數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵性和冗余性

　　數(shù)據(jù)中心通過確保電力永不中斷來確保持續(xù)正常運(yùn)行和可用性。但如果電網(wǎng)中斷或電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，設(shè)施如何維持 IT 負(fù)載?

　　全球大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都使用不間斷電源和備用柴油發(fā)電機(jī)，當(dāng)檢測到電網(wǎng)斷電時(shí)，備用柴油發(fā)電機(jī)就會(huì)啟動(dòng)。接下來，讓我們深入了解不間斷電源技術(shù)及其如何確保負(fù)載的可用性。

　　不間斷電源 (UPS) 位于公用電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心之間，為設(shè)施提供電力。電力來源可以是電網(wǎng)本身，也可以是在電網(wǎng)中斷的情況下，由可短時(shí)間向設(shè)施供電的本地能源提供。

　　根據(jù)其能源來源，UPS 分為兩類 - 靜態(tài)式和旋轉(zhuǎn)式。顧名思義，旋轉(zhuǎn) UPS 系統(tǒng)將能量存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)飛輪中，飛輪充當(dāng)發(fā)電機(jī)，在需要時(shí)將電力輸送回?cái)?shù)據(jù)中心。靜態(tài) UPS 系統(tǒng)使用電池。后面，我們在繼續(xù)探討靜態(tài)和旋轉(zhuǎn) UPS 系統(tǒng)的比較特性。

　　目前，了解 UPS 系統(tǒng)制造商如何表示和命名其產(chǎn)品非常重要。

　　IEC UPS 標(biāo)準(zhǔn)

　　IEC 62040-3：UPS - 指定性能和測試要求的方法是一種標(biāo)準(zhǔn)，可確保供應(yīng)商使用相同的命名約定，幫助用戶根據(jù)其需求選擇最佳產(chǎn)品，并提供性能驗(yàn)證的測試要求。

　　由于 UPS 為設(shè)施提供電力，因此其輸出性能通過三種方式來衡量：

　　輸入依賴性 (AAA) - 輸出電壓取決于輸入電壓的質(zhì)量。輸入依賴性有三種分類

　　輸出電壓波形 (BB) - 以兩個(gè)字符表示。第一個(gè)表示在正常模式下(使用公用電源)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形，第二個(gè)表示在儲(chǔ)能模式下(來自電池)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形：

　　低總諧波失真 (THD) 正弦波 - 用 S 表示

　　中等總諧波失真 (THD) 正弦波 - 用 X 表示

　　非正弦波，用 Y 表示。

　　輸出電壓波形有 9 種可能的組合，但最常見的兩種類型是正弦 (S) 和非正弦 (Y)。幾乎所有額定功率高于 2kVA 的 UPS 都標(biāo)記為 SS，而額定功率低于 2kVA 的 UPS 通常標(biāo)記為 SY。

　　動(dòng)態(tài)輸出性能 (CC) - 動(dòng)態(tài)輸出性能表示操作模式改變時(shí)發(fā)生的輸出電壓變化 - 即從電網(wǎng)切換到電池(第一個(gè)字符)以及系統(tǒng)負(fù)載增加或減少時(shí)(第二個(gè)字符)這些電壓波動(dòng)分為三類：

　　操作模式

　　許多不間斷電源可以在幾種正常模式下運(yùn)行，這些模式按照 IEC 標(biāo)準(zhǔn)具有不同的輸出性能特性。

　　雙轉(zhuǎn)換在線式UPS在正常模式下具有VFI輸出性能，在高效正常模式下具有VFD輸出性能。本質(zhì)上是在輸出獨(dú)立性和UPS能耗之間進(jìn)行了權(quán)衡。

　　主要有三種操作模式：

　　正常模式 - UPS 使用交流輸入電源(公用設(shè)施)向負(fù)載供電，并且儲(chǔ)能裝置(電池/飛輪等)已連接并正在充電或已充滿電。

　　高效正常模式 - UPS 將電力從交流輸入電源直接推送到負(fù)載，以提高效率。

　　儲(chǔ)能模式 - 由于交流輸入電源出現(xiàn)斷電或超出允許的電壓或頻率范圍，UPS 使用其儲(chǔ)能裝置(電池/飛輪)為負(fù)載提供直流電。

　　UPS的雙重作用

　　UPS 在設(shè)施中的作用不僅是在斷電時(shí)保持 IT 負(fù)載正常運(yùn)行，而且還要從其儲(chǔ)能設(shè)備提供高質(zhì)量、清潔的直流電。電網(wǎng)和公用事業(yè)會(huì)受到多種電能質(zhì)量問題的影響，這些問題源于燃料組合、使用年限和地理位置。UPS 可以“清理”電源以消除這些問題。

　　IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 1100-2005 為商業(yè)界和電力行業(yè)在提及電能質(zhì)量問題時(shí)提供了一個(gè)通用的命名法，并根據(jù)正弦波的形狀將其分為七類：

　　短暫的

　　中斷

　　欠壓

　　過壓

　　波形失真

　　電壓波動(dòng)

　　頻率變化

　　瞬變

　　瞬變是最具破壞性的電能質(zhì)量問題類型，根據(jù)其發(fā)生方式，瞬變可分為兩類 - 脈沖和振蕩。

　　脈沖瞬變是一種突然的高峰值事件，可提高電壓和/或電流。脈沖瞬變的例子包括雷電(以及隨之而來的電磁場)、ESD(靜電放電)和接地不良。

　　簡單來說，振蕩瞬變是一種瞬變，它會(huì)導(dǎo)致電源信號迅速上升然后迅速下降。這通常發(fā)生在關(guān)閉電感或電容負(fù)載時(shí) - 想象一下剛剛關(guān)閉的旋轉(zhuǎn)電機(jī) - 當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)減速時(shí)，它就像發(fā)電機(jī)一樣產(chǎn)生電流，并推動(dòng)電流通過更寬的電路，直到停止。

　　中斷

　　中斷是指電源電壓或電流的完全丟失。根據(jù)中斷時(shí)間長度，可將其分為瞬時(shí)中斷(0.5 至 30 個(gè)周期)、短暫中斷(30 個(gè)周期至 2 秒)、暫時(shí)中斷(2 秒至 2 分鐘)或持續(xù)中斷(超過 2 分鐘)。

　　欠壓

　　電壓暫降本質(zhì)上是指交流電壓在給定頻率下持續(xù) 0.5 個(gè)周期至 1 分鐘的下降。電壓暫降通常是由系統(tǒng)故障或啟動(dòng)電流很大的設(shè)備(如大型空調(diào)機(jī)組)引起的。

　　欠壓是長期問題導(dǎo)致電壓驟降的結(jié)果。術(shù)語“電壓下降”通常用于描述這種情況，欠壓會(huì)導(dǎo)致非線性負(fù)載(如計(jì)算機(jī)電源)故障，并可能導(dǎo)致電機(jī)過熱。

　　電壓驟升和過壓

　　突升與突降相反，突升是指交流電壓在 0.5 個(gè)周期至 1 分鐘的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)上升。突升的常見原因是三相系統(tǒng)中突然出現(xiàn)大量負(fù)載減少和單相故障。

　　與欠壓一樣，過壓也是長期問題導(dǎo)致電壓驟升的結(jié)果。持續(xù)的過壓情況會(huì)因?yàn)轭~外電壓的壓力而增加設(shè)備的發(fā)熱量，從而對數(shù)據(jù)中心空間造成極大損害。

　　波形失真

　　此類別包括正弦波中存在的所有失真，并進(jìn)一步分類如下：

　　a. 直流偏移 - 當(dāng)直流電流被引入交流配電系統(tǒng)時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況 - 最常見的原因是大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用的當(dāng)前交流到直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的整流器故障。

　　b. 諧波 - 表示基頻正弦波在頻率為基頻倍數(shù)時(shí)發(fā)生失真 - 120Hz 是 60Hz 基頻的 2 次諧波。其影響包括變壓器過熱、斷路器跳閘和同步丟失。

　　電壓波動(dòng)

　　電壓波動(dòng)本質(zhì)上是電壓波形的系統(tǒng)性變化，變化幅度較小 - 頻率較低(通常低于 25Hz)，約為標(biāo)稱電壓的 95% 至 105%。

　　頻率變化

　　這是穩(wěn)定的公用電力系統(tǒng)中極少發(fā)生的電能質(zhì)量問題。對于電力基礎(chǔ)設(shè)施較差且發(fā)電機(jī)負(fù)荷較重的數(shù)據(jù)中心站點(diǎn)而言，這確實(shí)是一個(gè)問題。

　　話雖如此，IT 設(shè)備具有頻率耐受性，不會(huì)受到所連接動(dòng)力系統(tǒng)頻率的微小變化的影響。然而，頻率變化可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)得更快或更慢(具體取決于輸入功率)——這將影響其使用壽命和性能。

　　所有上述詳細(xì)問題的解決方案都是由不間斷電源來實(shí)現(xiàn)的，它從公用事業(yè)公司獲取交流電，用它為其儲(chǔ)能設(shè)備充電，然后向 IT 大廳提供干凈的正弦波和高質(zhì)量電源。

　　通過切換機(jī)制，即使在電網(wǎng)長時(shí)間斷電的情況下，UPS 也能保持電池充電并隨時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)行，而不會(huì)對 IT 負(fù)載或 IT 設(shè)備產(chǎn)生影響。

　　冗余、關(guān)鍵性和“N”

　　我們現(xiàn)在了解了設(shè)施如何避免電力中斷，但如果設(shè)施中的設(shè)備本身出現(xiàn)故障怎么辦?這就是 UPS 系統(tǒng)冗余發(fā)揮作用的地方。

　　一個(gè)能夠提供IT負(fù)載所需的滿負(fù)載而僅此而已的UPS系統(tǒng)用“N”表示，其中的能量由N個(gè)子系統(tǒng)或組件提供。

　　“N+1”系統(tǒng)有一個(gè)附加組件，旨在支持單一故障或任何其他組件所需的維護(hù)。2N 代表完全冗余的鏡像系統(tǒng)，具有兩個(gè)完整、獨(dú)立的分發(fā)系統(tǒng)。

　　它們完全獨(dú)立，互不依賴，這意味著即使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，另一個(gè)系統(tǒng)也可以安全地處理負(fù)載。UPS 是防止斷電和停機(jī)的第一道防線。首先，它調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和凈化交流電，將其轉(zhuǎn)換為直流電，以備 IT 設(shè)備使用;其次，它糾正了困擾任何電網(wǎng)的大量質(zhì)量問題。

　　不存在一種適合所有情況的 UPS 設(shè)計(jì) - 所有者和運(yùn)營商需要通過衡量 IT 負(fù)載和環(huán)境、業(yè)務(wù)目標(biāo)和預(yù)算等因素來仔細(xì)考慮他們的要求。