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UPS基础知识概论
作者:佚名            来源:             发布时间: 2014-08-19
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全面解读不间断电源系统,解答您感兴趣却惮于询问的一切UPS问题。

Chris Loeffler

分布式电能质量业务部BladeUPS和数据中心解决方案产品经理

Ed Spears

伊顿公司伊顿电能质量解决方案产品经理

综述

  如何更好地制定电力预算、获得充足的电力供应并寻找节能降耗的有效方法是数据中心运营商经常讨论和关注的话题之一。但是遗憾的是,确保IT资源获得清洁、可靠的电力供应虽然事关重大,此问题却往往被忽略或被置于次要位置。

  事实上,电压骤降、浪涌和断电问题不仅不容易避免,还极有可能破坏重要的IT设备,让生产直接陷于停顿。因此,规划并部署一个强大的电力保护解决方案至关重要。

  在所有设计精良的电力保护基础架构中,不间断电源系统(UPS)都是最核心的组件。本白皮书全面介绍了什么是UPS,目前存在哪些类型的UPS,以及如何根据您本身的具体需求选择适用的UPS和相关配件。

电力保护为何如此重要?

  对于任何一个企业,如果不采取保护措施来防止电源问题对IT资产造成破坏,企业将面临难以承受的惨重损失。以下是其中的几个原因:

  ●  即使是瞬时停电也将导致严重后果。短至四分之一秒的停电也会引发中断事件,导致IT设备长时间不可用,持续时间从15分钟到几小时不等。设备停机的成本代价不菲。某些专家认为,美国经济每年因断电和其他电力干扰而导致的损失高达2000亿到5700亿美元。

  ● 公用电力并不是清洁能源。按照法律,各种电源的电力质量允许有差别,有时这种差异足以对IT设备产生重大损害。例如,按照现行的美国标准,在无条件规范之下,法律允许电压出现5.7到8.3%的偏差。这就意味着,如果电力公司承诺提供208相电压,他们实际提供的电压可能在191至220伏之间。

  ● 公用电力并非百分百可靠。在美国,公用电力的可靠性最高只能达到99.9%,也就是说公用电力系统每年可能发生9小时的断电。

  ●  问题和风险在加剧。当今的存储系统、服务器和网络设备使用的组件采用高度模块化配置,因此即使是早期设备很容易承受的电力问题也会导致这些现代设备发生故障并彻底瘫痪。

  ● 发电机和浪涌抑制器不敷所需。发电机虽然可以在断电期间继续保持系统持续运行,但发电机的启动速度较慢,而且无法有效抵御电力尖峰和其他电力干扰问题。浪涌抑制器虽有助于应对电力尖峰,但对于电力损耗、电压不足和电力限制等问题却无能为力。

  ● 在当今时代,可用性是至上王道。过去,IT在企业中仅发挥辅助和支持作用,但如今,对多数公司而言,IT系统的强弱已成为决定企业竞争优势和运营成败的核心要素。如果IT系统瘫痪,企业的核心业务流程也将很快陷于停顿。

  ●  虽然可用性至关重要,但还必须控制电力成本。近年来,供电和制冷成本已呈失控之势。通常,数据中心经理既负责确保高可用性,同时也负责控制和降低电力成本。高效的UPS系统可帮助他们达成这一目标,而且现在的产品种类繁多,与几年前产品稀缺的状况已大不相同。

什么是UPS?

  简而言之,UPS是这样一种设备:

1. 在公用电力因故障停止供电时提供备用电源,持续时间长短不一,既可保证关键设备平稳停机,以防止数据丢失,也可使必要负载持续运行,直到发电机启动并开始发电。

2. 调节输入的电力,防止普通的电压骤降和浪涌问题损坏敏感的电子装置。

UPS主要分为哪几类?

  UPS主要分三种,也被称作UPS拓扑:

单变换系统

  在正常状态下,这些系统负责将输入的市电AC电源馈送到IT设备。如果AC输入电源超出了预定限制,UPS将利用其逆变器从电池获取电流,并切断AC输入,以防止发生从逆变器向市电的反向供电。在AC输入恢复正常容限或电池电力耗尽(不管哪个在前)之前,UPS将一直保持电池供电。最常见的两种单相转换UPS设计是后备式和在线互动式UPS:

  ●  后备式UPS允许IT设备脱离市电而运行,直到UPS发现问题,这时它将切换到电池供电。某些后备式UPS设计采用了变压器或其他设备来提供有限的功率调节。

  ●  在线互动式UPS可根据需要上下调整输入市电电压,然后再将其提供给受保护的设备。但是,与后备式UPS一样,这种UPS也是利用电池来防范频率异常问题。

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  图1:在线互动式UPS的内部设计

双变换系统

  顾名思义,这些设备将对电源进行两次转换。首先,一个输入整流器将把AC电源转换为DC电源,并将其输入到一个输出逆变器。然后输出逆变器将电源处理后再将其转换为AC电源,最后将其提供给IT设备。这一双变换过程将关键负载与原始市电供电完全隔离,从而确保IT设备只获得清洁、可靠的电力。

  在正常状态下,双变换UPS系统将连续进行双变换处理。但是,如果AC输入电源超出预定限制,输入整流器将关闭,然后输出逆变器开始从电池获取电流。在AC输入恢复正常容限或电池电力耗尽(不管哪个在前)之前,UPS将一直保持电池供电。如果逆变器出现严重过载,或整流器或逆变器发生故障,静态开关旁路路径将快速开启,为输出负载提供支持。

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  多模式系统

  这些系统融合了单相转换和双变换技术的特点,同时在效率和可靠性方面实现了巨大提升:

  ●  在正常状态下,系统以在线互动模式运行,不但能够节约能源和成本,还能将电压保持在安全容限范围之内,并解决市电供电过程中出现的常见问题和异常。

  ●  如果AC输入电源超出了在线互动模式的预设容限范围,系统将自动切换到双变换模式,将IT设备与输入的AC电源完全隔离。

  ●  如果AC输入电源超出了双变换整流器的容限范围,或完全断掉,UPS将利用电池供电,保持其支持的负载持续运行。在发电机启动之后,UPS将切换到双变换模式,直到输入电源稳定下来为止。然后系统将切换回高效的在线互动模式。

  多模式UPS的设计目的是在效率和保护功能之间实现理想的动态平衡。在正常状态下,这些系统都能保持最高效率。但是,一旦发生故障,他们就会自动牺牲部分效率来确保最高级别的系统保护。因此,数据中心在不影响自身性能或可靠性的前提下每年可实现价值几十万美元的节能降耗。

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  图3:多模UPS的内部设计

应如何根据工作需要,选择适合的UPS?

  为了确保您始终能够根据您的需求,选择适合的UPS,您就需要在选择过程中考虑以下八个问题:

拓扑结构

  首先要考虑的问题就是,您究竟应该部署单变换UPS、双变换UPS,还是多模UPS?答案主要取决于对您的机构来说,能效相对于电源保护的重要程度。

  单变换UPS的效率高于双变换UPS,但电源保护能力稍差。因此,它们适用于对故障有较高容许度的负载。更具体来说,备用UPS(最基本的单变换UPS类型)通常是较小应用,如台式机和销售终端解决方案等的最佳选择,而在采用相对可靠的交流市电的机构中,则通常会为小型服务器、存储和网络应用配备在线互动式UPS。

  双变换UPS提供最高电源保护性能,但效率较低,一般是保护关键任务系统的标准选择。

  多模式UPS尽管价格要比单变换UPS系统和双变换UPS系统高出很多,但却最适用于希望在效率与电源保护能力间达到最佳平衡的公司使用。

单相还是三相?

  市电发电是三相电。这类电力提供给几乎所有的商业及工业客户,他们一般都会大规模用电。三相电使用三条独立"相"线,能够为单一地点或负载提供更高功率。而大多数居民房屋则只能获得单相电,因为家庭用户通常耗电量较低。市电三相电系统使用变压器输出单相电,单相电通过一条或两条相线供电。

  对于kVA要求低、较为简单的小型应用来说,单相UPS是一个明智、经济的选择,这些应用常见于计算功率低于20,000 VA的家庭、小型企业以及远程或卫星办公室。三相UPS通常适用于高kVA应用,这些应用一般较为复杂,且计算密度高。保护大功率流程的大型多层建筑、数据中心和工业设施是典型的三相UPS用户,这是因为他们需要将大量电力配送至相对较远的距离。

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  图4:三相电发电并配送到大型商业客户,而居民房屋等次要客户则只获得单相电。

额定容量

  UPS的额定容量是设计支持的负载量,单位为伏安(VA),最低额定容量为300 VA,而最高额定容量可高达5,000,000 VA甚或更高。利用这个非常基本的流程,确定您的机构大致所需的UPS额定容量:

1. 列出您的UPS将要保护的所有设备。

2. 确定列表中每个设备的所需电压和电流分别为多少伏特和安培。

3. 将每个设备的电压与电流值相乘,得出VA值。

4. 将所有设备的VA值相加。

5. 将总VA值乘以1.2,以作为预留发展空间。

  除非您有针对所保护设备的更精确负载数据,否则您所购买的UPS的额定容量应等于或大于上面第5步计算出的最终结果。以下是另一些您需要牢记在心的考虑因素:

  ●  仅依靠铭牌额定值,会导致您构建的UPS系统容量过大,因此如可行,请尽量使用设备生产商的容量规划计算工具。大多数生产商都提供在线或可下载容量规划工具,能够根据您所使用的配置,贴近实际地估计您的设备的功率需求。

  ●  部署一个集中式电源保护架构时,与采用分布式电源保护机制相比,通常需要部署容量较大的UPS。

  ●  如果您的UPS将支持电机、无极变速传动或激光打印机,则应在您原本的需求基础上增加VA容量,以便支持这些设备启动时所需的突发高功率。您的UPS供应商应帮助您为这些应用类型确定容量、选择适当UPS。

  ●  预计近期或中期会有迅速发展的公司,在采用以上流程构建UPS系统时应该使用高于1.2的倍数来计算,预留未来扩展空间。尤其是当机构期望很快升级服务器硬件时,因为较新服务器的电源供给要求通常高于较早型号,所以需要特别注意。

外形

  UPS有各种外形,主要分为两类:机架安装式和立式。超大容量的UPS是没有机架安装式的,所以有巨大功率需求的公司一般都会使用立式UPS。对于需求相对较低的公司,选择机架安装式还是立式UPS,主要取决于数据中心设计理念。一些机构使用机架安装式UPS,以便尽可能在机箱中整合最多的硬件。而另一些机构则希望将机架空间最大程度地用于安放服务器,所以使用立式UPS。从技术和经济的角度,两种方法各有千秋,不分上下。

可用性特性

  机构可利用各种部署选项、技术与服务,来提高电源保护解决方案的可靠性。以下是部分最有效的措施:

  冗余部署架构:以冗余设备群形式部署UPS,能够提高可用性,即便一个或多个UPS发生故障,也能确保关键负载仍能获得保护。冗余UPS架构有三种主要类型:

  ●  分区:在分区架构中,一个或多个UPS为一个特定数据中心资源集提供专用支持,藉此,如果断电期间,一个UPS发生故障,则只有该设备支持的分区会受到影响,其它分区无影响。

  ●  串行:在串行架构中,多个UPS端到端连接,因此如果串行连接的UPS之一发生故障,其它UPS会自动补偿。

  ●  并行:并行架构使用多个独立并联UPS来提高冗余性。如果某个UPS彻底瘫痪,其它UPS系统仍能保证所保护的信息技术设备(ITE)负载正常运行。

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  图5:分区保护使用独立受保护"分区",并可能采用虚拟化软件,在故障或维护时,将负载转移到其它分区。每个分区都有自己的60kW UPS系统。

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  图6:如果支持负载运行的UPS发生故障,串行(级联)UPS架构将更换供电路径

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  图7:并行UPS系统都馈电到输出总线,因此如果任意单个UPS模块发生故障或进行维护,都可隔离。并行系统应相互同步,分担负载。

  热插拔组件:技术人员不必为UPS断电,就能维修或管理使用热插拔组件的UPS,因此降低了IT设备发生停机的风险。

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  图8:借助热插拔电池模块,能够在保护负载设备的同时,进行维修工作。

  延长电池运行时间:一般来说,典型UPS电池能够提供5到15分钟的备用电。需要更出色供电能力的机构,可使用附加外部电池模块或机柜,提供长达数小时的满载紧急运行时间。

  电池管理:UPS系统最重要的部件之一,就是储能系统,通常是一块电池。许多UPS系统频繁为电池"连续充电",这很可能降解电池的内部化学成分,缩短电池寿命。用于大功率(超过500kVA)UPS系统的大型铅酸蓄电池组需要连续充电,而相形之下,当前较低kVA UPS中使用的大多数防溢电池(VRLA,参见下面的"UPS储能"部分)则能受益于一种充电器会关闭、使电池"休息"的充电技术。一些生产商已将此充电技术命名为高级电池管理技术。该技术能够将电池寿命延长多达50%。利用此技术的电池持续使用时间更长,也更可靠,这主要是因为此UPS系统采用了三段式充电技术、先进的传感电路,以及一个电池自动检查程序,当发现电池状况恶化,需要更换时,会通知最终用户。

  远程监控:解决UPS问题的最佳方法,就是从根源上杜绝它们的发生。远程UPS监控应用能够持续监控提示未来问题的报警信号,如性能降低或电池过热等,并在潜在问题正在形成时,就发送实时通知。藉此,技术人员能够在严重故障发生前就进行维修,从根本上杜绝它们。数据中心可以自行进行远程监控,也可与外部供应商签署合同,由外部供应商提供远程监控服务。

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可扩展性和模块化

  部署一个强大的电源保护解决方案需要花费时间与金钱。为使此项投资能够发挥最大价值,公司应在比较各UPS可选产品时,估计公司在未来三到五年中的需求。如果您在这一时段内,功率需求有可能激增,则需选择相应较大容量的UPS硬件。

  需求波动或未来需求难以预测的数据中心可以采用两个战略,来提高其UPS部署的可扩展性:

  ●  并行部署UPS:并行UPS架构能够同时提高可扩展性和冗余性。当功率需求增加,机构只需在现有UPS系统中添加更多UPS单元,而不必将当前设备更换为新系统。

  ●  采用模块化UPS产品:部分较新的UPS采用模块化设计,允许您随需求增长而逐步添加容量。例如,一些此类UPS系统在适用于标准设备机架的12kW模块中,提供高达50或60 kW的容量。随需求提高,只需插入另一12 kW模块即可。甚至最大规模的UPS系统也可采取模块化结构,以200到300 kW为增量。这是一种便于扩展且极为高效的方法,既能支持逐步提高的功率需求,又能降低前期投资,节省数据中心空间。

软件与通信

  即使配备UPS,倘若断电时间延长,或者UPS长时间超负荷运行的话,您的IT系统仍将出现故障。通信软件不仅能够实时通知UPS状态,还能在发生电力事故时自动执行您所分配的操作。如果您的系统持续运行而无人在现场手动关闭受影响设备,那么这一点将十分有益。

  在过去20年中,大多数UPS系统都装有可用信号通知一个或多个服务器交流电源已中断,UPS正依靠蓄电池运行的软件。假使交流电源未得到恢复而蓄电池能量消耗殆尽,该软件则会关闭所有已开启的应用以防数据丢失。当交流电源得到恢复时,该系统又会自动重启并回复到之前的状态。该解决方案最初施行于受单一UPS保护的小型个人电脑服务器,而后转用于拥有大量操作系统的更大系统。通信由RS232串行端口或通过继电器连接至过于简单化的控制端口而建立。

  随着IT系统的规模和数量变得越来越大,串行通信(无论是RS232端口还是通过USB端口)被基于网络的通信所取代,以实现UPS与多个服务器之间的通信。在这类装置中,UPS被分配以属于自己的网络IP地址,由其供电的所有服务器都能够远程访问它,因此可以给每台服务器编制关闭或监视UPS电力问题的程序。

  随着网络和UPS通信硬件与软件愈发复杂化,电源管理软件开发出其它自动化功能,包括通过电子邮件、传呼机、短信服务(SMS)等进行远程通知的功能,用于生成报告、趋势分析的数据积累功能,以及在停止服务器操作系统之前关闭数据库或程序的复杂脚本编程功能等等。拥有所有这些进步功能的该典型装置由带有单一操作系统的服务器组成,每台服务器上运行着单一的应用。

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  图10:若断电时长将超出UPS蓄电池容量可支持的范围,那么典型UPS电源管理软件可自动正常关闭相应服务器。

  虚拟化带来了一系列新的复杂性,因为操作系统与物理硬件之间的联结不再被作为标准。部分UPS软件供应商必须确保每台虚拟机和主机上都装有关机软件。如果虚拟机数量众多,这将会十分麻烦,而虚拟机数量多正逐渐成为许多虚拟化环境下的标准。前沿UPS制造商已开发出新的软件平台,通过将软件集成到虚拟化管理平台,如VMware的vCenter?或Citrix XenCenter?降低管理复杂性。在这些环境中,仅安装一个单一的软件便可控制和关闭任何服务器集群。另外一个优势在于,一旦发生断电,虚拟机可自动进行实时迁移,因为您不再受到选择关闭服务器和停止操作系统的限制。该集成使业务连续性得以实现,不仅适用于vCenter,也适用于Microsoft SCVMM或Citrix XenCenter。

  总结:合理、完善的电源管理应用可帮助企业:

  ●  从有互联网接入的任何地点监视和管理其UPS

  ●  自动将报警或警告通知给有关人员

  ●  有序地自动关闭连接设备,甚至协同虚拟化软件迁移虚拟机,以保证关键应用和硬件的最高可用性

  ●  有选择地关闭非关键系统,节约运行时间

  ●  分析趋势或制作趋势图表,未雨绸缪

  ●  通过开放式标准和平台与现有网络和管理系统集成

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  图11:在此例中,UPS管理软件插入VMware vCenter管理员控制台,使IT管理员能够在与其IT管理任务相同的系统中查看并管理UPS相关事件或报警。

服务

  通过适当维护,一台制造精良的UPS可安全可靠地运行20年之久。若不经过适当维护,即使最好的UPS也大有可能在最为关键的时刻出现故障。因此,需要购买UPS硬件的公司也应当从经验丰富、拥有相关知识技能和资源以提供全面、高品质支持的服务供应商那里选择适当的UPS服务计划。我们的《选择UPS服务计划白皮书》将为您提供有关为系统选择适当服务的更多内容,网址:www.eaton.com/pq/whitepapers。

我需要何种UPS配件?

  一套完整的电源保护解决方案往往不仅仅包括一台UPS而已。此处提供了几种值得考虑的配件。

UPS储能器

  大多数电源保护解决方案从密封式蓄电池(又称"阀控式铅酸蓄电池"或"VRLA蓄电池")或者富液式蓄电池(又称"排气式铅酸蓄电池"或"VLA蓄电池")中获得应急后备电源。密封式蓄电池价格相对便宜,但使用周期短。富液式蓄电池一般需要专业安装和维护。哪种蓄电池更适合您基本上取决于您是否愿意预先在蓄电池上花费更多成本,以免今后时常更换。

  虽然铅酸蓄电池技术成熟可靠,非常适用于要求严苛的数据中心,但它们也很笨重。不仅如此,由于铅酸蓄电池内含有毒化学物质,所以其处理过程昂贵且存在严格规定。因此,越来越多的公司在使用铅酸蓄电池的同时,辅以替换的后备电源,如飞轮。飞轮是一种机械装置,通常安装于大型转盘周围。正常运行过程中,电源带动转盘飞速旋转。发生断电时,转盘自身依靠惯性持续旋转,所产生的直流电源可供UPS作为应急能源使用。随着UPS消耗该电源,转盘逐渐失去动量,产生的能量越来越少,直至完全停止转动。

  在有利方面,飞轮是比铅酸蓄电池更加轻巧、易于维护、无危险性且环保的物质。在不利方面,其所提供的后备电源往往仅能维持30秒。然而,研究表明95%以上的供电中断只会持续几秒钟,因此在短暂断电时使用飞轮辅助蓄电池不仅能节约数据中心占地面积,降低维护成本,而且还能通过减少铅酸蓄电池的使用以延长其寿命。

发电机

  供电发生故障时,UPS留有几分钟时间让您正常关闭服务器。然而,近来许多企业都无法承担供电恢复之前数小时甚至数天无法使用IT系统所带来的损失。这些企业的电源保护架构中几乎少不了发电机。相对于UPS提供短暂的应急供电而言,发电机则可依靠柴油令任何地点的IT系统运行10分钟甚至一周以上的时间。

  选择发电机时,其额定容量应是UPS额定容量的1.25至3.0倍。选型过程应该考虑诸多因素,包括UPS设计、发电机和燃料类型等,因此建议您从UPS和发电机制造商处获取专家建议。

  此外,应确保留有足够多的柴油储备,以延长数据中心运行。如果断电时间延长,当地柴油将很快供不应求。

配电单元

  配电单元(PDU)将电力分配至下游ITE负载设备,是任何电源品质基础设施的基本组件。大多数公司既使用为服务器机架提供主配电的落地式PDU,也使用为单独的服务器及其它装置配电的机架式PDU(又称ePDU)。PDU也可配置浪涌抑制、独立断路器(支路)监视系统等可选装置,以监视能源使用情况。

结论

  当今企业在IT基础设施及维持该设施运行的所需电源方面投入重金,依靠这项投资来维持其生产力和竞争力。IT基础设施是否具备抵御电力跌落、尖峰或中断的能力,这一点不容忽视。

  一套构建良好的电源保护解决方案以优质、高效的UPS硬件为特色,能够保障业务应用的可用性,电力成本的易管理性与数据安全性。通过熟悉何为UPS以及如何根据自身需要选择适当的UPS,数据中心操作人员能够确保任务关键型系统始终拥有实现长期性成功所需的清洁、可靠的电力。

作者介绍

  现任伊顿公司产品经理的克里斯-莱夫勒(Chris Loeffler)先生,主要负责数据中心电源解决方案和服务。他在UPS行业拥有19余年的从业经验,主持过20多台用于数据中心和工业领域的UPS产品的管理工作。莱夫勒先生在伊顿历任不同职位,包括在维护工程、应用工程、程序管理以及逾10年的产品管理方面的任职。莱夫勒先生已创作出版多篇刊物文章,撰写过多篇有关数据中心能源效率、虚拟化和云计算领域的白皮书。同时,他还写过多篇有关数据中心和工业应用领域使用的多种UPS拓扑结构方面的文章。可发送电子邮件至 ChrisALoeffler@Eaton.com 与他取得联系。

  伊顿电源品质解决方案组织位于北卡罗来纳州罗丽市,现任其产品经理的埃德-斯皮尔斯 (Ed Spears)先生从事电源系统行业已有30年之久,他不仅在UPS系统测试、销售、应用工程与培训方面拥有丰富的经验,而且担纲针对电信、数据中心、有线电视、公用宽带网络的电源品质设计与营销工作。可发送电子邮件至 EdSpears@Eaton.com 与他取得联系。

 
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