摘要：在数据中心中，UPS供电系统的一个主要功能是为负载提供不间断供电。本文根据三母线供电方案原理，提出了四母线冗余供电方案，将其与双母线供电方案、三母线供电方案、Catcher Bus供电方案和直接并机供电方案进行可用度的分析和比较，并分析了这些方案的优缺点，可为保障系统电源安全的四母线供电方案提供了参考作用。
关键词：UPS；四母线供电方案；可用度
引言
作为数据中心机房重要基础设施之一，供配电系统的可靠性、冗余性对数据中心的安全稳定运行起着关键性的作用。而 UPS 系统作为供配电系统的核心，是数据中心供电连续性的重要保障。其供电方案科学、合理设计，能够保证供配电系统的稳定及节能性运行。目前，供电方案主要有双母线供电方案、三母线供电方案、Catcher Bus供电方案和直接并机供电方案等，本文主要根据三母线供电方案原理，提出了大型数据中心UPS四母线冗余供电方案（简称四母线方案），该方案可在不降低可靠性等级的前提下降低建设成本，且其采用的技术较简单，便于运行维护。
1.四母线供电方案
1.1 四母线方案方案内容及特点
四母线方案包含4组UPS和6组负载，每组UPS由一台UPS或多台UPS并机组成，在单台UPS容量不足时可由多台UPS并机组成。每组UPS向3组负载供电，每组负载从2组UPS接入，保证在一组UPS故障时，由其他3组UPS提供冗余。在负载双路接入可保证一路失电，另一路仍然可提供电力。四母线方案系统图见图1。
图1 四母线方案系统图
假如UPS-A退出系统（图1中虚线所示），则UPS-B单独为负载1供电，UPS-C单独为负载4供电，UPS-D单独为负载5供电。UPS-B、UPS-C和UPS-D通过冗余方式承担原本由UPS-A提供的电力，冗余量分别大于负载1、负载4和负载5从UPS-A获取的功率。根据以上说明，对UPS数量、容量及负载的要求如下：
（1）负载划分为6组，每组负载的电力需求相同，且从2组UPS平均取电，相当于每一路输入为总负载的1/12。
（2）UPS设计为4组，每组UPS的容量相同，且至少为负载总需求的1/3。
（3）负载按图1所示接入，每组UPS向3组负载供电，每组负载接入2组UPS，且各组负载所接入的UPS不完全相同。
假设总负载的电力需求为1200kW，采用四母线方案设计UPS供电系统。负载被均分为6组，每组200kW的电力需求。每组UPS容量为总负载的1/3，即UPS-A、UPS-B、UPS-C和UPS-D分别具有400kW的供电容量，负载参照图1接入UPS。在正常条件下，每组UPS带3组负载，负担一半的电力需求，即300kW，UPS利用率为75%。假如UPS-A退出系统，则UPS-B负担负载1的全部需求，负担负载2和负载6的一半需求，合计400kW；UPS-C和UPS-D类似，各自负担400kW电力需求，容量可满足要求。假如不是UPS-A退出系统，而是UPS-B、UPS-C和UPS-D中的一组UPS退出，产生的结果是类似的。
在四母线方案中，任意2组UPS都有共同的负载，6组负载刚好满足要求。如上例所示，UPS-A退出系统后，余下的UPS容量正好满足负载需要。假如双电源负载3不是从2组UPS平均取电，而是从UPS-D多获取，则导致UPS-D容量不足。假如每组负载的需求不相同，而是有高有底，比如负载3的电力需求高，负载2需求低，同样导致UPS-D容量不足，而UPS-B容量富余。为了保证在一组UPS退出时，其余3组能够负担所有负载，每一组的容量就不能低于所有负载的1/3。综上所述，四母线方案的特点为：
（1）正常条件下，每组UPS负担3组负载的一半电力需求，为总负载的1/4，因每组UPS的容量至少为总负载的1/3，因此最大负载率为3/4，即75%。
（2）在1组UPS退出时，其余UPS容量满足负载电力需求，系统不受影响。
（3）负载由2组不同的UPS供电，解决了供电回路中的单点故障问题，在1组UPS完全失效或者需要检修时，负载因有另一路电力存在，而不会发生供电中断。
（4）对每组UPS除了容量限制外，没有其他要求，每组UPS之间不存在电气关联。
（5）在1组UPS故障时，其他3组UPS的利用率从75%跃变到100%，对UPS突然加载能力要求不高。
1.2 四母线方案与其他方案设计原理比较
为了在供电可靠性、初始投资和运维成本之间平衡，技术人员从不同维度改进各供电方案。Catcher Bus方案增加STS设备，利用STS的切换能力减少备份UPS；并机方案要求UPS具备并机能力，通过并机减少备份UPS；四母线方案对负载与UPS之间的连接方式进行优化，减少备份UPS。
通过优化负载与UPS之间的连接方式，四母线方案实现在1组UPS退出时，有3组UPS提供冗余补充，从而减少UPS冗余，提升负载率。在负载需求相等条件下，负载率提升可减少对UPS及输出配电柜的容量需求，等于降低设备投资，减少设备空间占用。一般情况下，UPS设备在高负载率条件下效率更高，损耗所占比例相对低。与双母线方案和三母线方案相比，四母线方案的负载率更高，可节省设备投资，降低设备能耗。
并机方案要求UPS具备并机能力，并机UPS之间通过通信线互联，在1台UPS退出后，其余UPS提供冗余补充。并机UPS一般是同厂家、同型号的UPS，不利于降低维护成本。并机方案中的UPS互相关联，1台UPS退出或加入时会对整个系统产生影响，带来额外风险，降低可靠性。在四母线方案中，所有负载由2组不同UPS供电，任意1组UPS停机都不会中断负载的电力供应，便于停机检修维护。每组UPS之间没有电气和逻辑联系，便于维护保养。
Catcher Bus方案增加STS设备，在1台常用UPS故障时，通过STS把备份UPS切换到常用状态。多台常用UPS共享1台备份UPS，减少备份数量。Catcher Bus方案使用大量STS设备，增加设备空间占用和设备能耗，增加维护工作量。在UPS故障、维护等情况下，STS设备必须切换供电电源，切换过程易于发生故障，带来额外风险。
2.四母线方案与其他方案的可用度分析
持续的电力供应对IT系统是必不可少的，数据中心的电力系统必须具备高可用性。供电方案中的设备主要包括UPS、UPS输出配电柜和STS设备，可用度分别用A1、A2和A3表示，具体可用度数值见表1。
表1 各子系统和部件的可用度
四母线方案在4组UPS正常工作或1组UPS出现故障的情况下不影响负载电力需求，在2组或更多UPS出现故障时，部分负载失去电力，属于3/4表决系统。在每组UPS只设置1台UPS条件下，四母线方案可用度R4为：
R4=4（A1A2）3（1-A1A2）+（A1A2）4（1）
三母线方案在2组UPS正常工作时即可正常输出电力，属于2/3表决系统。三母线方案可用度R3为：
R3=3（A1A2）2（1-A1A2）+（A1A2）3（2）
双母线方案只有在双路UPS都出故障时才会中断电力供应，双母线方案可用度R2为：
R2=2A1A2-（A1A2）2（3）
根据式（1）—式（3），双母线方案与三母线方案的可用度差值为：R2-R3=2A1A2（1-A1A2）2，三母线方案与四母线方案的可用度差值为：R3-R4=3（A1A2）2（1-A1A2）2。双母线方案与四母线方案的可用度差值为：R2-R4=[2A1A2+3（A1A2）2]（1-A1A2）2。A1、A2的数值非常接近1，两者的乘积同样接近1，因此四母线方案与双母线方案的可用度之差约等于5（1-A1A2）2。因（1-A1A2）已是非常小的数值，又进行平方，所以5（1-A1A2）2的数值极小。
“N＋x”并机方案要求所有UPS的输出汇聚到专用配电系统。“N＋x”台UPS在N台UPS正常时仍能正常输出电力，属于N/（N＋x）表决系统，“N＋x”UPS并机子系统的可用度R N + x l ［7-9］为：
输出配电柜与“N＋x”UPS并机子系统串联，串联系统可用度为各组件可用度的乘积，“N＋x”并机方案整体可用度RN+x为：
RN + x = A2R N + x l（5）
由上式可判定RN + x的数值要小于A2，并机方案的UPS部分可通过冗余提升可用度，但受到输出配电柜可用度的制约，整体方案无法超过配电柜的可用度。与四母线方案相比，可用度明显低。
Catcher Bus方案包括N台常用UPS，1台备用UPS，N组STS。N+1台UPS作为UPS子系统，如果1台常用UPS出现故障，备用UPS被STS切换到常用状态，不会中断供电，UPS子系统正常运行。如果2台UPS出现故障，因只有1台备用UPS，部分负载必然中断电力供应，即UPS子系统出故障。因最多允许1台UPS故障，Catcher Bus方案的UPS子系统属于N/（N+1）表决系统，可用度R CB l ［7-9］为：
R CB（N+1）=（N+1）（A1A2）N（1-A1A2）+（A1A2）N+1（6）
为了解R CB l 如何随N值变化而变化，求得RlCB（N + 1）- RlCB（N + 2）如式（7）所示。其值是正值，说明R CB l 随N值增长而降低。在N不是特别大的情况下，加速降低。
R CB（N+1）-R CB（N+2）=（N+1）（A1A2）N（1-A1A2）N（1-A1A2）2（7）
为同1组双电源负载供电的2台STS形成1组。1组STS有2台STS设备，如果2台STS都无法正常工作，才会中断负载电力供应，称这组STS故障。一组STS的2台STS属于并联形式，N组STS都不出故障等同于N组STS串联，可用度R S l公式为：
R S（N）=（2A3-A23）N（8）
负载不中断电力供应的前提是UPS子系统和N组STS都不会中断电力供应，属于串联形式，因此Catcher Bus方案可用度RCB为：
RCB（N）= RlS（N）RlCB（N + 1）（9）
在N=3时，R CB l 等于四母线方案可用度公式。因受到STS设备的影响，根据式（9），N=3时的Catcher Bus方案的可用度低于四母线方案。随着N增长，Catcher Bus方案的UPS利用率逐渐提升，不过提升的速度在降低，而RCB却加速下降。在UPS利用率和可用度之间需要平衡折中，由数据中心供电系统设计师根据项目要求考虑选择。
3.四母线方案与其他方案的可用度比较
根据上节的可用度公式和表1的可用度数值，算出各供电方案的可用度，并进行简单比较，最后汇总到表2。由式（1）可得四母线方案的可用度为0.999 999 982 883；由式（2）可得三母线方案的可用度为0.999 999 991 441；由式（3）可得双母线方案可用度为0.999 999 997 147。“N＋x”并机方案的可用度与UPS数量有关，本节选择一种典型应用“3+1”（即N=3、x=1）并机模式进行计算。由式（5）可得“N＋x”并机方案的可用度为0.999 997 730 538。Catcher Bus方案的可用度与常用UPS数量相关，本节选择在N=3时进行计算，由式（9）可得Catcher Bus方案可用度为0.999 999 982 760。
表2对各方案的可用度进行汇总比较。四母线方案可用度比双母线和三母线方案有所降低，说明高设备利用率是以牺牲部分可用性作为代价。四母线方案高于“N＋x”并机方案，在可用性方面具有明显优势，说明UPS输出配电柜对可用度的影响非常大。在N≥3时，Catcher Bus方案的可用度要比四母线方案低。通过表2可知，在N=3时，Catcher Bus方案的可用度只比四母线方案稍微低一点，这说明STS设备对可用度有一些影响。
4.四母线方案的优缺点分析
初始投资与可用性、可维护性是一对矛盾。本节对供电方案从投资、可维护性和应用方便性等方面进一步比较，结果汇总在表3。
首先进行初始投资分析。最大负载率决定设备冗余数量，冗余设备所占比例高，初始投资自然高。根据计算，双母线方案配置的UPS及输出配电柜是负载实际需要的2倍，三母线方案为负载实际需要的1.5倍，四母线方案为负载实际需要的1.33倍。从理论上，“N＋x”并机方案和Catcher Bus方案可根据需要选择冗余，实现高UPS负载率，从而节省初始投资，实际上却受制于其他条件，例如UPS并机的数量有一定限制。Catcher Bus方案增加大量STS设备，且需要UPS有强大加载能力，增加对UPS品质要求，即增加UPS费用。与并机方案和Catcher Bus方案相比，四母线方案有优势也有劣势，需根据具体实施内容确定。
假如限定4台UPS，四母线方案在设备投资方面有明显优势：Catcher Bus方案只能是3台主用UPS、1台备用；并机方案只能是“3+1”模式；四母线方案则每组UPS设置1台UPS。3种方案的负载率都为75%，与四母线方案相比，Catcher Bus方案和并机方案的初始投资高。
四母线方案的缺点为：负载率是确定值（为75%），无法进一步提升。事实上，75%的负载率已经比较高，Catcher Bus方案和并机方案的更高负载率往往伴随可用度急速降低，得不偿失。
表2 各供电方案的可用度
表3 各供电方案优缺点
双母线方案、三母线方案和四母线方案都可暂停一组母线进行维护，维护方便。在四母线方案中，UPS与负载之间的联接相对复杂，在维护上增加一定难度。在“N＋x”并机方案中，UPS并机对设备有严格要求，且操作和维护步骤增多，不利于维护。Catcher Bus方案可通过STS设备实现备用UPS和常用UPS切换，实现UPS停机维护，但STS切换同样有风险。Catcher Bus方案增加STS设备导致维护内容和维护程序增多。
四母线方案最明显的缺点为：①拓扑稍复杂、UPS容量和负载的约束多，需要对负载、电缆拓扑提前进行严格规划；②需要较多的UPS和负载，不适合小型的数据中心使用。
5.结语
综上，在大数据中心UPS供电方案设计，研究出了一种大型数据中心UPS四母线冗余供电方案，该方案UPS负载率从三母线方案的66.6%提升至75%，具备双总线系统的可靠性等级；同时其采用的技术比较简单，在保持高可用性和易维护性的前提下，降低初始设备投入和运维成本，可推广应用。当然，采用四母线冗余供电方案，并不能解决所有的问题，此方案同样具有一定的缺点，尤其不适合小型的数据中心使用，而在UPS供电系统具体设计中应提前规划，只有这样才能实现低投资、维护方便和高可用度。
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论文作者:潘远雄
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/29
标签：母线论文; 方案论文; 负载论文; 用度论文; 冗余论文; 系统论文; 每组论文; 《基层建设》2018年第8期论文;