从结构和可靠性比较数据中心集中供电和分区供电系统

一、集中供电与分区供电系统的结构比较

在一个数据中心中除去主要的信息运行设备外，还有保障其运行的其他设备，比如供电系统、空调系统、消防系统、安保系统和综合监控系统等。这其中首先的就是供电系统，因为不论其他设备如何高级，如何可靠，一旦供电终端，其他一切就都瘫痪了。而供电系统又包括电源系统、配电系统和综合监控系统。从目前数据中心的实际情况来看，小于100kVA容量的计算机机房系统中采用N+X模块化电源供电系统，对提高系统的可靠性和可用性是很有帮助的。即使大于100kVA的大型数据中心采用N+X模块化电源供电系统也更有优越性，如图1所示为大型数据中心分区供电的情况。图中表示的将是一个大型数据中心系统分成了5格区，每个区由一套UPS供电，这样划分的根据是：不论多么大的系统都是由多台机器构成，一般说任何一个单台设备的用电量都不可能达到几十千伏安（巨型机除外），都是多台设备由一台UPS供电，这样一来就使整个系统的设备由了分组配电的可能。具体做法就是将各组设备按一定要求划分，这样及给了系统边扩充边投资，将资金有效利用的便利条件。这样做的优点如下：

（一）合理利用资源

这样做的有点是避免了一次投入大量资金而见效缓慢的弊病。往往为了供电一次到位，一大笔资金投进去了，而用电设备迟迟不能齐备，一拖就是几年。比如某银行数据中心，按照规划一次购买了1600 kVA（2x800 kVA）的UPS，用电设备计划占用5个楼层，但直到3年后的用电量也只有300 kVA，如果采用分区供电就避免了这些弊病。

（二）降低或避免了整个系统同时瘫痪的可能性

分区供电给备份系统创造了安全的环境。集中供电时，一般都选用大容量的UPS，比如上述的2x800 kVA＝1600 kVA（另由一台800 kVA冗余，构成了2+1系统），如果其中有两台同时故障，按照计划容量就会导致整个系统因供电不足而关机。如果分区供电，按上述的例子分成16个区，即使其中两个甚至三个区故障也仅仅是一小部分，不会全部。

（三）使供电系统的可维护性大为提高

如果分区后的供电设备又采用了N+X模块化冗余UPS结构，即使一个区供电故障，用热插拔的方法将故障模块更换掉就可以了。因为在上述栗子中有多个分区采用同样规格的N+X模块化冗余UPS，因此备用模块使足够的，所以更换起来就很快，即使用户的非专业人员在UPS告警信息的指导下也可以迅速地更换故障模块。

如果集中供电就不那么方便了。比如上面的例子，加入其中一台800 kVA的UPS故障，用户是非专业人员不能也没有能力参与维修，首先要通知厂家，当然如果该UPS已托管给厂家远程监控就方便一些，但仍存在厂家修理的情况，是不是这种修理就一次成功？没有100%的把握。不想一个UPS故障模块换掉就可以了。即使万一这个模块不行，由于上述例子中不可能就备份一个模块，再换一个就行了。而这种大容量UPS的备用模块一种有一个就不错了，不想模块化那样因标准化程度高而统一备用多个。

（四）使主要设备的多个冗余供电有了可能

分区供电为主要设备供电时可以双冗余、3冗余、N冗余。再一个大系统中必然有一个或者几个设备是关键的，为其供电电源设备的可靠性或可用性要求做到万无一失。在集中供电的情况下一般采用最多的是N＋1，N＋2少之又少，尤其是大容量情况下，供电系统模式定下来了，起可靠性也就定了，不如上述2x800 kVA＝1600 kVA的例子是2+1，起冗余度也就到此为止，一个时间中只允许一台UPS故障。因此，一旦有一台UPS故障，在这台UPS修复以前就不允许有第二台再出现故障，尤其是100kVA以上的用电场合，起UPS的容量也很大，一台故障后的修复时间一般不会很短，有时甚至更长。比如由于交通问题厂家不能及时赶到、赶到后备件缺乏、维修工程师素质不高等因素是故障不能及时解决。而分区供电后，一则备件可以共享，二者可以允许两个以上的模块同时出故障。入图2所示为UPS集中供电和分区供电时的数据中心利用率比较效果图，采用分区供电后由于省去了集中供电时的UPS专用机房，数据中心利用率提高了尽30％，供电和被供电设备的数量增加了，使得分区供电的灵活性和冗余性大为提高，从而提高了系统的可靠性与可用性。集中供电时的数据中心布局分区供电时的数据中心布局UPS集中供电和分区供电时数据中心利用率比较

二、集中供电与分区供电系统的可靠性比较

为一种高可靠分区供电系统。图中各分区都采用的是N+X模块化结构UPS，其中的关键负荷得到了多台N+X模块化结构UPS供电的保障。

图3 高可靠分区供电系统

为了有一个量的概念，假设所有UPS（不论是模块结构还是柜式结构）的可靠性都是0.99，为了用统一标准比较，在假设每一个分系统也是2+1.图4给出了单机冗余与模块化结构再冗余时的可靠性数学模型，下面就根据这些模型计算他们的可靠性。

a 双2+1冗余模块结构再冗余时的可靠性模型

b 单机2+1冗余系统的可靠性模型图4单机冗余与模块化结构再冗余时的可靠性模型

（一）单机2+1冗余系统的可靠性

这是一般用的较多的一种供电方案，起可靠性数学模型如图3a所示。

 (1)其不可靠性是1-RD

(二)双2+1冗余模块结构再冗余时的可靠性

这要以图3种的关键负荷供电为例，在此图中关键负荷时双电源输入，这两个电源分别来自于两个分区的N+X模块化结构UPS，其供电的可靠性数学模型如图3b所示。其可靠性为

（2）从图看出其可靠性比单独2+1冗余系统高。对N+X模块化结构UPS，当X＝1时，N越大则系统的可靠性越低，为了有一个数量的概念，不妨也做一个大略的计算。

（三）两个多模块系统再冗余时的可靠性一般分区中大都是多模块并联，前面所述，一般说再N+1模块冗余并联系统中，N越大则系统的可靠性越低，但在图3的结构中如果只取两个多模块并联系统为关键负荷冗余供电，如果仍作上面的单机可靠性数据假设，以某台有8各15kVA模块的UPS为例，可以做7+1冗余，即105kVA+15kVA.这时单机系统的可靠性为

 (3)式中：R1是但太UPS作7+1组合时的可靠性。从式3的计算可以看出，即使在7+1组合时，其可靠性也比但太时高出一个数量级，如故在此可靠性数据的情况下有两台这样的分区供电系统，除去本身的符合外，还向光剑负荷冗余供电，在这种情况下的系统可靠性数学模型如，根据该模型计算的系统可靠性Rm如下：

（4）从整个计算结果中可以看出，即使N+X模块化结构UPS在7+1组合时，两个分区供电的UPS在冗余向关键负荷供电时，其关键负荷仍能得到6个“9”的供电可靠性，这是其一；其二，这种可靠性是可变的，当负荷所需功率按照一个15kVA变小时，其系统的可靠性就提高一个数量级，这时但单机柜冗余所无法做到的。比如上述例子中容量为2x800 kVA＋800 kVA冗余时，只有负荷容量减小800 kVA时，才可使系统的可靠性提高。

上面的例子不过是两个分区电源向一个关键负荷供电得到的可靠性结果，而且还可以3个区、4个区，一直到N个区的N+X模块化结构UPS同时向关键负荷冗余供电，可想而知，其可靠性和可用性时多么高。

三、关于对模块化结构的误解

还有一种说法：当模块并联多到8个以上时，其系统可靠性还不如一个单台UPS。上述7+1的例子就是8个模块化并联。上面假设单个模块的可靠性是两个“9”，7+1的8个模块并联后上升到3个“9”，比单个模块的可靠性还高一个数量级。如果并联数N再增加，是不是增加到某一个数量级时，其可靠性就真的不如单个模块高呢？这个疑问是来自多方面的，不搞清楚整个问题，对N+X模块化结构UPS的应用将是一个障碍。

（一）从数学角度看N+X冗余并联

首先有几个假设：N是不等无穷大的正整数；X是等于或者大于1的正整数；可靠性数据为小雨零的正数。如果在串联模块数最多（设为N），并联模块最少（设为1），单个模块UPS的可靠性用一个具体数据0.99，那么系统的可靠性表达式RN就是

RN＝1-（1-0.99N）（1-0.99）  （5）

只要能够证明在N为任何值时RN大于等于0.99就可以了。首先看式（5）的（1-0.99N）项，因为只有这一项和并联模块数N有关，当N趋近于无穷大时，0.99趋近于0，（1-0.99N）＝1，这时的RN＝0.99，这是最极限的情况。但实际情况中N不可能时无穷大，而是一个小于100的数值，就是说永远是这个关系，即（1-0.99N）大于0.

上述的讨论就证明了只有串联模块数为无穷大再与一个同样模块并联时，系统的可靠性才与一个模块的相等，否则N＋1系统的可靠性永远大于一个单个模块的可靠性。这里假设单个模块的可靠性是0.99，如果取其他的值也同样得出这样的结果。因此上述说法只是一种猜测。

（二）从可用性角度看N＋X冗余并联

从可用性的角度看，无论N为何值，N+X冗余并联结构永远是单台UPS所无法比拟的。单台UPS故障就意味着它的供电中断，负荷再也无法得到它的保护，而N+X冗余并联结构中的一个UPS模块故障时，供电仍可继续。

所以，那种当模块并联多到8个以上时，其系统可靠性还不如一个单台UPS的说法是一种人云亦云的误解。尤其是在X大于1的配置情况下，模块化系统的可靠性增大，而且是成倍数增加。为了说明问题，仍以上述的8模块系统为例，将7+1组合改为6＋2组合时的系统。假设每个但愿的可靠性为0.99，这时的系统可靠性表达式为：

R6+2=1-（1-0.996）（1-0.99）2  （6）

根据此时算得的系统可靠性为

R6+2=1-（1-0.996）（1-0.99）2 ＝1-0.05852X0.0001=0.999994 ……………………………………………………………………(7)

这个结果和7+1组合时的系统可靠性0.999321相比又高了两个数量级，比单个UPS模块的可靠性高了三个数量级，这就很说明问题了。