分布式UPS在数据中心的应用

乔迎超（中国移动通信集团设计院有限公司湖北分公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

随着社会发展和通信网络的演进，数据中心在各个行业迅速发展，随之而来的建设需求越来越多。除去传统通信运营商、银行、大型互联网企业等建设的大规模数据中心，也有一些企业、政府部门建设的小规模数据中心。这些数据中心无论规模大小都离不开不间断电源的保障，而不间断电源在数据中心中应用最广泛的是UPS设备。过去较长的一段时期内，UPS均采用了集中式UPS，从早期的工频机（6脉冲、12脉冲）过度到现在的高频机、模块化UPS。近些年，部分数据中心也采用了分布式UPS。这种类型的UPS设备与传统集中式UPS设备电气原理相似，但在设备外形、安装等[1]方面上存在很大区别，为项目建设单位在电源设备选型上提供了另外一种选择。

1 分布式UPS

分布式UPS是分布式电源电源系统（Distributed Power System，DPS）的一种，也是应用较多的一种。一般DPS按照输出电源类型可分为输出220 V交流DPS和输出240 V高压直流DPS等。由于高压直流型电源在电气特性以及应用上与传统UPS有着本质区别，尤其是蓄电池的应用方面，因此这里主要讨论与传统UPS在电气原理和结构上较为相似的220 V交流DPS，即分布式UPS。

1.1 分布式UPS的主要特点

分布式UPS的最主要特点就是区别与传统UPS在电力室的“集中”安装。分布式UPS将UPS设备“分布”安装到设备机柜中。为了满足安装到机柜的要求，分布式UPS采用相对铅酸电池体积更小、重量更轻的锂电池，且一般与UPS设备合为一体，但可以单独进行更换。此外，受限于安装空间和电池大小，单台分布式UPS设备支持的机柜功率有限，市面上主流厂家设备一般容量范围为3～8 kW，电池后备时间15～30 min。

1.2 分布式UPS的主要结构及组网方式

分布式UPS一般的常见结构如图1所示。

单台UPS支持双路市电输入，两路输出，其中A路为带后备电池的保障输出，B路为市电直供。

分布式UPS常见的组网方式有单机架单机组网、单机架2N组网和双机架2N组网[2]。

（1）单机架单机组网。每个设备机柜安装1台分布式UPS，单台UPS设备功率满足单个机柜总功率需求。在有双路市电输入的情况下，机柜可实现UPS+市电双路电源。

（2）单机架2N组网。每个设备机柜安装2台分布式UPS，单台UPS设备功率满足单个机柜总功率需求，2台UPS输入接入2路不通的市电，机柜电源的A路、B路分别接入2台UPS设备的保障输出。

（3）双机架2N组网。每个设备机柜安装1台分布式UPS，单台UPS设备功率满足2个机柜总功率需求。比如，第1台机柜的UPS设备保障输出接入本机柜的电源输入A路和第2台机柜的电源输入B路，第2台机柜的UPS设备保障输出接入本机柜的电源输入A路和第3台机柜的电源输入B路，最后一个机柜的UPS设备保障输出接入本机柜的电源输入A路和第1台机柜的电源输入B路。单机柜所接入的2台UPS设备，其上级输入电源应来自不同的2路市电。

上述分布式UPS常见组网方式中，单机架单机组网方式可靠性最低，但设备投资少。单机架2N组网方式可靠性高，但设备投资多。双机架2N组网虽然节省了部分费用，但组网方式稍显复杂，结构不够清晰。

2 设备配置的对比

2.1 设备组网方式对比

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》附录1，数据中心的UPS结构根据不同的级别采用2N、N+1、N等不同的配置。A级数据中心需采用2N或M（N+1）（M=2、3、4…）配置，B级数据中心需采用N+1配置，C级数据中心采用N配置。集中式UPS可简单实现上述组网，但是通过第1章节中对分布式UPS设备结构及组网方式的描述可以发现，在进行N+1组网时，分布式UPS因其容量分散的特点，无法实现传统意义上的N+1（2≤N≤4）组网。因此，当数据中心的目标等级定义为B级或客户明确要求UPS为N+1配置就可以满足其需求时，需根据项目规模具体评估集中式UPS做N+1冗余配置和分布式UPS做冗余配置的投资对比，避免造成投资浪费。

2.2 设备容量对比

在进行UPS设备容量计算时，集中式UPS因其接入设备多，在计算容量时可根据经验或具体设备使用情况考虑一定的同时系数。但是，分布式UPS因其接入设备单一，一般是按照单个机柜的设计功率来计算容量需求，无法考虑多个机柜同时工作的同时系数[3]。比如，某设备机房计划安装100个机架，单机架平均设计功率5 kW，考虑同时系数0.8（暂不考虑需要系数），功率因素0.9，单机允许使用率0.9，UPS容量裕度系数1.2，则 UPS需 求 容 量E1=5×100×0.8÷0.9÷0.9×1.2=593 kVA。如果数据中心等级为C级时，集中式UPS可选用2台300 kVA UPS，其设备总容量未600 kVA。如果数据中心等级为A级时，集中式UPS可选用4台300 kVA UPS采用2N（N=2）方式运行，其设备总容量为1 200 kVA。

而分布式UPS采用单机架单机组网时，如果同样考虑一定的容量裕度系数，需至少选用单台8 kVA设备共100台，其总容量为800 kVA。如果考虑冗余，采用2N组网方式时，设备总容量将达到1 600 kVA。可以看出，如果机架数达到一定规模，可以考虑负荷的同时系数时，分布式UPS的设备总容量将大于集中式UPS。同样，由于设备规模的增加和电池模块化的设计，分布式UPS所需的电池规模也会更多。

反之，当机架数量较少时，或者机房面积足够大，但是因为远期装机需求不明确使得机架不能一次性建设到位时，对于对投资效益比较敏感的建设单位往往会考虑到设备利用率和投资收益的问题，这是项目投资决策的重要环节。集中式UPS设备在选型时往往按照客户要求或者项目整体规划，根据整个机房可装机设备功率情况选择尽可能大的UPS设备，可以在一定程度上节省投资，但是会面临投产初期设备利用率低和投资回收期长的问题。而分布式UPS设备则较好地解决了这种问题，可分批次建设电源设备，并可以快速完成部署，在下一阶段甚至可以灵活改为分布式高压直流设备，或者根据不同的客户要求，在2N、N供电等级之间灵活选择。

3 机房利用率的对比

对于机房利用率的对比，不能简单一概而论，要根据不同情况具体分析。这里的机房利用率是指同样面积的机房（含电力室）可实际安装服务器设备的规模。目前，行业内除去一些规模较大的数据中心，也有许多小规模的数据中心，也需要根据不同的机房条件选择合适的UPS设备。

一般来讲，下面两种情况下分布式UPS设备具有明显优势[4]：一是楼板承重条件不满足电池安装要求的机房，如普通机房或者其他民用建筑内的改造机房，承重加固难度大且费用多；二是机房面积小、形状不规则或者有其他不利于电源、电池摆放的因素，无法布局单独的电力电池室。因此，需挑选同样可安装两种类型UPS设备的机房进行利用率对比。例如，某机房拟建如图2所示。

设数据中心单机架设计功率4 kW，采用集中式UPS方案时，UPS采用400 kVA 2N（N=2）配置，配置4组480 V/800 Ah蓄电池组，后备时长按0.5 h考虑，预计UPS总输出功率为648 kW，可满足162个机柜功率需求。在隔出电力电池室所需要的面积后，根据设计规范及通用产品尺寸进行平面布局设计，具体如图2所示。除去配电列头柜，剩余机房预计可安装166个机柜。

分布式UPS双机架2N结构组网时，单机架采用1台10 kVA分布式UPS组成，平面布局如图3所示。在服务器机柜同等尺寸及布局的情况下，除去配电列头柜和空调配电柜，可装245个机柜。

单从机柜数量上看，分布式UPS方案明显可安装更多的机柜，比集中式UPS方案多安装48%的机柜。但是，由于分布式UPS设备安装在机柜内占据了机柜空间，因此应从可安装服务器空间上考虑机房利用率。以一个IT机柜42U空间计算，分布式电源占据6U，则两种方案的实际剩余空间为：集中式UPS方案166×42=6 972U；分布式UPS方案245×（42-6）=8 820U。

从机柜空间上看，分布式UPS方案的机柜可用空间比集中式UPS方案多27%，但相比机柜增加比例明显下降。实际项目中，判断机房利用率提升的程度要看实际项目需求。例如，4 kW功率实际能够满足单机柜多少U的设备安装，如果本身单机柜受供电功率限制，则本身就会空出一部分空间，那么以机柜空间来判断机房利用率的提升就没有太大意义。

图2 集中式UPS平面布局方案

图3 分布式UPS平面布局方案

表1 投资费用对比

总体而言，采用分布式UPS相对集中式UPS确实能够安装更多的机柜，但仍然需要结合其他因素综合考虑。

4 项目投资的对比

综上所述，对于分布式UPS和集中式UPS的对比，需在两者均适用的场景下进行分析。以图2和图3的方案为例分别进行投资费用对比，具体结果如表1所示。

通过表1可看出，与集中式UPS相比，分布式UPS的总投资与单机架投资均较高，主要是由于锂电池的费用较高。此外，由于可安装机柜数量多，所需要的空调、机柜投资也相应增加。

与铅酸电池相比，锂电池具有充放电次数多、寿命长及高温环境适应性强的特点。但是，由于通信机房良好的市电保障和机房专用空调对机房环境温度的保障，使得锂电池的优势在数据中心的应用中显得性价比不高[5]。这是目前为止在通信行业内锂电池主要应用在基站、传输机房等接入层站点而尚未大规模应用在核心机楼的原因之一。

但是，也可以通过表1看出，虽然分布式UPS的投资较大，但是如果能保障其单机柜收益，则在完成投资回收后，更多的机柜无疑将带来更多的业务收入。关于投资回收期和投资收益的计算是另外一个相对复杂的计算和分析，这里不作详述。

5 其他对比

对于分布式UPS，有些人认为其分散的供电模式避免了单台设备故障导致设备大面积故障的情形，但是集中式UPS的N+1、2N的配置在多年实践中早已经证实其具有很高的可靠性。反之，也有人认为分散的分布式设备反而使得故障节点增多，但是分布式UPS的模块化设计，包括电池在内都可以快速实现更换，其维修替换时间小于集中式UPS。此外，对于不同的使用单位，需要注意维护部门的管理界面和客户的要求。假如某些客户要求机柜加锁，也会使得维护部门在维护时显得不太方便。

6 结 论

无论是集中式UPS还是分布式UPS，都有各自明显的优缺点。两者不是互相可以取代的关系，而是有着各自更加适用的场景。因此，设备选型时，应结合项目的机房条件、项目规模、市场业务情况以及投资效益要求等多方面因素综合考虑，选择合适的UPS设备方案。