电源模块构成。每个不间断电源模块有独立的输入和输出。输出母线通过静态切换开关（Static Transfer Switch， STS）和配电柜向负载供电。

4 结束语

不同的不间断电源系统设计通常意味着不同的电源系统可靠性等级，也意味着不同的设备投资。设计人员应根据数据中心的重要性等级，服务器设备的情况（是否存在电源供电的设备），工程预算等因素，综合考虑，选择最合适的系统配置。

参考文献

[1] Kevin McCarthy. Comparing UPS System Design Configurations. 2005

[2] GB 50174-2008 电子信息系统机房设计规范 [S]

[3] TIA-942-A Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers [S]

[4] Data Center Site Infrastructure Tier Standard： Topology [S]

作者简介：沈添翼，男，（1986-），本科，工程师，研究方向：建筑电气设计