隨著大數(shù)據(jù)和云計算的不斷發(fā)展，大型、高密數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)運而生，而大型數(shù)據(jù)中心帶來的耗電量也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計目前數(shù)據(jù)中心的能耗已占到全球電量的2%至3%。高可靠、低能耗、易維護(hù)的供配電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的核心訴求，而UPS作為其源動力，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

大型數(shù)據(jù)中心要求電力系統(tǒng)高可靠性，T4級數(shù)據(jù)中心可靠性99.995%，平均每年只能有48分鐘故障時間，服務(wù)中斷時間小于24分鐘，UPS 電池最少滿負(fù)載備份時間（需要有發(fā)電機應(yīng)急電源系統(tǒng)）不少于15分鐘。當(dāng)市電發(fā)生輸入中斷，就由蓄電池、UPS逆變?yōu)樨?fù)載提供不間斷電源，來持續(xù)保障業(yè)務(wù)的正常運營。UPS工作時整流器和逆變器都會產(chǎn)生功率損耗，例如電價為1元/度，以400KVA的UPS為例，UPS效率每提高1%，一年節(jié)省的電費為(400KVA×1)×0.01×24×365×1=35040元。所以如何提高UPS的工作效率，是降低數(shù)據(jù)中心運營成本的一個亟待解決的問題。

一、 數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃

對于數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)解決方案而言，應(yīng)優(yōu)先考慮提高它的可利用率。按照TIA-942所推薦的供電系統(tǒng)可利用率的分類標(biāo)準(zhǔn)，可分為Tier-4級、Tier-3級、Tier-2級和Tier-1級。Tier-4級供電系統(tǒng)是由兩路UPS所組成的2N型供電系統(tǒng)來向IT設(shè)備供電，它能確保負(fù)載”永不停電”，具備故障容錯功能，其可利用率最高，適用于中大型的高端數(shù)據(jù)中心。Tier-3級供電系統(tǒng)是由1路市電 1路UPS/HVDC所組成的2N型供電系統(tǒng)來向IT設(shè)備供電，它使負(fù)載的供電系統(tǒng)具有可在線維護(hù)特性，其可利用率次之，適用于中大型的中端數(shù)據(jù)中心; Tier-2級供電系統(tǒng)是由N 1臺UPS所組成的冗余供電系統(tǒng)來向IT設(shè)備供電，適用于中小型數(shù)據(jù)中心; Tier-1級供電系統(tǒng)是單機系統(tǒng)，其可利用率最低，適用于小型機房。

舉例：某數(shù)據(jù)中心設(shè)計每個機房模塊機柜200個，容量為3KW/個。

IT設(shè)備負(fù)荷計算如下表：

備注：為了能夠完全與供應(yīng)電源兼容，輸入功率因數(shù)需要接近1

根據(jù)IT設(shè)備負(fù)荷計算進(jìn)行UPS選型，UPS容量按照2N方式配置，選型計算如下表：

備注：高冗余度的UPS系統(tǒng)其設(shè)計額定負(fù)荷水平通常在40％～50％之間

UPS設(shè)備選型為在線雙變換式，采用空間矢量調(diào)制及全數(shù)字化控制技術(shù)。共分為兩組，每組配置為4臺400KVA UPS并機運行，第一組UPS為1#、2#機房IT設(shè)備A路供電，第二組UPS為1#、2#機房IT設(shè)備B路供電，正常運行時每組UPS各承擔(dān)50%，當(dāng)一組UPS故障時由另一組UPS承擔(dān)全部負(fù)荷。

二、　UPS供電系統(tǒng)的“系統(tǒng)級”休眠技術(shù)

就絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心機房UPS而言，不管實際營運的負(fù)載有多大，這一系統(tǒng)中的全部UPS均投入運行。而通常數(shù)據(jù)中心的負(fù)載是分步增長的，尤其是IDC機房，初期機房很空、負(fù)載很輕,這時所有的UPS都開動起來本身就是一個很大的能源浪費；另外就UPS的效率曲線而言，其效率與負(fù)載率成正比變化關(guān)系，負(fù)載率越低效率也越低。

假設(shè)每套并機初期的負(fù)載總量僅為一臺的容量（實際往往會更低，某運營商的數(shù)據(jù)中心，運行一年多了，負(fù)載僅為一臺的1/4），那么四臺并機工作時每臺UPS的負(fù)載率為25%，以500KVA的12脈沖UPS為例，在這一負(fù)載率下的效率僅為85%以下，這意味著約有2*15%*500KVA*0.9＝135KW的電被白白浪費掉了。更為致命的是，對于多臺并機系統(tǒng)而言，如此低的負(fù)載率很容易引起并機系統(tǒng)振蕩，導(dǎo)致UPS故障和系統(tǒng)宕機事故。

因此，為了提高可靠性和減少大量能源在低負(fù)載下的白白浪費，數(shù)據(jù)中心機房UPS系統(tǒng)采用綠色休眠節(jié)能技術(shù)是非常必要的。這一技術(shù)能在負(fù)載較低的情況下，自動根據(jù)當(dāng)前總負(fù)載的大小，決定投入運行UPS的臺數(shù)，在保證應(yīng)有的N 1冗余供電情況下，退出多余的UPS并使其進(jìn)入休眠狀態(tài)，以達(dá)到安全運行與節(jié)能的目的。

針對前述的負(fù)載，具有綠色休眠技術(shù)構(gòu)成的每套UPS并機系統(tǒng)將僅有兩臺UPS投入工作保證系統(tǒng)的1 1，其余UPS處于休眠狀態(tài)基本不消耗電能，這樣每臺工作UPS的負(fù)載率將達(dá)到約50%，對于12脈沖UPS其相應(yīng)的效率也提高到90％左右(IGBT整流UPS此時的效率將高達(dá)95%)，減少了能源的損耗。

綠色休眠技術(shù)的采用，不僅實現(xiàn)了節(jié)能增效的目的，也提高了整個數(shù)據(jù)中心機房UPS供電系統(tǒng)的運行可靠性。從運行的可靠性來看，休眠技術(shù)通過使多余的UPS休眠退出，減少了并機的實時并機臺數(shù)，即從設(shè)計的3 1變?yōu)榱藢嶋H運行的1 1或2 1，使并機系統(tǒng)的連續(xù)運行穩(wěn)定性得以成倍提高；休眠技術(shù)提高了帶載率，減少了并機系統(tǒng)振蕩的風(fēng)險；此外，處于休眠狀態(tài)的UPS與正常運行的UPS相比，其自身可靠性也得到明顯的提高。

三、數(shù)據(jù)中心UPS工作模式與運營成本分析

通常數(shù)據(jù)中心的負(fù)載都是分步增長的，初期機房很空、負(fù)載很輕,這時所有的UPS都開動起來本身就是一個很大的能源浪費；另外就UPS的效率曲線而言，其效率與負(fù)載率成正比變化關(guān)系，負(fù)載率越低效率也越低。

UPS逐臺投入，后面就需要根據(jù)負(fù)載變化，在線擴容并機。在正常工作中，并機系統(tǒng)中多臺UPS分別承當(dāng)負(fù)載電流，其可靠性比承當(dāng)所有負(fù)載電流的單機系統(tǒng)高。

下面就不同負(fù)荷情況與UPS工作模式選擇，來分析下與運營成本的關(guān)系。

（1）數(shù)據(jù)中心部署初期，設(shè)備上線數(shù)量少，UPS負(fù)荷率低，因此UPS逆變器效率處于較低水平。在這種情況下，如何提高UPS負(fù)荷率成為重要問題。初期按照UPS 40%負(fù)荷率確定運行數(shù)量，隨著業(yè)務(wù)發(fā)展需求，IT設(shè)備負(fù)荷增加，UPS逐臺投入運行。

比如初期每個模塊機房部署100臺機柜，每臺機柜用電量為3KW。根據(jù)一般工商業(yè)電價計算每年度UPS電費成本，見下表：

IT設(shè)備初期低負(fù)荷情況下，兩組UPS設(shè)備及IT設(shè)備用電量為705.88KW，每年運營電費為494.68萬元。

如果初期部署，UPS容量按照2N方式配置,負(fù)荷計算如下表：

則相應(yīng)的UPS電費成本計算，如下表：

IT設(shè)備初期低負(fù)荷情況下，兩組UPS設(shè)備及IT設(shè)備用電量為666.67KW，每年運營電費為467.20萬元。與4臺UPS并機模式比較，每年節(jié)約電費為494.68-467.20=27.48萬元。

（2）數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備滿負(fù)荷情況，比如每個模塊機房部署滿了200臺機柜，每臺機柜用電量為3KW。根據(jù)一般工商業(yè)電價計算每年度UPS電費成本，見下表：

IT設(shè)備滿負(fù)荷情況下，兩組UPS設(shè)備及IT設(shè)備用電量為1333.33KW，每年運營電費為934.40萬元。

當(dāng)數(shù)據(jù)中心部署滿負(fù)荷正常運行時，為保證2N配置，兩組4臺UPS并機系統(tǒng)全部投入運行。這種情況下采用UPS熱待機休眠模式，既可以提高UPS負(fù)荷率，UPS全部在線又可以保證系統(tǒng)運行的安全性。IT設(shè)備滿負(fù)荷時，每組UPS運行2臺，另外2臺處于休眠狀態(tài)，負(fù)荷計算及電費成本計算見下表：

則相應(yīng)的UPS電費成本計算，如下表：

IT設(shè)備滿負(fù)荷情況下，兩組UPS設(shè)備及IT設(shè)備用電量為1276.60KW，每年運營電費為894.64萬元。與傳統(tǒng)4臺UPS并機全部在線工作模式比較，每年節(jié)約電費為934.40-894.64=39.76萬元。

由此可見，低負(fù)載情況下UPS設(shè)備的效率將會產(chǎn)生能源損耗，因此需要依據(jù)實際負(fù)荷水平進(jìn)行優(yōu)化工作模式。UPS系統(tǒng)的負(fù)荷水平盡量隨時保持在較高的水平，以達(dá)到提升UPS系統(tǒng)的運行效率并降低損耗的目的。

四、 UPS系統(tǒng)設(shè)計選型應(yīng)注意的問題

UPS的設(shè)計和選型對于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。市場上UPS品牌、類型眾多，按照運行方式一般分為雙變換式UPS、互動式UPS、后備式UPS。雙變換式為在正常運行方式下，由整流器/逆變器組合連續(xù)地向負(fù)載供電。當(dāng)交流輸入供電超出UPS預(yù)定允差時，UPS單元轉(zhuǎn)入儲能供電運行方式，由蓄電池/逆變器組合在儲能供電時間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS設(shè)計的允差之前（按兩者的較短時間），連續(xù)向負(fù)載供電。互動式為在正常運行方式下，由適合的電源通過并聯(lián)的交流輸入和UPS逆變器向負(fù)載供電。后備式為在正常運行方式下，負(fù)載由交流輸入電源的主電源經(jīng)由UPS開關(guān)供電。UPS供電方式通常分為單機工作、熱備份串聯(lián)、直接并機、模塊并機及雙母線（2N）方案。由于雙母線（2N）系統(tǒng)不存在單點故障，大大增加了數(shù)據(jù)中心供電可靠性，因此在大型數(shù)據(jù)中心廣泛應(yīng)用。在選型時除了考慮設(shè)備成本外，還應(yīng)考慮并機系統(tǒng)休眠功能、待命單機投入運行及各單機輪詢等技術(shù)指標(biāo)。

另外UPS能效分級運行模式也可以使其工作效率處于較優(yōu)狀態(tài)，我們可以根據(jù)不同情況進(jìn)行合理模式選擇。

第一級――“UPS級”綠色休眠節(jié)能模式。在輸入市電品質(zhì)很好的情況下，將市電通過UPS旁路直接供電給數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載，從而使整個UPS系統(tǒng)的供電效率高達(dá)驚人的99%，實現(xiàn)了“UPS基本不耗能”的節(jié)能降耗總目標(biāo)。在這一模式下，UPS內(nèi)部的整流器、充電器處于深度休眠，逆變器處于淺度休眠狀態(tài)，不僅基本不損耗電能，更使主功率器件處于休眠狀態(tài)，提高了這些UPS內(nèi)部核心部件工作的可靠性并延長其工作壽命。

第二級――雙變換工作模式。當(dāng)市電交流輸入電源的指標(biāo)超出預(yù)定的容限時，UPS立刻轉(zhuǎn)換到整流、逆變的雙變換模式，此時的UPS滿載工作效率通常在93%左右。

第三級――電池放電工作模式。當(dāng)市電的電壓與頻率超出了UPS整流輸入所允許的電壓與頻率范圍時，UPS將關(guān)斷整流器，進(jìn)入電池放電工作模式，此模式下UPS的滿載工作效率約94%。

通過上述的三級運行模式，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)中心機房輸入市電的品質(zhì)，可使UPS在90%以上的運行時間都工作在安全、節(jié)能的第一模式，保證了90％的時間內(nèi)UPS的效率達(dá)到99%。

五、結(jié)語

企業(yè)級大型數(shù)據(jù)中心，要求高等級、高可用、高可靠性。IT設(shè)備由UPS系統(tǒng)提供不間斷電源，UPS供電方案采用雙母線（2N）容錯系統(tǒng)，保證了數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電的安全可靠。由于UPS整流器、逆變器等元器件技術(shù)指標(biāo)的限制，導(dǎo)致UPS設(shè)備損耗電能，在負(fù)荷率低的情況下，逆變器效率明顯下降。因此在IT設(shè)備部署初期、部署中期和部署全部完成時，根據(jù)實際負(fù)荷變化情況，選擇不同UPS工作模式，從而優(yōu)化UPS的工作效率，可以大大降低數(shù)據(jù)中心的運營成本。

作者介紹：

孫杰 北京中油瑞飛資深架構(gòu)師，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心運維管理社區(qū)技術(shù)專家。