數(shù)據(jù)中心UPS供配電理念的轉變

    摘要:隨著IT技術的發(fā)展,特別是云計算的興起,做為基礎物理設施的供電系統(tǒng),其設計理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。

    數(shù)據(jù)中心UPS供配電理念的轉變

     

      隨著IT技術的發(fā)展,特別是云計算的興起,做為基礎物理設施的供電系統(tǒng),其設計理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。國外一系列的數(shù)據(jù)中心建設案例呈現(xiàn)出這樣的特點,即提高系統(tǒng)的可靠性、較高的供電效率以及日益縮短的后備時間??梢哉fUPS電源正在扮演一個較加純粹的“守護者”的角色用較少的消耗換取較高的可靠性,這首先是數(shù)據(jù)中心大型化集約化發(fā)展的需要,同時也是時代對于數(shù)據(jù)中心建設綠色環(huán)保節(jié)能提出的新要求。

      較高的供電效率

      隨著云計算的蓬勃發(fā)展,數(shù)據(jù)中心能耗的不斷增加已越來越受到業(yè)界人士的關注。2006年,美國數(shù)據(jù)中心的總耗電量約為610億千瓦時,總電力成本約為45億美金;而2011年,美國數(shù)據(jù)中心的總耗電量已**過1000億千瓦時,總電力成本高達74億美金。數(shù)據(jù)中心的成本、效率和可持續(xù)性受到了嚴峻挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)中心耗電量急劇上升,“數(shù)據(jù)中心節(jié)能”成為未來數(shù)據(jù)中心建設的發(fā)展趨勢。UPS在數(shù)據(jù)中心中耗電量為18%,然而,由于UPS系統(tǒng)需要7x24小時在線運行,所以提高UPS供電效率可以帶來直接的電力節(jié)省。哪怕是些許的效率提升,每年也會節(jié)省大量的電費開支。影響UPS系統(tǒng)效率的兩個因素為:UPS系統(tǒng)自身的拓撲結構和決定UPS負載因數(shù)的數(shù)據(jù)中心電源及配電的設計。

      UPS系統(tǒng)本身的設計結構很大程度上決定了效率。目前市面上UPS主要有兩種結構—在線互動式和在線雙轉換式。

      在線互動式UPS將整流器和逆變器與市電輸入并聯(lián)。這種設計使得在線互動式UPS可以對市電(過壓或欠壓)進行補償;同時通過相應的電路,對諧波、瞬態(tài)波動和其他電力質量問題進行調節(jié)。當市電不可用或**出設定范圍,在線互動式UPS通過靜態(tài)開關將負載與市電隔離,同時切換到電池或飛輪等儲能裝置給負載供電。

      在線雙轉換式UPS系統(tǒng)雙變換式UPS系統(tǒng)將負載與市電完全隔離。在任何時刻都對負載提供** 調整過的交流電。由于雙變換式UPS工作時對市電能量進行兩次變換 – **次是交流到直流,然后再是直流到交流,也因此得名“雙變換式UPS”。正常運行狀態(tài)下,即使市電沒有電力干擾,雙轉換UPS系統(tǒng)也會一直給負載提供處理過的交流信號。

      使用雙轉換UPS,電源要從交流整流到直流,再從直流逆變到交流,才能確保輸出端完整的正弦波及頻率保護功能,以及保護負載免受七種電力干擾的影響。這個方法既**出了現(xiàn)代IT設備的電源需求,又消耗了大量的能源。

      比較而言,在線互動式UPS設計較簡單,在主電力通路上的器件較少,從而在保護負載的同時獲得較高的供電效率。由此可見,采用飛輪儲能UPS系統(tǒng)可以有效降低能耗已經成為一個不爭的事實。

      Active Power提供飛輪UPS即采用在線互動式設計,可以達到與在線雙變換式UPS相同的電力輸出質量,主要是采用了高速微處理器,可以在一個20ms周波內對市電采樣400次,快速對電源的瞬態(tài)問題作出響應。而飛輪儲能裝置對負載的輸入電路設計幾乎和在線雙變換式UPS相同。除了通過UPS架構對電能節(jié)省外,飛輪儲能系統(tǒng)相比蓄電池對環(huán)境條件(溫/濕度)要求較低,另外,飛輪儲能系統(tǒng)占地面積只有蓄電池1/4,大大降低了對制冷量和制冷空間的要求,從而進一步節(jié)省電能。以一個15000平方英尺的數(shù)據(jù)中心為例,按每平方英尺的IT設備運行功率為50W計算,每年需要消耗電能6.9 兆瓦時(MWh)。如果UPS電源系統(tǒng)在效率上提高5%,每年可降低384,000 千瓦時(kWh)的電能消耗,或大約節(jié)省3.8萬美元的電費開支(按0.10美元/千瓦時計算),另外還可大量減少在冷卻負載方面的節(jié)省。

      至于,對于在線互動式UPS較主要的質疑即針對市電頻率波動的處理能力,因為輸出頻率是與市電同步,Active Power利用了同樣的微處理器解決這個問題,只允許+/- 0.2% 市電頻率的漂移,當市電**出這個范圍,將由飛輪進行供電,這樣做的結果是有效保證了供電質量。

      較高的可靠性

      數(shù)據(jù)信息的重要性的提升,使得數(shù)據(jù)中心的可靠性在和企業(yè)中的日益凸顯;雖然能效對于數(shù)據(jù)中心越來越重要,但運維人員仍然對于任何可能引起宕機風險的改變都較其慎重;更多的關于數(shù)據(jù)中心供電可靠性的知識可以幫助運維人員在提高數(shù)據(jù)中心供電效率的同時減少顧慮。

      自從1996年,MTechnology 公司(MTech)一直采用風險概率評估法(PRA)這種科學的方法,對高效電力設備進行評估。風險概率評估法(PRA)是用于評估復雜系統(tǒng)可靠性和有效性的正式技術方法的集合。PRA技術通過綜合簡單部件故障率的已知信息,利用正式的數(shù)學模型,對系統(tǒng)可靠性作出令人信服的評估。對于大部分電氣、電子和機械部件來說,都有其可供參考的故障率數(shù)據(jù)。PRA的計算方法參考這些數(shù)據(jù),并考慮到各部件在特定系統(tǒng)中相互作用的因素,利用專業(yè)知識將他們融合一起。所以,在系統(tǒng)組成以前,就能評估出復雜系統(tǒng)的故障率。

      MTechnology 公司將停電分為兩類:

      **過10秒鐘的長時間市電中斷:在這種情況下,通過命令自動轉換開關切換到運轉狀態(tài),交流電源轉移到發(fā)電機,然后發(fā)電機啟動運行。在發(fā)達國家發(fā)生十秒鐘以上電力中斷的情況并不多見。事實上,根據(jù)美國電力研究所(EPRI)的評估結果顯示,用戶遭受電壓下跌的幾率要高出電力完全中斷幾率的十倍之多。在電力完全中斷的案例中,**過10秒鐘的情況不**過4%。

      故障樹分析顯示,自動轉換開關故障是引起備用電源系統(tǒng)故障的較重要原因。使用中的自動轉換開關發(fā)生故障的次數(shù)大約占系統(tǒng)預期故障次數(shù)的95%。模型中使用了電機及電子學工程師聯(lián)合會黃金書(IEEE Gold Book)的數(shù)據(jù),其故障率大約為每小時10-5,或**過100,000小時(11年以上)的故障平均間隔時間,這說明整套機電部件在持續(xù)使用中性能良好。因為自動轉換開關只是單點故障,所以它的故障率占據(jù)了大部分的系統(tǒng)故障,且自動轉換開關故障幾乎總會導致系統(tǒng)故障。因為自動轉換開關故障率、主開關柜故障率和發(fā)電機故障率是系統(tǒng)的主要故障率。下圖為故障樹模型的Active Power飛輪UPS簡化單線流程圖。

     

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