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                供電系統的模塊化設計與死神鐮刀模塊化UPS
                發布時間:2012.11.08  新聞來源:東莞市鴻馭電源有限公司     [ 返回 ] [ 打印 ]

                 

                摘 要

                系統模塊地步就可以看出他化√是數據中心基礎設施設計的↓重要理念和基本策略,數據中心設計建造中的很多問題都與系統模塊化程度有□關。模塊化以及與之關系緊密】的標準化,為數據中心帶來了廣泛的好處,它不僅簡化了從初始規劃㊣ 到日常操作的每一】個流程,還顯著改進了數據中心商業價值的所有三個主要 不對組成部分 – 可用性、適應性和總擁有成ㄨ本。 模塊化 UPS 是可用性級別▼最高的模@ 塊化系統,引領著數據中心基礎設施設計建造的理念◇和方向。

                關鍵詞:數據中心、系統模塊化和標準化、模塊化UPS

                一、可修復和可快速修復功能是提高系統可用性的卐關鍵

                現代〖數據中心基礎設施設計和運行的一個最基本也是最重要的要求是系統必須能連續工作。而工作連 續性的程度通常↑是用系統的可用性來描述的。系統可用性 A(t)的定義為:電子系統在使用過程中(尤其在 不間斷連續★使用的條件下)可以正常使用⊙的時間與總時間之比。可用性是由可靠性參數MTBF(平均無 故障時間)和故障後平均修復♀時間參數 MTTR 表示的,即:

                可靠性MTBF愈高,系〖統的可用性愈高,這是不言而喻的事,但設備的可靠性是有限的,特別是由若 幹不同功能不同廠家的設備組成的復雜的系統,可靠性很難達到設計要求的水平,使數據中心基礎¤設施特 別是供電系統變得很脆弱。於是,設計者和用戶很自然的想到必須從系統〖的可修復和可快速修復上找出路, 因為盡管系統和設備的可靠性達不到要求的高度,故◆障隨時都可能發生,但只要系統中的所有設備⌒ 故障後 都是可修復並可快速修復的,故障後平均修復時間MTTR數值♀很小甚至趨近於零,那麽系統的可用性同樣 可以很高。

                可修復和可快速修一瞬間就看到了復成為數據中心用戶和設計者〖在系統設計時追求的首要目標。只要〗組成系統的所有 具備香氣獨立功能的子系統,在系統投入運行後都是可拆卸、可移動、可更換的,那】末這個系統必然是可修復的。

                可快速修復通常指可無工具拆卸和可拔插更換子系統和設備※。但是,如果功能相同的兩個設備可冗余 配置,當一個設備故障停止運行後,另一個與之冗余並機的設※備可繼續工作而保證系統正常運行,那末, 對於整個系統■而言,我們可以認為冗余並機環節沒有發生︾造成系統宕機的故障,可□靠性很高;也可以認為 雖然設備發生故障☉,但是在修復過程中沒有影々響整個系統正常運行,修復時間為零。

                以上設計理念已在數據ぷ中心基礎設施用戶和設計者中取得了最廣泛的共識,並在系統方案設計和建造 中取得了廣泛的應用和顯著的效果。

                二、"系統模塊化"是可修復和可快速修復的根本條件

                我們把具有獨立功能,在系統①中可整體安裝、拆卸、移動、更換的子系統稱之為模塊,那麽上面的設 計理念可概括為以下⊙三句話:

                1、現代的數據中心要求基礎設施必須是一個能連續工作的不好系統;
                2、一個能連續工作的系統█必然是可修復和可快速修復的♀系統;
                3、一個可修復和可快速修復的系統,組成該系統的所有子系統必然要具備模塊【化特征;

                模塊化即將完整的產品或∮流程按功能分成小塊,即模塊。根據上面講∴的,模塊的特征應◣該是: ?

                模塊是系統中一個具有獨立功能和可獨※立運行的單元;
                結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動;
                相同單元可冗余並機運行。

                在系統中,根據需要對這些模塊進行組裝,以產生①原始產品/流程的各種變體。以我們很熟悉的手電筒 電池為例:可以將不Ψ 同數量的電池(模塊)進行組合,從♂而獲得不同功率的電源。在 IT 設備中,刀片式 服務器和 RAID 陣列也是模塊化的典型例子,將多個設備組合在一起獲得不同數量的服務器或不№同大小的 存儲容量。模塊無需完全相同:以 Lego? 積木為例,這些模塊在某些【方面相同,某些方ㄨ面卻不同,譬如, 其顏色、大小和形狀各不相同,但連接方式和尺寸均采用標準形式,以便可以將積木(模塊)組裝◤成一個 集成系統。不同的模塊老四身上紅光沖天化系統可以根據所需的功能劃分目標,將不同數量的相同模塊或不同模塊(表示不 同的標準化級別)並入集成的模塊或系統中。

                數據中心基礎設施是集成了多種※功能的復雜系統,需要進行仔細的工程設計,以按照↓在標準化級別與 用戶靈活性♀之間取得最佳平衡的方式進行異樣模塊化。系統中存在「各種級別的模塊化設計的可能性。下面是一 些示例: 

                可互換的 UPS 功率模⊙塊和電池模塊:在功率、冗余程度和運行時間方面均實現了▂可擴展性,而 且能夠進行熱插拔,從而在不需要停止系統運行的條▆件下進▲行維修;
                標準化的模塊化布線:將房間布線細※分為行級模塊或機架級模塊,避免了混亂〇並易於出錯的布線 狀態,並簡化和加速⌒ 了斷開-重新排列-重新連話接的流程。模塊化配電系統的方式很多,可■以采用為 整行負載供電的機架大小的模塊化設備,也可以采用服務於單個機架的電※源插板(機架PDU);
                機架級通風裝置:將房間氣流細分為各機架局部控制,以便對高溫區域進行精確制冷;
                高密度機架】系統:將機架、配電系統和制冷系統集成為一個獨立的封閉"空間",以冷卻和隔離發熱 量密集的 IT 設備(此時,"模塊"指集成的整個系統』)。

                根據模塊的特征,在數據中大長老猛然朝水元波揮出了三刀心基礎設施中,一根線纜、一臺整機UPS或空調機,都是☆一個模塊,但是 由而且還讓黑狼一族感到顫抖於設計的疏忽→,有時它們在系統中卻失去了模塊化功能:一根線纜可能因為數量多並相互擠壓而無法識 別和更換,以至於一個老鼠啃壞一條線纜的絕緣就會使系統癱瘓而且不能迅速恢復;一臺大型UPS或空調 機因走道空間狹窄或搬運工具進不去而不能運出更換;一臺裝入機▼櫃的變壓器故障後因工具無法到來了在機櫃內 施展而無法々更換等,這些事例屢見不鮮,使具有這種隱患的系統也就不再具備可修復或可快速修復的⌒ 功能。

                這裏引伸出的是一個新的概念-系統模塊化概ζ念。在一個復雜的【系統中,盡管組成系統的所@ 有子系統都 是模塊化的,但是由於缺乏系統〓模塊化設計,使部分模塊失□ 去可更換、可移動的功能∏,最終使整個系統變 成一個不可修復或不可快速修復的系統,可用性大大降低。

                "系統→模塊化設計"已經成為數據中心設計建造必須遵古怪金屬和這所謂守的原則。模塊化使一切事情變△得更加便利、更可 預測、更為經濟、更易於理解以及更加安全。"系統模塊¤化設計"觀念在行業中已上升到一個新的★高度,成 為了一種富有創造性並具突出戰略意義的設計哲學。

                三、模塊化系統○的優勢

                從上♀面所述可知,模塊化系統設計是建造可修復和可快速修復系統的基¤礎,采用標準化結構▽和連接方 式的模塊化組件使一切變得更容易、更迅速,且成本ω 更低。從供應商的制♀造與庫存,到設計與工程規劃過 程,再到客戶現場的安裝與運營,無不如此。以下幾點突顯了模塊化系統的優勢: ?

                模塊化◎系統是可擴展的:模塊化的基礎設施可以根據當前的 IT 需求進行部署,並且能在以後根 據需要添加更多組件,這種"系統規模塊化"能力顯著降低了總王恒看著略微沉吟擁有成本;
                模塊化系統是可更改的:在系統中可通過模塊的重新配置,為滿足不斷■變化的 IT 需求提供了極大的靈活性;
                模塊化系統是可移植的:在安裝、升級、重新配置或移◆動模塊化時,獨立組件、標準〖接口以及易 於理解的︻結構既節省了時間又節約了資金;
                模塊化組件是可替換的:發生故¤障的模塊可以很容易被換下,以便進行升〓級或修理,而且通常無 需停止系◎統運行;
                模塊化可♀提高故障修復的質量:模塊的可移植和可插拔特性使得很多工作可以在圍殺千仞工廠進行,既包 括交貨之前(如配電@設備的預先布線),也包括交貨之後(如電ω源模塊的修理)。從統計學角度 上分析,同樣的工作,在工廠※內完成要比在現場操作的再故障率低得∮多,例如,與在現場修復的 UPS 電源模塊相比,在工廠▲修復的模塊在引起斷電、發生新的故障或無法恢復到滿負荷工作狀 態方面的概率要低上百倍。

                模塊化︾是標準化的基礎,是標準∮化不可或缺的基本條件。幾乎所有好處都能以某種方式追溯至標準化 的兩個是強大的基礎屬性:模塊化構件結構和提高的人類學習能力,如圖1所示。

                模塊化UPS結構

                正是這兩個特征產生了遍及整個基礎設施的好處,為基礎設施的幾乎每個方面帶來了累積的正面影 響。

                人類學習-理解的力量:
                模塊化提高了設備的▆效率,易於理解性則提→高了人的效率。模塊化標準化系統在各個層面上使人類的 學習更加方便。事物□ 不僅更易於理解,而且可預測性和可重復性也更強,因而發生問題的概率」更低,並且 當發生問題時更容易識■別。

                事物越易於理●解、可預測性越強,便越容易解█釋、編制文檔、操作、查明↑問題並修復。這些效應往往 互為基礎,從而竟然躺在一個男人使安裝、維護◤工作可以做到:
                減少人為錯∮誤:標準化對於人類學習最突出的貢獻莫過於減富貴險中求少了數據中心中的人為錯誤,從標準 化模塊化組裝流程到系統的故障診斷、文檔編制、培訓等都更加簡單、有效,從而使員工更熟→練、 更不容易出錯;
                預見問題:對工作原理的了解,再加上此類事物的標準化程序(如設備監控和預測性維護程序), 形成了一個足▲以應對那些"意外"事故的強大防禦手段;
                提高效率:由於←這些學習效果相互影響並互相推動,效率得到了全面提々高。員工的知識越全面, 在相關問題上所花費時間的█利用率就越高。人為錯誤的減少不但減少了№在糾正人為引發問題上█所 需的時間,而且也減少了答復與此類問題有關的電話幫助熱線的時間。使人力資源得到更好地釋 放和合理使用;
                批量生產的優勢:部件和流程的標準化模塊化使批量生產成為可能,批量生產的優勢體現在以下 幾個方面:成本更低、質量更高、更』易於維修、產量更大、交貨速度更快。

                四、模塊化系統對基礎設施商業價值的貢獻

                如何衡量和評估數】據中心基礎設施的商業價值?由於基礎設施的△主要功能是確保 IT 設備的⊙持續運 行,所以其商業價值♂有三個因素組成: 

                可用性:可用性越高,商業價值也越高;
                適應性:快速響應變化№的 IT 需求成為能否實現數據中心☆的設計功能和預期目標的關鍵;
                總擁有成本帶領著金烈等人直接超澹臺億和玄雨等人集合:在使用壽命期間購╱買和運行的總成本。
                這三個組成部分與商業價值ㄨ的關系如圖2所示。

                數據中心基礎設施澹臺億和玄雨眼中都充滿了興奮的商業價值

                能夠提高可用性和適應性並降低總擁有成本的事物即是基礎設施商業價值的驅動因素。在這種客觀的 因果關系中,標準化和模塊化所產生的好處可同時驅※動所有這三個"性能參數"。

                1、模塊▓化和標準化對提高可用性的作用:

                模塊化和標準化對提高可用性的作用表現在提高↓設備可靠性、降低平均◆修復時間、減少人為錯誤等三 個方面。

                (1)提高設備可靠性:

                標準化模塊化可明那就顯地提高設備的可靠性:
                批量生產可降低了生產缺陷;
                模塊化組件可以背后返回制造商處進行維修,可極大地提高了維修質量;
                采用№標準化連接的模塊化系統可以按照與現場同樣的方式在工廠內進行配置,因∑ 而可以在工廠內進行 預先調適和測試,以發現缺陷;
                標準化的模塊化組件更易於〇實現內部冗余配置以及熱插拔更▽換功能;
                采用標準化的設備監控系統後,可以更方便〗地進行前瞻性維護,以便在逐步演變為重大損失之前識別 問題;
                降低對█容易出現人為錯誤的預防性維護的依賴性。

                (2)降◣低平均恢復時間 (MTTR):

                模塊〗化標準化對降低平均恢復時間 (MTTR)是最明顯不過↘的:
                模塊的熱插拔功能可以迅速將發生故障的模塊化組件↓拔下,以進⌒行更換,因此,不存在因等待修理而 耽擱系統→恢復的情況;
                模塊化標準化令系統更容易理解與操作,加快∏了問題的診斷速度,並提高 了用戶自己進行診斷與更正 的可能性。

                (3)減少人為錯誤:

                迄今為止,在提高可用性的所有途徑中,減少人為錯誤是最行之有效的手段。隨□著設備與程序的模塊 化標準化,功能更加透明,日常操作更加簡單並更容易學習,一切事物都按照預計的方々式運行 – 所有這 些,都降低了發生從輸入錯誤〓命令到拔錯插頭的任何故障的可能性。

                2、模塊化和標準化對提高適應性的作用

                模塊⌒ 化標準化對提高適應性的作用表√現在加快部署速度、增強可擴展的♀能力;增¤強可重新配置的能力 等三個方▽面〗:

                (1)加快部署速度:

                模塊消息就真化標準化可明顯地加快部署速度:
                加快規劃與設計♀速度,可根據設計目標以合理的方式配置系統結構,包括模塊單元的物ㄨ理排列,僅選 用滿足當前 IT 需求的設備數量與類型;
                模塊@化結構所固有的設計靈活性,可及時地滿足◤特殊的基礎設施需求;
                標準化批量生◥產的設備可以實現現貨供應,因而提高了交貨速度;
                標準化的連接方式可減少現場配置與連接的工∮作量,加快安裝速度;
                標準化模塊可以采用與現場一模一樣的方式在工廠進行連接■並預先測試,系統的調試速度也提高了;
                僅根據當前的 IT 需求進行設計,因而只需部署★比典型的傳統系統設備數量更少的小型基★礎設施,進 一步縮短了各個部署階段所需的時間。

                (2)增強嗤可擴展的能力:

                采用模塊化構建模塊化的結構,系統功能可以逐塊獲得,因而可使從配線櫃到大型數據中心的任何大 小的 IT 空間的配置達到最佳狀態。更為重要的一點是,可以只按照◣啟動時所需的 IT 需求來設計相應的 基礎設施。而後,隨著 IT 需求的增長,可以添加更多的構造模塊,而無需重新對□整個系統進行工程設計, 也↑無需關閉關鍵設備。這種"系統規模優化"策略顯著降低了數據中心在使用壽命期間的∞成本。

                (3)增強可重新配置的能力:

                IT 的更新周期通常為二◥年至三年,因此,重新配置、升級或移動能▲力在基礎設施適應性中占據著重要 的地位。模塊化組還真沒幾個件可以拔下、重新排列並重新連接。除了因商業需∮要而進行的重新配置之外, IT 設備 的功率密度隨著其物理尺寸的不斷縮小(如刀片ぷ式服務器)而穩定增長,因此,也需要定期重新配置機架、 供電系統和制冷系統。此外,可熱插拔的模塊化組件為重新配∩置不同級別的冗余、不同電壓♂或不同插頭類 型提供了可能性。不僅是模塊化╳結構簡化了斷開連接、移動並重新連接這一物理過程,除此之外,制造商 對設備模塊■化的仔細設計也將重新設計的需□ 要降至最低,並♂最大限度地提高了將現有設備重復用在新配置 中的能力。

                3、模塊化和標準☉化對降低總擁有成本的作用

                模塊化和標準化對降低總擁有成本的作用表現在降低投忘了告訴你了資成本、降低非能∮源運營成本、降轟低能源成本 等三空間之內個方面:

                (1)降低投資成本:

                標準化的模塊化結構從以下兩個主要方面降低了投資成本:
                采用模塊化結構後,基礎設施的大小緊密配合當前的∩ IT 需求而規劃,而不是根據最大的規劃需求來 構自爆自己建初始容量→;
                簡單明了的結構簡化了☆從規劃到安裝的整個部署過程中的每個步驟,這種簡化不▂僅縮短了每個階段所 需的時間,而Ψ且往往減少了尋求外部幫助的需要。例如,機架級的標準化的模塊化配電系統即從可擴 展性和簡單性兩方面節約了成本:可以只為安㊣裝的機架部署電源和電纜,而無需㊣為整個房間布線,因而減少了工作量。同樣,集成了電纜與空氣流通裝置的標準化的模塊化機架設備為基礎設施◥提供了可 擴展性,並簡化了設計和安裝過程,將設計咨詢和定制安裝⌒ 服務的需求降低最低。

                (2)降低非能源運營綠光隱沒成本:

                設計變得簡單、易於學習,意味著培訓》的效率可以更高,運營/維護程序也可以更高↓效並減少出錯的幾 率。標準化模塊化設備與◆程序的更易於理解,也意味著更多的維護工作可以由 IT 人員來完成@,而無需供 應商提供維護↘。采用標準化的設備監控系統後,借助於易於掌握的管理工】具,可以更方便地進行▲預測性維 護,以便在逐步演變為重大損失之前識別問題。標準化的模塊化組件可以直接拔下以進廠⊙維修,這比在現 場維修更為可靠▓,成本也更低。由於可用這性的整體提高,尋求熱線幫助以解決與停機有關的№問題的需求也 大為減少了№。

                (3)降低能源成本:

                數據中心在使用壽命期間的電力成本是 TCO 中最大的一項。按照現▽有的 IT 需求規劃基礎設施,並 根據 IT 需求的增長添加新的組件,這種方式使用戶只需為看著等人所需的設備提供配電『和制冷。在數據∑中心的使 用壽命期間,因此而節約的電力成本非常可@ 觀。模塊化UPS 設計使得UPS 的容量與負載需求「更為匹配, 從而提高了 UPS 的工作效率並減少了實⊙現冗余所需的 UPS 模塊的◇容量。模塊化制冷設計,如基於機看了他一眼架 的空氣分配單元,使氣流〒組織更準確,從而提高了制冷效率,進而減少〗了制冷設備所消耗的能源。

                五、"模塊化UPS"是最高級別的模塊化系統

                前面講到可修復和可快速修復功能是提高⌒ 系統〓可用性的關鍵,"系統模塊化"是可修復和可快速修復的 根本條件,而UPS又是整個供電系統中♀可靠性最薄弱的環節,於是,數據中心設計者首先∑把模塊化設計理 念用在UPS供電系統的設計中,把冗余容錯和插拔修復技術同時應用到一臺UPS中,這就是當耀使者直接轟碎了戰字前已在市場 上廣泛▓推廣應用的"模塊化UPS"。

                1、"模塊化UPS"是最高級別的模塊化系統

                系統的冗余程度差別以及是否有插拔修@ 復功能,決定了系統的可用性級別,根據前面的介紹,我們可 將模塊化系統分為』四個等級,如圖3所示。

                (1)模塊化系統:系統中的所有子系統〒都具備模塊化特征,例如供電及制這么快冷設備、線纜、配電開關等 都有獨立的功能,且在結構上可整體安裝、拆卸、更換、移動;

                模塊化△系統的四個等級

                (2)具有插拔功能的模塊化系統:系統中關鍵的子系統具有插拔修復功◆能,例如∮擴容模塊化UPS、保險 絲、無工具安裝線纜及其它有可插拔安裝功能的模塊化子系統;

                (3)具有冗余容錯功能的模塊化♀系統:系統中關ζ鍵的子系統具有冗余容錯功能,例如(N+1)UPS、(N+1) 空調及其它有冗余配置功能的模塊化子系統;

                (4)同時具有插拔功能和冗余容錯功能的模塊化系統:系統中關∩鍵的子系統同時具有插拔修復金針刺神**意味著什么功能和冗 余容錯功能,例如(N+1)模塊化 UPS

                顯然,模塊化UPS設備屬於第四級◆,由於系統中的關鍵子系統同時具有插拔修復功能和冗余容錯▂功能, 在下面的分析中可以看出,它的可用性可以達到很高的水平。

                2、模塊化 UPS 的系統配置及運行模ㄨ式

                模塊化 UPS 可以認為是一根本擋不住他們個具有多重冗余結構的可擴充的模ξ塊化系統,圖 4 是其結構示意圖。

                模塊化 UPS 系統結構示意圖

                系統主要包含以下組成部∞分:輸入配電、輸出配電、N+1 功率轉換模塊、N+1 電池模塊、1+1 控制管 理模塊、集中◣靜態旁路、維護旁路。

                功率模塊在物理結構上是一個完∮整的可插拔更換的單元,應具備完整的 AC/DC 和 DC/AC 轉換以及 不停電供電控制功↘能,在配置輸入輸出配電和相應電壓的電池後,就是一臺 UPS;

                把電池分組是為了實現冗余功能,總容量由巨大雷霆整臺模塊化 UPS 設計〓容量確定,在物理〓結構上每組電池 構成一個獨立的可插拔更換的單元;集中靜態旁路在物理結構上也是一個可整體安裝更換的單元,其容量 等於整臺模塊化 UPS 設計輸出容々量;

                控制管理模塊也是可插拔安裝更換的,其功能主要有三個:第一個是整個系統工◥作狀態信息的收集, 如輸入、輸出電壓等;第二是整個系統☉功能的控制,如系統並聯邏輯控制,切入、切出旁〇路等;第三是作 為系統與外界通信的接』口。

                模塊化 UPS 的運行模式和控制過程有以下六種情況:

                (1)正常運行:所有模塊的整流單元並聯≡運行,將輸入交流電轉換為直ζ流電,再向逆變單元供電≡的 同時保證電池組的浮一個小小充。所有的逆變單▲元並聯運行,將直流電轉換為高質量的交流電輸出輸出,電壓同頻、 同相位、同幅值,均分負載電流;

                (2)市電正常,如果一個功率◥模塊發生故障,在智能管理模塊的並聯邏輯控制命令的調控下,自動 將該功率模塊ぷ關機的同時,把該模塊輸入輸出主電路的繼電叫你們帶人過去開關斷開,系統繼續正常運行,負載由並聯的 其他功率※模塊供電,只不過系統不再具▲備冗余功能。此時系統給〇出報警信號,已從系統脫開→的功率模塊可 用插拔方式在數╳分鐘內更換;

                (3)市電正常時,在系統中已有一個功率模塊因故障而處於▃離線待插拔更換而系統已不具備冗余功 能的情況下,如果此時又有一個功率模塊發▲生故障或者負載出現過載情況,則系統自動轉集中靜態旁▲路運 行狀態,並機邏輯控制命令會小子使所有功率模塊輸入輸出主電路繼電開關斷開而由市電直接向負載供電;

                (4)在市電和 UPS 系統都正常情況下,如果負載發生過載或者短路,當負載超過系統額定輸出容量, 而小於全 第四百四十三部功率模塊輸出功率的總和時,系統∩可繼續正常運行,同時▓發出報警信號,說明此時系統已不再 具備冗余功能;如果負載過流量超」過所有功率模塊輸出額定功率的總和,則並機邏輯命令▂會使所有功率模 塊輸入輸出主電路繼后代電開關斷開並自動轉系統靜態旁路,由市電直接應付至于大寨主過流的負載;

                (5)市電故障:在檢測到市電故障的情況下,整流器々能夠自動的將直流母線與交流輸入相隔離,同 時,電池≡組進入放電狀態,由逆變器保證負載的連續運行;一旦市電恢復, UPS 能夠@ 在不需要人為幹預 的情況下,自動恢復到正常運行》模式;

                (6)手動維修旁路,完整的 UPS 應包含一個手▓動維修旁路開關,以便㊣ 在整個系統故障或者需要進 行緊↘急維修時,將系統轉朝醉無情點了點頭維修旁路。

                3、N+1 模塊化 UPS 與單機 UPS N+1 系統@的相同與不同之處

                把冗余∏容錯和模塊化快速插拔修復技術同時應用到一臺UPS中,這就是"模塊化UPS"。模塊化UPS實 質上是集成的N+1冗余並々機系統與模塊化體系結構的融合,如圖5所示。

                N+1 模塊化 UPS

                N+1 模塊化 UPS 與單機 UPS N+1 系統的相同與不同之處主要表現在以下幾個方面:

                (1)兩者都是 N+1 冗余並妙用機系統,具有完全相同的運行模式;

                (2)同樣是 n+1 冗余系統,而模塊化 UPS 卻是把整個系統集成起來。集成內丹就會有自主的內容包括:輸入配電、 輸出配電、維護旁路、集中靜態旁路、集成的並機背板、集成的系統管理等。

                與√單機組成的 n+1 冗余系統相比,集成的優勢表現在以下幾點:
                系統高度集▽成,省去了現場安裝、連線、調試等工作,可縮短現場調試時間,並保證系『統調試質 量,減△少認為錯誤,提高系統可靠性;
                設備ξ 制造和供應渠道的統一化:無需再單獨購置和安裝輸入「輸出配電、靜態ξ 旁路和維修旁路等設 備、縮短而是為了日后在仙界建設周期、縮短故障修復◇時間(發生故障後不再有設備供應上的推諉問題); ?
                設備及各環節的匹配(相當於定制):包括設備容量的匹配、設備輸入輸出阻抗的匹配、設備及 各環節的連︻接的規範化,提高系統運ζ行的可靠性;
                節省機房設備安裝的物理空間;
                集中管理:提高管理維護水平、降低運營費★用

                (3)模塊化 UPS 可熱插拔快速修復的優勢 

                可快速修復的系統:對關鍵設備的故障修復時∑間是單機冗余系統的 1/8~1/10;
                提高安裝、調試和維護的質量:減少人為錯誤、降低維︼護難度;
                提高部署速度:模塊化無工具安裝,可將系統安裝時間縮短到單◆機冗余系統的 1/10~1/15
                提高系統擴展能力:可按◇需要擴展系統容量;
                避免過度規劃:降低設備和備件成本,明顯地提高設備工作效率;
                簡化規劃、設計、安裝流程:降低非設ξ備資本成本。

                4、模塊化 UPS 的可靠性

                從圖 4 可以看出,模塊化 UPS 是一個具有多重冗余結構的可擴充的模塊化系統,要確切的頂在輝使者和耀使者頭頂分析其可 靠性是一↓件很繁瑣的事,況且ζ 還需要若幹符合實際情況的設備和元件的權威性的可靠性數據。但是,我們 可以針對 UPS 設〓備中最薄弱的環節 AC/DC 和 DC/AC 變換,從方案配置的角度比【較單臺 UPS 1+1 冗余並 機和 n+1 模塊化 UPS 在可靠性ω和可用性方面的差別,依此可看出模塊化系統結︼構對系統可靠性和如果不出意外可用性 的影響。這樣做是接近實際︼情況的,因為不管十二個仙君是單臺 UPS1+1 冗余並機還是模塊化 n+1UPS,其可靠∩性都 主要取決於最薄弱的環節 AC/DC 和 DC/AC 變換。

                1+1單機冗余並機♂系轟統在運行中只允許一臺發生故障並可在不影◥響系統正常運行的情√況下脫機修復, 兩▂臺同時故障時系統宕機。

                而模塊化n+1UPS(n>1)雖』然也是只允許一臺功率模塊發生故障並可在不影響系統正常運行的情況 下脫機修復,兩臺同時故ζ 障時系統宕機,但兩臺同時故障的情況卻有多種組合。例如:

                n=2,兩臺同時●故障的組合有 3 種:1/2、1/3、2/3; 

                n=3,兩∞臺同時故障的組合有 6 種:1/2、1/3、1/4、2/3、2/4、3/4; 

                n=4,兩臺同時∮故障的組合有 10 種:1/2、1/3、1/4、1/5、2/3……;

                (1)滿負荷情況下可靠性的區別

                在系統滿負荷情況下,1+1冗余並機∩和n+1模塊化UPS都是只允許一臺發生故障並可在不影響系統正 常運行的情況下脫機修復,兩臺同時∴故障時系統宕機。圖5是1+1冗◢余並機和4+1模塊化UPS的可靠性模型。

                模塊化 UPS

                如果單機(模塊)的可靠度〓為 R,1+1 冗余並機可靠度為 R1+1,4+1 模塊化 UPS 可靠度為 R4+1,則:

                4+1 模塊化 UPS

                在所有各臺可靠性相同且等於0.99的情況下,則:

                可靠性

                (2)實際負荷小於滿負荷情況下可靠性的區別

                在實際應用中,設計負載容量都小於UPS的額定輸出╱容量,特別是在數據中心投入使︽用的初期,負載 的實際容量往往小於UPS的々額定輸出容量,此時UPS的冗卐余模塊的數量會大於1,我們可把系統定義為模 塊化n+m冗余並機系統。 ?

                n:單機(或模塊)數,n 個模塊(單機)額定容▃量之和等於 UPS 實際輸▅出負載容量; ?

                m:實際冗余的單機(或模塊)數。

                n+m系統在運行中,允許發生故障電源模塊數ζm與系統實際輸出負載量的大小有關,仍以4+1冗余系 統為例,當系統實際負載等於↘UPS系統設計最大負載量時,實際運行情況為4+1冗余系統,運行中允許一 臺發生故障並可在不影響系統正∞常運行的情況下熱「插拔更換,任意兩臺同時故障時系統宕機。即:n=4, m=1,兩臺同時故一百一十年后障的組合有10種:

                n+m系統

                當系統實際負載等於設計最大負↘載量的75%時,則4+1冗搖了搖頭余系統變成╲3+2冗余系統,系統中允許兩臺同╱ 時發生故障並可在不影響☉系統正常運行的情況下熱插拔更換,任意三臺同時故障時系統才宕機。即:n=3, m=2, 三臺同時故障的→組合有10種:

                3+2冗余系統

                當▓系統實際負載等於設計最大負載▅量的50%時,4+1冗余系統變成2+3冗余系統,系統中允許3臺∞同時發大聲吼道生故障並可在不影響系統正常運行的情況下熱插拔更換,任意四臺同時故障時系統才宕機。即:n=2, m=3,四臺同時故障的組合有5種 :

                2+3冗余系統

                假定單機(或模塊)的年可靠度R=0.99,可計算出1+1冗余並機與n+1模塊冗余並機「的區別,以及負 載量的影響,如表(1)所示,這裏取n=4。

                表(1)1+1冗余▆並機和4+1模塊化冗余並機№的可靠性差別及與負載量的◥關系

                1+1冗余∩並機和4+1模塊化冗余並機

                通過以上分∏析可得出下面的結論:

                ① 由單機1+1組成冗余⊙系統,當單機可靠度為0.99時,並還有一個三級仙帝機系統可靠度可達到0.9999,此值與負載」無關, 也就是說,不管系統實際負載量是多少,系統永遠二長老身形爆退是1+1冗余,不允許兩※臺同時故障,可靠度也就永遠是 0.9999;

                ② 由模塊(包括單機)組成的4+1冗余系統,當系統實際實力迎上去負載等於設計額定負載量時,如果模塊(或單 機)可靠度為0.99,則系統←可靠度為0.999,低於1+1冗余系統。但是當系統實際負載等於UPS系統設計最 大負載量的75%時,則4+1冗余系統變成3+2冗余系統,系統可靠度高達0.99999,當系統實際負載等於設 計最大負〖載量的50%時,4+1冗余系統變成2+3冗余系統,可靠度再次∏提高到0.99999995。

                5、模塊化 UPS 的可用性

                計算可靠性∑ 時使用的數學模型和計算方法同樣適用對可∏用性的分析和計算,但是計算可用性時我們用 可靠性的另一個參數-平均無↙故障時間 MTBF,同時還要用到可修復性參數-平均修復時間 MTTR。

                假定:單機 UPS 的 MTBF=10 萬小時(這是目前產品的水平,相當於 11 年);
                單機 UPS 的 MTTR=8 小時(包括故障反應和故障修復時間)
                模塊化 UPS 功率模塊反倒是你的〓 MTBF=10 萬小時(同單機 UPS)
                模塊化 UPS 功率模塊的 MTTR=1 小時(在有備份的情況下由維護人員熱插拔修復);

                則: UPS 單機的可用性 A=MTBF/(MTBF+MTTR)=0.9999

                UPS 單機

                對可用性的計算表示在表(2)中

                表(2)1+1 冗余╲並機和 4+1 模塊化冗余並機的可用性差別及與負載量的關系

                1+1 冗余ω 並機和 4+1 模塊化冗余並機

                通過以上分析可得出下面的結論:模塊化UPS的可用性比∑1+1單機冗余】並機的可用性高,根本原因是 模塊化UPS的模塊故障↘後可由維護人員熱插拔修復,使故障而后開口道修復時間MTTR降到1個小時。再者,可用性也 隨著負載量的︽減輕而提高,當系統實際負載等於設計額定負載量的75%時,可用性已經近似為1。

                以上分析得到的可靠性和可用性」結果都是比較高的,如果把系統中的輸入配∞電、輸出配電、變壓器、 UPS 的輸入和輸出接觸器等環節都考慮在內,那麽實際的可靠性和可用性數值都要小得多。

                六、結束語

                可修復和可快速修復功能是提高系統可用性的關鍵,模塊化是可修復和可快速修復的根本條件,也是 提高適應性和降低總擁有成本的最有效的措施。"系統模塊化設計○"已經成為數據中心設計建造必須遵守的原則。"系統模塊化設計"觀念在行業中已上升到一個新的〖高度,成為了一∏種富有創造性並具突出戰略意義 的設計哲學。

                "模塊化UPS"是最高級別的模塊化系統,其設計理念必然會引領著數據中心基礎設施設計建造的發展方向。

                但是,使整個數據中心基礎設施模塊化要比一臺UPS系統模塊化困難得多,很多設備和環節雖然可模 塊化-具有獨立功能、可獨立運行、可整體安裝,但要插拔維護卻很困難或者不可能,甚至在系統運行後』再 拆卸、更換、移動也不是件容易的事, 這是當前數據中心基礎設施普遍存在的問題。要解決這個ζ問題, 不僅要使所有設備和︾環節在連接方式上具備可拆卸、更換、移動的條件,還要在物理↓條件上-空間、走道、 工具的可操作性等方面做精心的〗設計。