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比较UPS系统设计配置方案(三)

日期:2022-09-28

本期我们来分析分布式冗余、双系统冗余的优缺点。

 

分布式冗余

 

分布式冗余以三个或更多个UPS模块及独立的输入和输出电路为基础。独立的输出总线通过多个三重冗余和STS与关键负载相连。从市电接入到UPS,分布式冗余设计和双系统设计几乎是一样的。这两种方案均提供了并行维护功能,并将单故障点减至最少。二者最主要的区别在于,从UPS到关键负载的配电结构中,为关键负载提供冗余电源线路所需的UPS模块的数量不同。随着负载要求“N”的增加,UPS模块的数量增加所带来的成本,以及反过来因此而产生的节约也在增加。

 

图4、5和6分别显示了同样为300kW负载供电的两种不同的分布式冗余设计方案。图4采用3个UPS模块,在该配置中,模块3与每个STS的辅助输入电路相连,根据另外两个主UPS模块的故障情况投入系统并向负载供电。在该系统中,模块3通常不承载任何负载。

 

图4 分布式冗余“备用”UPS配置

 

图5的分布式冗余设计采用三个STS,正常运行状态下,负载平均分配在三个UPS模块上。

 

图5 分布式冗余UPS配置(带 STS)

 

很显然,双电源负载与单电源负载的供电电路是不同的。双电源负载可以采用两个STS设备供电,而单电源负载只能由单个STS供电。因此,STS便成为单电源负载的单故障点。在当今的数据中心中,单电源负载的使用数量日趋减少,因此,可以在单电源负载的附近安装多个小型转换开关,该方法既实际又经济。如果全部为双电源负载,那么该配置可以不采用STS设备。在100%双电源负载的情况下,这种配置还可以设计成完全没有STS,如图6所示。这种设计典型表现为三重冗余和不适用静态转换开关。

 

图6 三重冗余UPS配置(无 STS)

 

图5显示一路STS系统,有着极高的电气系统可靠性要求的大型机构使用冗余的STS作为将电气维护活动从关键负载隔离的手段。例如,事件在这四层接连发生才会需要在UPS维护期间关停一个双电源的服务器。首先向市电A侧的UPS静态旁路的转换发生故障之后市电A侧的STS跟着发生故障,之后B侧的UPS也跟着发生故障,最后B侧的STS故障。这种层层保护的方式与其昂贵的成本相比提供了很小的可靠性收益——报酬递减规则。总而言之,最好的冗余是地理空间上的冗余,就是指冗余的数据中心相隔一定的距离的地点建造。

 

总体来看,对于那些需要进行并行维护,且大多数负载均为单电源负载的复杂的大型计算机室而言,分布式冗余系统是比较理想的选择。相对于2N架构,其在UPS模块上的节约也是这种配置的市场驱动。还有其他一些行业因素也推动着分布式冗余配置方案的发展。

 

 

静态转换开关(STS)

 

STS具有两路输入和一路输出。通常,STS从两个不同的UPS系统接受供电,并根据某些条件将其中一路电源提供给负载。如果STS的主UPS供电电路出现故障,则STS将在4到8毫秒内将负载转换到辅助UPS供电电路上。STS通过这种方式使负载随时处于受保护状态下。

 

冗余的双路架构的最佳应用就是将两条路径隔离,因此各自独立的它们当一侧发生故障时不会影响到另外一侧。在双路架构中使用静态转换开关会妨碍两条冗余路径的隔离。因此,STS选型取决于对静态开关的设计和现场性能的全方位调查是极为关键的。在市场上,有多种不同配置和不同可靠性等级的STS可供选择。如图5所示,STS处于三重冗余的输入一侧(高电压一侧)。对STS逻辑和设计的改进已经改进了这种配置的可靠性,将STS置于两个三重冗余的输出一侧(低电压一侧)会更可靠一些,但是购买两套三重冗余也会昂贵很多。但同时,将STS置于两个三重冗余的输出一侧(低电压一侧)会提供更高的额定电流。

 

 

单电源负载

 

如果数据中心全部由单电源负载设备组成,那么,每个IT设备只能由单个STS或安装在机架上的转换开关来供电。冗余结构要获得高可用性,必须将开关安置在靠近负载的位置。将数百个单电源设备与单个大型STS相连,是一个极其冒险的举动。如果采用多个小型开关分别为部分负载供电,则可以降低这种危险性。此外,分布的机架式转换开关也不会像大型STS那样,出现那种会波及到上游多个UPS系统的故障模式。因此,机架式转换开关得到了越来越广泛的采用,尤其是当单电源负载只占据全部负载的一小部分时。使用STS时IT设备不会受到因A或B侧的故障而导致的很短的转换时间的影响。

 

 

双电源负载

 

随着时代的发展,双电源负载日渐成为主流,因此,STS已不是必不可少的设备。负载可以直接与两个单独的三重冗余相连,而三重冗余则分别由单独的UPS系统供电。

 

 

多个电源同步

 

如果数据中心采用STS设备,那么应当使两个UPS供电电路保持同步。如果没有同步控制,UPS模块之间很可能出现相位差,尤其是当UPS采用电池模式时。当前很多STS能够转换没有进行同步的电源。这种能力应该会淘汰多电源同步装置。

 

一种解决办法是在两个UPS系统之间安装一个同步设备,使这两个UPS系统的AC输出同步。当UPS模块的输入电源断电,使用电池工作时,这一点尤其重要。同步设备可确保所有UPS系统在任何时候都保持同步,因此,在STS转换过程中,电源将保持完全同相,从而杜绝了异相转换以及可能对下游设备造成的损害。当然,在某一个UPS系统添加同步设备时,应当考虑会同时影响所有UPS系统的故障发生的可能性。

 

分布式冗余的优点

 

1

便于所有组件的并行维护(如果所有负载均为双电源负载)。

2

与2(N+1)设计相比,UPS模块较少,因而成本较低。

3

对于任何特定双电源负载而言,两条独立的供电线路自服务入口处便提供了冗余。

4

无需将负载转换到旁路模式(负载将处于无保护电源下),即可对UPS模块、开关装置和其他配电设备进行维护,大部分分布式冗余设计都不需要维护旁路电路。

 

分布式冗余的不足

 

1

与之前几种配置相比,由于大量采用开关装置,因此成本相对比较高。

2

设计是否成功依赖于STS设备的运行是否正常,因为采用STS设备即意味着存在单故障点以及复杂的故障模式。

3

配置方案复杂,在包含众多UPS模块、静态转换开关和三重冗余的大型数据中心中,要保证各个UPS系统均分负载并了解哪些系统为哪些负载供电,是一项艰巨的管理任务。

4

无法预计的运行模式:UPS系统具备多种运行模式,且各UPS系统之间存在多种可能的转换模式。要在预先定好的条件和故障条件下对所有这些模式进行测试,以检验控制策略和故障清除设备是否正常运行,是不切实际的。

5

由于未达到满负荷工作状态,UPS效率低下。

 

双系统冗余

 

双系统、多路并联总线、双输入、2(N+1)、2N+2、[(N+1)+(N+1)]以及2N全都指的是该配置的变体。借助这种设计方案,现在完全可以建立起根本无需将负载转换到市电的UPS系统。在设计这些系统时,可以尽量排除每一个可能的单故障点。不过,排除的单故障点越多,设计方案实施起来代价也越高昂。大多数大型双系统配置都位于专门设计的独立建筑物中。基础设施,包括UPS、电池、制冷系统、发电机、市电和配电室,占据与数据中心设备同样大小的空间,是很平常的事情。

 

该配置是行业中最可靠也最昂贵的一种设计。根据工程师的理念以及客户要求的不同,它可以非常简单,也可以异常复杂。虽然采用的是同一个名称,但具体的设计细节千差万别,这也是由负责设计任务的设计的理念与知识水平所决定的。图7显示了该配置的一种变体,2(N+1),它由两个并联冗余UPS系统构成。理想情况下,可以采用单独的配电盘,甚至单独的市电和发电机系统为这些UPS系统供电。虽然该设计方案的建造成本颇为不菲,但考虑到数据中心设备的重要程度以及宕机成本,还是物有所值的。

 

图7 2(N+1) UPS 配置

 

 

该配置的成本高低取决于设计工程师认为要满足客户的需求应当采用何种“深度和广度”的系统冗余。其基本设计概念,是允许每一个电气设备都可以在出现故障或手动关闭时正常运行而无需将关键负载转换到直接使用市电的条件下。2(N+1)设计的一个共同之处是采用旁路电路,以使部分系统可以被关闭或旁路至备用电源,从而保证了整个系统的冗余。图7即显示了这样一个示例:UPS输入开关柜之间的电路连接,从而可以关闭其中一个市电接入,而不会使得任何一个UPS系统断电。在2(N+1)设计中,倘若单个UPS模块发生故障,只会使该UPS模块从电路中断开,与之并联的另一个模块将承担起这部分负载。维护旁路在这种设计中并不是一个优势,因为它们有可能将整个系统完全“跨越”。

 

 

在图7的示例中,关键负载为300kW,因此,共需要四个300kW的UPS模块,两两组成两条独立的并联总线。每条总线分别为两条直接与双电源负载连接的电路供电。图7中的单电源负载显示了转换开关是如何为该负载提供冗余的。不过,TierIV等级的电源结构要求所有负载均为双电源负载。

 

一般而言,选择双系统配置的公司更关心配置是否具备高可用性,而不是其实现成本。这些公司的负载也大都是双电源负载。除了在分布式冗余配置部分中所讨论的因素之后,该配置方案还有以下几个因素:

 

静态转换开关(STS)——随着双电源IT设备的问世,在设计中无需再面对STS设备及其烦人的故障模式,从而使系统可用性得到了显著提高。

 

单电源负载——要充分利用双系统设计方案的冗余优势,应当将单电源负载与转换开关在机架处相连。

 

双系统冗余的优点

 

1

两条独立的供电线路,无单故障点,容错性极强。

2

该配置为从电力入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余。

3

在2(N+1)设计中,即使在并行维护过程中,也仍存在UPS冗余。

4

无需将负载转换到旁路模式(负载将处于无保护电源下),即可对UPS模块、开关装置和其他配电设备进行维护。

5

更容易使各UPS系统均分负载,并了解哪些系统为哪些负载供电。

 

 

串联冗余的不足

 

1

冗余组件数量多,成本高。

2

由于未达到满负荷工作状态,UPS效率低下。

3

一般的建筑物不太适合采用可用性极高的双系统,因为这种系统需要对冗余组件进行分开放置。

 

了解完这5种配置方案的优缺点后,如何根据实际情况选择合适的配置呢?下期不二师兄接着为您分析~下期见啦!

 

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