数据中心机房UPS供电模式可靠性分析

王凯

（北京清控人居光电研究院有限公司）

1 引言

随着物联网、5G网络、智慧城市等新兴技术的发展，数据中心做为大数据和云计算的核心载体，其“城市大脑”的重要性也日益提高。其中，UPS（Uninterruptible Power System）配电系统作为数据中心的重要组成系统，其配置类型和供电模式的可用性、适应性、扩展性、可维护性及建设成本，受到越来越多设计师和运维人员的关注。

2 UPS配置类型

根据《工业与民用供配电设计手册》第四版第2.6节，UPS的配置类型大致分为单台、并联和冗余等三个大类[1]；按照供电方式又可细分为后备式（离线式）、互动式、双变换（在线式）、串联冗余、备用冗余和并联冗余等类型。

对于后来衍生出来的双总线供电模式，可保证每一套电源的独立性，这种UPS配置也被称为2N或2（N+1）模式。

3 可靠性与可用性

3.1 定义

在工业产品领域的“可靠”与“可信”，并不是人们通常认为的可以依靠、真实可信，而是有一套完整的定义和度量方法。

GB/T 2900.99-2016《电工术语 可信性》中规定，可靠性（Reliability）是在给定的条件和给定的时间区间，能无失效地执行要求的能力；可用性（Availability）是处于按要求执行状态的能力。

下面引入几个常用的度量指标和公式：平均故障间隔时间（MTBF）、平均故障修复时间（MTTR）、可用性（A）、可靠性（R）、失效率（λ）。

关于式（1）的可用性公式，很容易理解，通常大家习惯用N个9来表征系统的可用性，比如99.9%、99.99%等。假设一个系统的宕机时间（Downtime）等于MTTR，其余时间均为正常运行（Uptime），系统可用性想要达到5个9，需要宕机时间不大于5min/a；可用性想要达到6个9，需要宕机时间不大于31s/a[2]。

其实一般情况下，数据中心的系统可用性指标不需要设置的过高，依照相应的规范要求设计即可；比如城市照明控制系统的可用性，依据CJJ/T 227-2014《城市照明自动控制系统技术规程》第4.2.11条，“中心级系统故障恢复时间应小于2h，平均故障间隔时间(MTBF)应大于 30000h”，按式（1）计算，其可用性约为99.9933%。

3.2 串联与并联的可用性

上节描述的是一个组件的可用性计算，当系统中具有多个组件时，根据现代控制理论和概率学公式，串联与并联的可用性如下[3]：

串联冗余的可用性

比如有两个一模一样的产品组件构造的系统，每个组件的可用性均为0.9，则根据式（4）、式（5）可以得出，并联时的可用性为0.99，串联时的可用性为0.81；所以串联冗余系统的可用性较低，已经很少使用了。

3.3 可用性与可靠性的区别

根据2.1节给出的定义，可靠性是指从系统开始运行到某个时刻，这个时间段内正常运行的概率；可用性是指系统在执行任务的任意时刻能正常工作的概率。比如A系统每年因故障中断十次，每次恢复平均要20min；B系统每年因故障中断2次，每次需5h恢复。

根据式（1）、式（2）计算，A系统的可用性为0.999618，可靠性为0.740818；B系统的可用性为0.998858，可靠性为0.904837。

可以看出，虽然A系统的可用性比B系统高，且A系统的总故障修复时间较少，但其可靠性比B系统要差很多。

4 UPS配置的可用性分析

图1 UPS单路供电系统组件

通过上节的计算，可以看出并联系统的可用性较高，依据GB 50174-2017中对于“冗余”和“容错”的定义，两者都是重复配置，但冗余是针对系统中的组件、单元、模块或路径，而容错是针对整个系统的。简而言之，两个以上的重复单元可称为冗余，但两个以上的重复系统才可称为容错；所以，N模式为基本需求，N+1或N+X模式为冗余需求，2N或2(N+1)模式为容错需求。

4.1 UPS供电系统的冗余模型

数据中心的供电可靠性，不仅要考虑UPS的冗余，其后端的隔离变压器、UPS配电柜、机架负载电源、转换开关等，也应纳入分析计算。

以图1这个满足基本需求的简化模型为例，整个供电系统由4个组件组成：①UPS；②隔离变压器；③配电柜；④负载电源。当采用冗余配置时，根据⑤转换开关的位置，可以把常用的冗余系统分为：仅有UPS冗余、变压器冗余、配电柜冗余以及完全冗余（即容错）等四种模型。

4.2 UPS冗余模型的可用性分析

为量化分析不同的UPS冗余模型，以及冗余组件的多少对于系统供电可用性的影响，以上节中的5种模型为例，分别进行可用性计算。

为简化计算，冗余模型中采用的几个组件，其基础数据MTBF和MTTR如表1：

通过对上节模型的分析，根据式（4）、式（5）代入表1的数据，可以计算得出下表：

可以看出，随着UPS系统的冗余组件逐渐增加，系统整体可用性也逐渐提高；在使用机架式ATS的模型中，可用性已达到6.3个“9”；在完全冗余配置的模型中，可用性可以达到7.7个“9”。

冗余组件的增加，意味着单点故障的减少，同时系统的可维护性也随之提高；年宕机时间也从1.2h，最多可减少到0.72s。

提升UPS的系统可用性，不仅是意味着成本的增加，也意味着需要更多的设备安装面积和线路敷设路由；所以在机房建设之前，应充分了解业主需求，并根据使用功能、投资规模以及建设周期等，进行准确定级，以确定选择一个经济、合理的解决方案。

5 数据中心的技术标准和认证体系

数据中心的基础建设，可以分为供电、制冷、消防、监控、防雷、接地、布线、装修等多个子系统，其中任何一个子系统的分级，都应以数据中心的整体等级需求为准。

表1 组件的基础数据

表2 UPS冗余模型的可用性分析

目前国内外主流的数据中心设计标准和认证体系，主要有国家标准GB50174-2017《数据中心设计规范》、国家认证标准CQC 9218-2015《数据中心场地基础设施评价技术规范》、北美标准ANSI/TIA-942B-2017 《数据中心电信基础设施标准》、Uptime Institute认证《Tier Standard for Data Center Design，Construction and Operational Sustainability》。

GB 50174-2017将数据中心分为A、B、C三级，分别为容错系统配置、冗余要求配置和基本需求配置。TIA和Uptime Institute，他们都将数据中心划分为4个等级，两者对4个等级的定义是一样的：基本需求、冗余组件、在线维护和容错[5]。

国标中的C、B、A级可分别对应Tier I、Tier II、Tier III和 Tier IV。 当 然，两种标准的对比仅是一个粗略的、简化的对应关系，在实际建设和认证中，两者并没有对等性。Uptime认证的Tier分级标准，与国标GB 50174相比，更多的是针对实施结果的考核，而不是基于建设标准的考核，虽然在全球已经得到了很多用户的认可，但是在国内通过设计、建造和运维认证的项目还比较少，有待进一步推广。

6 结语

数据中心机房的UPS供电系统配置模式，是项目设计和建设过程中的一个重要环节，供电系统的可用性将直接影响数据中心的安全运行。本文列举了几种不同的UPS配置类型及冗余模式，并分析计算了每种供电模式的可用性，可以为数据中心设计及运维人员在可用性评估过程中提供参考。