隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的不斷發(fā)展，大型、高密數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生，而大型數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的耗電量也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(jí)數(shù)據(jù)中心可靠性99.995%，平均每年只能有48分鐘故障時(shí)間，服務(wù)中斷時(shí)間小于24分鐘，UPS 電池最少滿(mǎn)負(fù)載備份時(shí)間（需要有發(fā)電機(jī)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(lái)持續(xù)保障業(yè)務(wù)的正常運(yùn)營(yíng)。UPS工作時(shí)整流器和逆變器都會(huì)產(chǎn)生功率損耗，例如電價(jià)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(fèi)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(yùn)營(yíng)成本的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

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

對(duì)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(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可分為T(mén)ier-4級(jí)、Tier-3級(jí)、Tier-2級(jí)和Tier-1級(jí)。Tier-4級(jí)供電系統(tǒng)是由兩路UPS所組成的2N型供電系統(tǒng)來(lái)向IT設(shè)備供電，它能確保負(fù)載”永不停電”，具備故障容錯(cuò)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(jí)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(lái)向IT設(shè)備供電，它使負(fù)載的供電系統(tǒng)具有可在線(xiàn)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(jí)供電系統(tǒng)是由N+1臺(tái)UPS所組成的冗余供電系統(tǒng)來(lái)向IT設(shè)備供電，適用于中小型數(shù)據(jù)中心; Tier-1級(jí)供電系統(tǒng)是單機(jī)系統(tǒng)，其可利用率最低，適用于小型機(jī)房。

舉例：某數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)每個(gè)機(jī)房模塊機(jī)柜200個(gè)，容量為3KW/個(gè)。

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(jì)算進(jìn)行UPS選型，UPS容量按照2N方式配置，選型計(jì)算如下表：

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

UPS設(shè)備選型為在線(xiàn)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(tái)400KVA UPS并機(jī)運(yùn)行，第一組UPS為1#、2#機(jī)房IT設(shè)備A路供電，第二組UPS為1#、2#機(jī)房IT設(shè)備B路供電，正常運(yùn)行時(shí)每組UPS各承擔(dān)50%，當(dāng)一組UPS故障時(shí)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(jí)”休眠技術(shù)

就絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS而言，不管實(shí)際營(yíng)運(yùn)的負(fù)載有多大，這一系統(tǒng)中的全部UPS均投入運(yùn)行。而通常數(shù)據(jù)中心的負(fù)載是分步增長(zhǎng)的，尤其是IDC機(jī)房，初期機(jī)房很空、負(fù)載很輕,這時(shí)所有的UPS都開(kāi)動(dòng)起來(lái)本身就是一個(gè)很大的能源浪費(fèi)；另外就UPS的效率曲線(xiàn)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(jī)初期的負(fù)載總量?jī)H為一臺(tái)的容量（實(shí)際往往會(huì)更低，某運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心，運(yùn)行一年多了，負(fù)載僅為一臺(tái)的1/4），那么四臺(tái)并機(jī)工作時(shí)每臺(tái)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(fèi)掉了。更為致命的是，對(duì)于多臺(tái)并機(jī)系統(tǒng)而言，如此低的負(fù)載率很容易引起并機(jī)系統(tǒng)振蕩，導(dǎo)致UPS故障和系統(tǒng)宕機(jī)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(fèi)，數(shù)據(jù)中心機(jī)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(dòng)根據(jù)當(dāng)前總負(fù)載的大小，決定投入運(yùn)行UPS的臺(tái)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(yùn)行與節(jié)能的目的。

針對(duì)前述的負(fù)載，具有綠色休眠技術(shù)構(gòu)成的每套UPS并機(jī)系統(tǒng)將僅有兩臺(tái)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(tái)工作UPS的負(fù)載率將達(dá)到約50%，對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能增效的目的，也提高了整個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。從運(yùn)行的可靠性來(lái)看，休眠技術(shù)通過(guò)使多余的UPS休眠退出，減少了并機(jī)的實(shí)時(shí)并機(jī)臺(tái)數(shù)，即從設(shè)計(jì)的3+1變?yōu)榱藢?shí)際運(yùn)行的1+1或2+1，使并機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)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(jī)系統(tǒng)振蕩的風(fēng)險(xiǎn)；此外，處于休眠狀態(tài)的UPS與正常運(yùn)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(yùn)營(yíng)成本分析

通常數(shù)據(jù)中心的負(fù)載都是分步增長(zhǎng)的，初期機(jī)房很空、負(fù)載很輕,這時(shí)所有的UPS都開(kāi)動(dòng)起來(lái)本身就是一個(gè)很大的能源浪費(fèi)；另外就UPS的效率曲線(xiàn)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(tái)投入，后面就需要根據(jù)負(fù)載變化，在線(xiàn)擴(kuò)容并機(jī)。在正常工作中，并機(jī)系統(tǒng)中多臺(tái)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(jī)系統(tǒng)高。

下面就不同負(fù)荷情況與UPS工作模式選擇，來(lái)分析下與運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)系。

（1）數(shù)據(jù)中心部署初期，設(shè)備上線(xiàn)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(wèn)題。初期按照UPS 40%負(fù)荷率確定運(yùn)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(tái)投入運(yùn)行。

比如初期每個(gè)模塊機(jī)房部署100臺(tái)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜用電量為3KW。根據(jù)一般工商業(yè)電價(jià)計(jì)算每年度UPS電費(fèi)成本，見(jiàn)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(yùn)營(yíng)電費(fèi)為494.68萬(wàn)元。

如果初期部署，UPS容量按照2N方式配置,負(fù)荷計(jì)算如下表：

則相應(yīng)的UPS電費(fèi)成本計(jì)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(yùn)營(yíng)電費(fèi)為467.20萬(wàn)元。與4臺(tái)UPS并機(jī)模式比較，每年節(jié)約電費(fèi)為494.68-467.20=27.48萬(wàn)元。

（2）數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備滿(mǎn)負(fù)荷情況，比如每個(gè)模塊機(jī)房部署滿(mǎn)了200臺(tái)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜用電量為3KW。根據(jù)一般工商業(yè)電價(jià)計(jì)算每年度UPS電費(fèi)成本，見(jiàn)下表：

IT設(shè)備滿(mǎn)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(yùn)營(yíng)電費(fèi)為934.40萬(wàn)元。

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

則相應(yīng)的UPS電費(fèi)成本計(jì)算，如下表：

IT設(shè)備滿(mǎn)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(yùn)營(yíng)電費(fèi)為894.64萬(wàn)元。與傳統(tǒng)4臺(tái)UPS并機(jī)全部在線(xiàn)工作模式比較，每年節(jié)約電費(fèi)為934.40-894.64=39.76萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，低負(fù)載情況下UPS設(shè)備的效率將會(huì)產(chǎn)生能源損耗，因此需要依據(jù)實(shí)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(shí)保持在較高的水平，以達(dá)到提升UPS系統(tǒng)的運(yùn)行效率并降低損耗的目的。

四、 UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型應(yīng)注意的問(wèn)題

UPS的設(shè)計(jì)和選型對(duì)于數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的建設(shè)具有重要意義。

市場(chǎng)上UPS品牌、類(lèi)型眾多，按照運(yùn)行方式一般分為雙變換式UPS、互動(dòng)式UPS、后備式UPS。雙變換式為在正常運(yùn)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(shí)，UPS單元轉(zhuǎn)入儲(chǔ)能供電運(yùn)行方式，由蓄電池/逆變器組合在儲(chǔ)能供電時(shí)間內(nèi)，或者在交流輸入電源恢復(fù)到UPS設(shè)計(jì)的允差之前（按兩者的較短時(shí)間），連續(xù)向負(fù)載供電。

互動(dòng)式為在正常運(yùn)行方式下，由適合的電源通過(guò)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(yùn)行方式下，負(fù)載由交流輸入電源的主電源經(jīng)由UPS開(kāi)關(guān)供電。UPS供電方式通常分為單機(jī)工作、熱備份串聯(lián)、直接并機(jī)、模塊并機(jī)及雙母線(xiàn)（2N）方案。由于雙母線(xiàn)（2N）系統(tǒng)不存在單點(diǎn)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(shí)除了考慮設(shè)備成本外，還應(yīng)考慮并機(jī)系統(tǒng)休眠功能、待命單機(jī)投入運(yùn)行及各單機(jī)輪詢(xún)等技術(shù)指標(biāo)。

另外UPS能效分級(jí)運(yùn)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(jí)――“UPS級(jí)”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(guò)UPS旁路直接供電給數(shù)據(jù)中心的IT負(fù)載，從而使整個(gè)UPS系統(tǒng)的供電效率高達(dá)驚人的99%，實(shí)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(zhǎng)其工作壽命。

第二級(jí)――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(shí)，UPS立刻轉(zhuǎn)換到整流、逆變的雙變換模式，此時(shí)的UPS滿(mǎn)載工作效率通常在93%左右。

第三級(jí)――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(shí)，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(mǎn)載工作效率約94%。

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

五、結(jié)語(yǔ)

企業(yè)級(jí)大型數(shù)據(jù)中心，要求高等級(jí)、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(xiàn)（2N）容錯(cuò)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(shí)，根據(jù)實(shí)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(yùn)營(yíng)成本。