數據中心基礎設施工程師必知必會-冗餘篇

UPS能夠在應急突發情況下，将建築物的電力源分配到數據中心的關鍵負載。在每一個數據中心的供電保障系統中，UPS都扮演了不可或缺的角色。那麼數據中心的冗餘意味着什麼呢？常見的冗餘方式又有哪些呢？

一 數據中心容量“N”

1數據中心的冗餘

長期以來，許多設計工程師試圖創建完美的UPS解決方案，以支持關鍵負載。設計的工程師及制造商對于冗餘系統有多種名字，例如并聯冗餘、隔離冗餘、分布式冗餘、熱連接、熱同步、多并聯母線、系統加系統、捕集系統和隔離并聯等。這些術語的問題在于，它們對不同的人有不同的含義，可以用不同的方式解釋，但這些設計的名稱往往不一定能表明它們在可用性範圍内的位置。目前市場上的UPS冗餘方式最常用的有四種，包括:

1) 隔離冗餘；

2) 并行冗餘；

3) 分布式冗餘；

4) 雙系統冗餘。

下文，我們将會逐一介紹這四種冗餘系統。

2容量“N”的定義

容量“N”系統由單個UPS模塊或一組容量與臨界負荷匹配的模塊并聯組成。單一系統是目前UPS行業中最常見的配置。

圖1：容量為“N”的數據機房供電系統

3容量“N”的理解

設計容量為400kw的機房，無論配備一台400kw的UPS、還是兩台200kw的UPS并聯在一根公共母線上，都是N配置。N配置可以看作是為臨界負載提供保護的最低要求。大多數“N”系統配置，特别是100kw以下的系統，都是安置在建築物中，并不特别關心建築物中整體電氣系統的配置。

二 常見的幾種冗餘方式

1隔離冗餘

什麼是隔離冗餘？隔離冗餘有時被稱為“N 1”系統，然而，它與并行冗餘配置(也稱為“N 1”)有很大的不同。隔離冗餘設計概念不需要并聯總線，也不要求模塊必須具有相同的容量，甚至不需要來自同一制造商。在這種配置中，有一個主UPS模塊，通常為負載供電。“隔離”或“二級”UPS給主UPS模塊的靜态旁路供電。這種配置要求主UPS模塊有單獨的靜态旁路輸入。這是一種為之前的非冗餘配置實現冗餘的方法，而無需完全替換現有的UPS。

在正常運行場景下，主用UPS模塊承載全部臨界負荷，隔離模塊完全卸載。當主模塊負載轉移到靜态旁路時，隔離模塊将立即接受主模塊的全部負載。此方式必須仔細選擇隔離模塊，以确保它能夠如此迅速地承擔負載。如果無法快速承載，它本身可能會轉移到靜态旁路，從而破壞這種配置提供的額外保護。而且通常來說，這種配置帶來的可靠性收益往往被開關櫃和相關控制的複雜性所抵消。

圖2：隔離冗餘數據機房供電系統

隔離冗餘的優點：

✪ 靈活的産品選擇，産品可以與任何品牌或型号混合；✪ 提供UPS容錯功能；✪ 不需要同步；✪ 對于雙UPS系統冗餘來說，成本效益相對較高。

隔離冗餘的缺點：

✪ 依賴主模塊靜态旁路的正确操作，從備用模塊接收電力；

✪ 要求兩個UPS模塊的靜态旁路必須正常工作，以提供超過逆變器能力的電流；

✪ 當二次UPS支持多個主UPS配置時，開關設備變得複雜和昂貴；

✪ 由于二次UPS負載為0%，運行成本較高，需要抽電維持運行；

✪ 兩個模塊系統(一個主要，一個次要)需要至少一個額外的斷路器，以允許在電網和其他UPS之間選擇旁路電源。這比具有公共負載總線的系統更複雜，進一步增加了人為錯誤的風險。

2并行冗餘

什麼是并行冗餘？并行冗餘（同樣也稱為“N 1”配置）允許單個UPS模塊故障，而不需要将關鍵負載轉移到實用電源。這種配置是将多個相同大小的UPS模塊并聯到一個公共的輸出總線上。如果備用電量至少等于一個系統模塊的容量，則系統為N 1冗餘;如果備用電源等于兩個系統模塊，則系統為N 2冗餘。并聯冗餘系統要求UPS模塊的容量和型号相同。模塊的輸出是通過外部并聯闆進行同步的，或者在某些情況下，該功能嵌入UPS模塊本身。采用并聯冗餘設計的UPS模塊在正常運行情況下平均分擔臨界負載。當其中一個模塊從并聯母線上被移除時(或者如果它由于内部故障而被移除)，其餘的UPS模塊需要立即接受故障的UPS模塊的負載。這種能力允許任何一個模塊從總線上移除并進行修理，而不需要将臨界負載直連到電網。

圖3：并行冗餘數據機房供電系統

并行冗餘設計的優點：

✪ 因為如果其中一個UPS模塊故障，可以利用額外的容量；

✪ 與隔離冗餘相比，故障概率更低，因為斷路器更少，而且模塊一直在線(無階躍負載)；

✪ 可在功率需求增加時進行擴展。可以在同一個安裝中配置多個單元；

✪ 硬件布局概念簡單，成本效益好。

并行冗餘設計的缺點

✪ 兩個模塊必須是相同的設計，相同的制造商，相同的評級，相同的技術和配置；

✪ UPS系統上下遊仍存在單點故障；

✪ 在維護期間，如果服務超出單個UPS模塊的容量，負載可能暴露在無保護電源下。如果需要在并聯闆或并聯控制或下遊設備中提供服務，則負載将暴露在不受保護的電源下；

✪ 較低的操作效率，因為沒有單個設備的利用率是100%；

✪ 每個系統的單一負載總線，單一故障點。

3分布式冗餘

什麼是分布式冗餘？分布式冗餘配置，也稱為三冗餘，通常用于今天的大型數據中心市場，特别是在金融機構中。這種設計是在20世紀90年代末由一家工程公司開發的，旨在提供完全冗餘的能力，而不需要為此付出相應的成本。本設計的基礎采用三個或更多的UPS模塊，具有獨立的輸入輸出饋線。獨立的輸出母線通過多個pdu連接到臨界負載。在某些情況下，STS也用于此體系結構。從電網入口到UPS，分布式冗餘設計和雙系統設計(下一節将讨論)非常相似。兩者都提供了并發維護，并最大限度地減少單點故障。主要區别在于為臨界負載提供冗餘電源路徑所需的UPS模塊的數量。随着負載需求“N”的增加，UPS模塊節省的數量也随之增加。總的來說，分布式冗餘系統通常被用于需要并行維護且空間有限的大型多兆瓦安裝。

分布式冗餘設計的優點：

✪ 如果所有負載都是雙編碼的，則允許對所有組件進行并發維護；

✪ 與2(N 1)設計相比，UPS模塊更少，節省成本；

✪ 從任何給定的雙線負載的角度來看，兩條單獨的電源路徑從服務入口提供冗餘；

✪ UPS模塊、開關櫃和其他配電設備可以在不将負載轉移到旁路模式的情況下進行維護。

分布式冗餘設計的缺點：

✪ 與以前的配置相比，由于開關的廣泛使用，成本變得很高；

✪ 設計依賴于STS設備的正确操作，STS設備代表單點故障和複雜故障模式；

✪ 在擁有許多UPS模塊、許多靜态轉換開關和pdu的大型安裝中，很難保持系統負載均衡并知道哪個系統為哪個負載供電；

✪ 系統有許多操作模式和開關，使得人為的操作和檢修變得困難；

✪ 由于UPS正常運行低于滿負荷，存在效率低下的問題。

圖6：分布式冗餘數據機房供電系統

三 不同設計的可用性說明

1雙系統冗餘

什麼是雙系統冗餘？“系統 系統”、“隔離并聯”、“多并聯母線”、“雙端”、“2(N 1)”、“2N 2”、“[(N 1) (N 1)]”、“2N”都是對這種結構變體的命名。有了這種設計，現在可以創建獨立UPS系統，可能永遠不需要負載轉移到電網。這些系統可以設計成消除所有可能出現的單點故障。然而，消除的單點故障越多，實現這種設計的成本就越高。

大多數大型系統雙系統安裝UPS位于獨立的、特别設計的建築物。基礎設施支持空間(UPS、電池、冷卻、發電機、公用事業和配電室)的大小與數據中心設備空間相同甚至更大，這種情況并不少見。這是業界最可靠、最昂貴的設計。它可以非常簡單，也可以非常複雜，這取決于工程師的願景和業主的要求。

雖然這種配置已經有了一個名字，但設計的細節可能會有很大的差異，這同樣是在負責該工作的設計工程師的視野和知識中。如圖7所示，這種配置的2(N 1)變體圍繞着重複的并聯冗餘UPS系統。最理想的情況是，這些UPS系統将從獨立的配電闆，甚至從獨立的電網和可能獨立的發電機系統中供電。由于數據中心内部所發生的事情的重要性和操作停機的成本，建造這類設備的極高成本已經得到了證明。許多世界上最大的組織都選擇了這種配置來保護它們的關鍵負載。

圖7：雙系統冗餘數據機房供電系統

雙系統冗餘設計優點：

✪ 兩個單獨的電源路徑允許沒有單點故障，容錯率很高；

✪ 配置提供從服務入口到關鍵負載的完全冗餘；

✪ 在2(N 1)設計中，UPS冗餘仍然存在，即使在并發維護期間

✪ UPS模塊、開關櫃和其他配電設備可以在不将負載轉移到旁路模式的情況下進行維護，旁路模式将使負載暴露在非條件電源下

✪ 更容易保持系統的均勻負載，并知道哪個系統向哪個負載供電。

雙系統冗餘設計缺點：

✪ 大量的冗餘組件的數量，使得雙系統是成本最高的解決方案；

✪ UPS長期處于低效率運行狀态；

✪ 配電建築需要全新設計來适配UPS系統。

2其他的供電冗餘設計

傳統的服務器電源線，根據負荷分為10A和16A兩種，除了一些特殊定制産品以外，均采用IEC的标準接口（即C13、C19）。為實現服務器供電的可靠性，一般配置兩個電源接口，當一路斷電時，另外一路可獨立滿足供電需求。但在實際情況中，由于機櫃後部溫度較高、服務器風扇震動、運維人員操作不當等原因，會有一定概率導緻電源線脫落。

在此情況下，關鍵部位的配電故障事實上很難從設計上進行修改，所以我們大多會從更高的安全冗餘設計電源線來滿足需求（如下圖的突破電氣自鎖電源線）。

圖8：突破電氣自鎖電源線

突破電氣的服務器自鎖電源線具備以下特點：

✪ 自鎖設計牢固不脫落。在施加120N拉力的情況下都不會造成電源線脫落（産品的操作位置處于插頭尾部，插入拔出時不會對電源或其他理線産生幹擾）；

✪ 降低成本、節省人工。由于電源線變的足夠可靠，不需要再預留線長，電源線長度可縮短了一倍甚至更多。另外，電源線不需要理線及使用尼龍繃帶固定，從而節省了大量人工成本；

✪ 櫃内電源排布更加簡單、清晰，提高空氣流動效率，降低空調使用率。傳統電源線密布在機櫃内，産生熱量的同時阻礙了機櫃内空氣的流動，降低空調使用效率。自鎖電源線的應用，使得機櫃上架變得更加簡單，櫃内的電源排布更加清晰，提高空氣流動效率，提升散熱水平。