近日，維諦(Vertiv，原艾默生網(wǎng)絡(luò)能源)主辦的“思無(wú)界·設(shè)享V來(lái)—2018設(shè)計(jì)院專(zhuān)家高端論壇”在北京隆重召開(kāi)。論壇以“關(guān)鍵技術(shù)成就可靠與節(jié)能的完美平衡”為主題，來(lái)自權(quán)威設(shè)計(jì)院的技術(shù)大咖及維諦(Vertiv)的產(chǎn)品技術(shù)專(zhuān)家，針對(duì)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)，從技術(shù)應(yīng)用、規(guī)劃設(shè)計(jì)以及供配電、熱管理關(guān)鍵系統(tǒng)的選擇等維度呈獻(xiàn)了多個(gè)精彩的技術(shù)報(bào)告，并分享了維諦(Vertiv)的科技創(chuàng)新成果及大量成功實(shí)踐。

一直以來(lái)供配電系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施主要組成部分，它的高可靠、高可用性、高節(jié)能性能高可維護(hù)性在數(shù)據(jù)中心行業(yè)備受關(guān)注，因此對(duì)于數(shù)據(jù)中心供配電技術(shù)的研究也從未中斷。當(dāng)前圍繞數(shù)據(jù)中心供配電技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用和整體解決方案也逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，選擇綠色的、經(jīng)濟(jì)的、高效的、可用性高的供配電系統(tǒng)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維行業(yè)的共識(shí)。

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所高級(jí)工程師李成章先生

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所高級(jí)工程師李成章在《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可用性分級(jí)管理》的演講中，深入探討了高性?xún)r(jià)比的數(shù)據(jù)中心供配電解決方案追求的核心價(jià)值，并指出要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的不同用戶(hù)對(duì)可靠性、效率、成本的不同業(yè)務(wù)需求來(lái)選擇最適合的UPS產(chǎn)品及其對(duì)應(yīng)的供配電系統(tǒng)的可用性級(jí)別和架構(gòu)，從而獲得最佳的TCO。

誘發(fā)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)故障的幾大因素

在造成數(shù)據(jù)中心癱瘓的原因中，以因供配電系統(tǒng)的產(chǎn)品選型和設(shè)計(jì)架構(gòu)的”考慮欠妥”所誘發(fā)的電氣癱瘓的危害性最大。相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，它存在如下幾種典型的故障隱患：

(1)因UPS供電系統(tǒng)的產(chǎn)品或可用性級(jí)別的”選配欠妥”所誘發(fā)的故障占29%;

(2)因人為操作“失誤”所誘發(fā)的故障占24%(例：2017年5月,因托管機(jī)房的工程師對(duì)UPS供配系統(tǒng)的輸入開(kāi)關(guān)執(zhí)行”誤關(guān)斷”操作而致使某國(guó)外航空公司的幾乎所有的IT設(shè)備進(jìn)入”宕機(jī)癱瘓”的事故);

(3)因未考慮到發(fā)電機(jī)帶電容性負(fù)載的帶載能力會(huì)“變?nèi)酢耙约耙螂A躍性負(fù)載的“負(fù)載突增量過(guò)大”等原因所誘發(fā)的發(fā)電機(jī)“自動(dòng)關(guān)機(jī)”的故障占10%;

(4)因氣候及自然災(zāi)害所誘發(fā)的故障占12%(例：2017年12月，國(guó)外某機(jī)場(chǎng)因電力電纜的火災(zāi)所造成的長(zhǎng)達(dá)十余小時(shí)的大面積停電事故)。

顯而易見(jiàn)，能否消除掉上述的、足以對(duì)供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成“致命危害”的故障隱患是能否確保該數(shù)據(jù)中心機(jī)房能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行的關(guān)鍵所在，以便為在后期的機(jī)房的日常運(yùn)維操作過(guò)程中，能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)、確保它能獲得令人滿(mǎn)意的可用性(99.99%∽99.999%)奠定下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)GB50174—2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)于負(fù)責(zé)向IT/網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵設(shè)備供電的供配電系統(tǒng)而言，它所允許的瞬間供電中斷時(shí)間應(yīng)小于10ms。

通過(guò)對(duì)近年來(lái)發(fā)生在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)中的多起事故的分析發(fā)現(xiàn)：同工頻機(jī)UPS供配電系統(tǒng)相比，導(dǎo)致傳統(tǒng)高頻機(jī)UPS和模塊化UPS供配電系統(tǒng)的故障率增高的重要誘因是：因?yàn)樗鼈兊目顾矐B(tài)輸入過(guò)壓保護(hù)的能力“變差“所致。通過(guò)在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)所捕捉到的輸入故障波形以及在所搭建的故障模擬平臺(tái)上所檢測(cè)到數(shù)據(jù)可見(jiàn)：因“輸入瞬態(tài)過(guò)壓”而致使傳統(tǒng)高頻機(jī)和模塊化UPS的典型故障類(lèi)型有：因電池組異常放電所誘發(fā)的電池組使用壽命縮短;在UPS供配電系統(tǒng)的輸出端發(fā)生輸出閃斷或“被損環(huán)”的事故。其故障高發(fā)期是：

(a)當(dāng)10KV高壓因故發(fā)生停電/閃斷事故時(shí)或位于這些UPS供電系統(tǒng)上游側(cè)的大容量ATS開(kāi)關(guān)因故需執(zhí)行切換操作的瞬間。在此期間，在UPS的輸入端出現(xiàn)“輸入瞬態(tài)過(guò)壓”故障的幾率很高;

(b)為降低生產(chǎn)成本和充分利用廉價(jià)電能(注：夜間谷期電價(jià)僅為白天峰期電價(jià)的1/3左右)，高能耗企業(yè)可能會(huì)采用夜間生產(chǎn)、白天停工的生產(chǎn)管理體制。對(duì)于地處鄰近高能耗企業(yè)的數(shù)據(jù)中心而言，極易在高能耗企業(yè)“突然抽閘”的瞬間，在它的市電輸入電網(wǎng)上誘發(fā)出”瞬態(tài)輸入高壓”。在此條件下，易發(fā)生電池組異常放電故障，從而造成電池組使用壽命縮短，增加后期運(yùn)維成本。

李成章在演講中以某數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)故障為例，指出在該數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行中，因故遇到10KV高壓電網(wǎng)發(fā)生停電幾分鐘的電力事故，導(dǎo)致運(yùn)行僅1年多的3*300KVA高頻UPS并機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障：UPS并機(jī)系統(tǒng)輸出“閃斷”，并長(zhǎng)期停留在交流旁路上。與此同時(shí)，位于同一機(jī)房中的已運(yùn)行十幾年的另外兩套3*800KVA工頻機(jī)UPS并機(jī)系統(tǒng)卻一直正常地運(yùn)行著。由此不難看出:此次事故就是因傳統(tǒng)高頻機(jī)UPS抗“瞬態(tài)輸入過(guò)壓”的保護(hù)能力”變差”所誘發(fā)出的故障，給該數(shù)據(jù)中心所需的應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)負(fù)面影響。

“電池組異常放電”的故障案例：對(duì)于同時(shí)配置有工頻機(jī)UPS和傳統(tǒng)高頻機(jī)UPS的某數(shù)據(jù)中心而言，在其運(yùn)行中，常發(fā)現(xiàn)：對(duì)于它的4*500KVA高頻機(jī)UPS供電系統(tǒng)而言，在每天的早上的7∽8點(diǎn)期間，易發(fā)生”電池異常放電”現(xiàn)象。與此同時(shí)，對(duì)于位于同一10KV供電網(wǎng)下運(yùn)行的4*400KVA工頻機(jī)UPS供電系統(tǒng)，它卻繼續(xù)正常運(yùn)行，從未發(fā)生過(guò)”電池組異常放電”的現(xiàn)象。

除此之外，李成章還舉例指出：隨著模塊化UPS內(nèi)部所并聯(lián)的電源模塊的數(shù)量的不斷地增多(例：從傳統(tǒng)高頻塔式機(jī)的內(nèi)置2-3個(gè)功率模塊增加到傳統(tǒng)模塊化UPS的內(nèi)置10-20個(gè)電源模塊)，它的“內(nèi)部環(huán)流”必然會(huì)隨之而增大。由此所帶的新故障現(xiàn)象是：當(dāng)用戶(hù)在因故對(duì)這種模塊化UPS執(zhí)行停電維修操作之后(例：對(duì)機(jī)柜前面板上的“通風(fēng)過(guò)濾罩”執(zhí)行除塵清洗操作)，再重新執(zhí)行開(kāi)機(jī)操作時(shí)，易發(fā)生UPS輸出閃斷或電源模塊”被損壞”的事故。

高性?xún)r(jià)比的高頻UPS產(chǎn)品應(yīng)具備的運(yùn)行特性

由于高頻UPS電源具有效率高、體積小、重量輕以及輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99以上、輸入電流的諧波含量小于5%、對(duì)市電電網(wǎng)的污染小等優(yōu)點(diǎn)而日益受到用戶(hù)的青睞。近年來(lái)，隨著UPS制備技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，為提高它的可維護(hù)性，高頻UPS逐步走向高智能模塊化，可通過(guò)增減UPS機(jī)柜內(nèi)的小功率電源模塊數(shù)量的多少來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)其功率輸出及可維護(hù)性的要求。這樣一來(lái)，它不僅具有極大的彈性，而且只要冗余允許還可以在線(xiàn)進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)”零維修時(shí)間”的操作功能。然而，對(duì)于部分高頻UPS的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)企業(yè)來(lái)說(shuō)，由于存在只重視追求更高的效率和更低的制備成本的傾向，不夠重視應(yīng)采取必要的技術(shù)措施來(lái)消除傳統(tǒng)高頻機(jī)UPS和模塊化UPS因抗瞬態(tài)輸入過(guò)壓保護(hù)能力”變差”所帶來(lái)的故障率相對(duì)偏高的現(xiàn)象。

近年來(lái)，維諦(vertiv)公司遵循”不妥協(xié)的可靠性”的設(shè)計(jì)思念，通過(guò)在傳統(tǒng)高頻機(jī)UPS的整流器中增配”抗輸入過(guò)壓”保護(hù)部件的技術(shù)措施。這樣一來(lái)，在確保它能獲得”高效率”優(yōu)點(diǎn)的前提下，還收到能大幅度地提高UPS可靠性以及將高頻機(jī)UPS的輸入功率因數(shù)(PF)從傳統(tǒng)的電容性調(diào)控到所期望的電感性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新型的高性?xún)r(jià)比的UPS產(chǎn)品。

李成章指出，高性?xún)r(jià)比的高頻機(jī)UPS應(yīng)該具有效率高(≧97%)、可靠性高(具有很強(qiáng)的抗輸入過(guò)壓保護(hù)能力，UPS單機(jī)內(nèi)部環(huán)流=0)、輸入PF呈現(xiàn)電感性、高可維護(hù)性(例：易于對(duì)機(jī)內(nèi)的”老化.濾波電容”執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)的更換操作)等特點(diǎn)。只有具備這些特性，才能更好的保障數(shù)據(jù)中心的安全高效運(yùn)行。在此背景下，不僅能為數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)獲得令人滿(mǎn)意的高可用性奠定下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。而且，還有十分利于降低它的Capex和Opex。

數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的”可用性分級(jí)管理”

確保數(shù)據(jù)中心安全無(wú)疑是整個(gè)信息系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提保障，對(duì)此，李成章表示，電癱瘓、熱癱瘓、網(wǎng)絡(luò)安全已然成為當(dāng)今數(shù)據(jù)中心所面臨的三大故障隱患，如何避免及做好提前措施也成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

同時(shí)，李成章基于全新的現(xiàn)場(chǎng)故障分析能力和實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)闡釋了供配電系統(tǒng)的”分級(jí)可用性”的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。在對(duì)金融、交通，BAT及教育、商業(yè)等具有代表性用戶(hù)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)、允許業(yè)務(wù)中斷的容忍度、IT系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)的可用性的不同級(jí)別需求、IT/網(wǎng)絡(luò)的機(jī)柜功率密度的高低對(duì)MDC(微模塊)的設(shè)計(jì)架構(gòu)的影響等進(jìn)行全面分析后，李成章指出，采用“可用性分級(jí)管理”的設(shè)計(jì)理念的最終目標(biāo)是：在充分滿(mǎn)足用戶(hù)的不同業(yè)務(wù)需求的前提下,制定和選用具有TCO最低運(yùn)行特性的供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

為進(jìn)一步闡釋供配電系統(tǒng)分級(jí)可用性理念的重要意義，李成章以金融用戶(hù)和BAT用戶(hù)的供配電系統(tǒng)需求為例進(jìn)行了說(shuō)明。他表示，金融行業(yè)(集中處理)與BAT行業(yè)(分布式處理)對(duì)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分享性數(shù)據(jù)傳送的要求具有很大差異，前者要求數(shù)據(jù)應(yīng)具有極高的完整性、一致性和高時(shí)效性。為此，其供配電系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用帶物理隔離運(yùn)行特性的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。李成章同時(shí)指出，即使在金融行業(yè)用戶(hù)中，由于總行、省市分行及縣級(jí)支行等機(jī)構(gòu)級(jí)別的不同，其供配電系統(tǒng)的可用性級(jí)別也應(yīng)不相同，在建設(shè)上也有所區(qū)別。

李成章最后表示，只有“根據(jù)用戶(hù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行業(yè)務(wù)的不同需求來(lái)決定所選用的可用性級(jí)別的最適合的架構(gòu)+最適合的UPS產(chǎn)品”才是最能恰如所需地滿(mǎn)足用戶(hù)需求的完美設(shè)計(jì)方案。顯然，只有這樣才能更好地為數(shù)據(jù)中心的用戶(hù)提供最具有實(shí)用價(jià)值的服務(wù)和支持。