數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵性和冗余性

數(shù)據(jù)中心通過確保電力永不中斷來確保持續(xù)正常運行和可用性。但如果電網(wǎng)中斷或電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，設(shè)施如何維持 IT 負載？

全球大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都使用不間斷電源和備用柴油發(fā)電機，當檢測到電網(wǎng)斷電時，備用柴油發(fā)電機就會啟動。接下來，讓我們深入了解不間斷電源技術(shù)及其如何確保負載的可用性。

不間斷電源 (UPS) 位于公用電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心之間，為設(shè)施提供電力。電力來源可以是電網(wǎng)本身，也可以是在電網(wǎng)中斷的情況下，由可短時間向設(shè)施供電的本地能源提供。

根據(jù)其能源來源，UPS 分為兩類 - 靜態(tài)式和旋轉(zhuǎn)式。顧名思義，旋轉(zhuǎn) UPS 系統(tǒng)將能量存儲在旋轉(zhuǎn)飛輪中，飛輪充當發(fā)電機，在需要時將電力輸送回數(shù)據(jù)中心。靜態(tài) UPS 系統(tǒng)使用電池。后面，我們在繼續(xù)探討靜態(tài)和旋轉(zhuǎn) UPS 系統(tǒng)的比較特性。

目前，了解 UPS 系統(tǒng)制造商如何表示和命名其產(chǎn)品非常重要。

IEC UPS 標準

IEC 62040-3：UPS - 指定性能和測試要求的方法是一種標準，可確保供應(yīng)商使用相同的命名約定，幫助用戶根據(jù)其需求選擇最佳產(chǎn)品，并提供性能驗證的測試要求。

由于 UPS 為設(shè)施提供電力，因此其輸出性能通過三種方式來衡量：

輸入依賴性 (AAA)- 輸出電壓取決于輸入電壓的質(zhì)量。輸入依賴性有三種分類

輸出電壓波形 (BB)- 以兩個字符表示。第一個表示在正常模式下（使用公用電源）運行時的輸出電壓波形，第二個表示在儲能模式下（來自電池）運行時的輸出電壓波形：

輸出電壓波形有 9 種可能的組合，但最常見的兩種類型是正弦 (S) 和非正弦 (Y)。幾乎所有額定功率高于 2kVA 的 UPS 都標記為 SS，而額定功率低于 2kVA 的 UPS 通常標記為 SY。

動態(tài)輸出性能 (CC) - 動態(tài)輸出性能表示操作模式改變時發(fā)生的輸出電壓變化 - 即從電網(wǎng)切換到電池（第一個字符）以及系統(tǒng)負載增加或減少時（第二個字符）這些電壓波動分為三類：

操作模式

許多不間斷電源可以在幾種正常模式下運行，這些模式按照 IEC 標準具有不同的輸出性能特性。

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS在正常模式下具有VFI輸出性能，在高效正常模式下具有VFD輸出性能。本質(zhì)上是在輸出獨立性和UPS能耗之間進行了權(quán)衡。

主要有三種操作模式：

UPS的雙重作用

UPS 在設(shè)施中的作用不僅是在斷電時保持 IT 負載正常運行，而且還要從其儲能設(shè)備提供高質(zhì)量、清潔的直流電。電網(wǎng)和公用事業(yè)會受到多種電能質(zhì)量問題的影響，這些問題源于燃料組合、使用年限和地理位置。UPS 可以“清理”電源以消除這些問題。

IEEE 標準 1100-2005 為商業(yè)界和電力行業(yè)在提及電能質(zhì)量問題時提供了一個通用的命名法，并根據(jù)正弦波的形狀將其分為七類：

瞬變

瞬變是最具破壞性的電能質(zhì)量問題類型，根據(jù)其發(fā)生方式，瞬變可分為兩類 - 脈沖和振蕩。

脈沖瞬變是一種突然的高峰值事件，可提高電壓和/或電流。脈沖瞬變的例子包括雷電（以及隨之而來的電磁場）、ESD（靜電放電）和接地不良。

簡單來說，振蕩瞬變是一種瞬變，它會導致電源信號迅速上升然后迅速下降。這通常發(fā)生在關(guān)閉電感或電容負載時 - 想象一下剛剛關(guān)閉的旋轉(zhuǎn)電機 - 當電機旋轉(zhuǎn)減速時，它就像發(fā)電機一樣產(chǎn)生電流，并推動電流通過更寬的電路，直到停止。

中斷

中斷是指電源電壓或電流的完全丟失。根據(jù)中斷時間長度，可將其分為瞬時中斷（0.5 至 30 個周期）、短暫中斷（30 個周期至 2 秒）、暫時中斷（2 秒至 2 分鐘）或持續(xù)中斷（超過 2 分鐘）。

欠壓

電壓暫降本質(zhì)上是指交流電壓在給定頻率下持續(xù) 0.5 個周期至 1 分鐘的下降。電壓暫降通常是由系統(tǒng)故障或啟動電流很大的設(shè)備（如大型空調(diào)機組）引起的。

欠壓是長期問題導致電壓驟降的結(jié)果。術(shù)語“電壓下降”通常用于描述這種情況，欠壓會導致非線性負載（如計算機電源）故障，并可能導致電機過熱。

電壓驟升和過壓

突升與突降相反，突升是指交流電壓在 0.5 個周期至 1 分鐘的時間內(nèi)出現(xiàn)上升。突升的常見原因是三相系統(tǒng)中突然出現(xiàn)大量負載減少和單相故障。

與欠壓一樣，過壓也是長期問題導致電壓驟升的結(jié)果。持續(xù)的過壓情況會因為額外電壓的壓力而增加設(shè)備的發(fā)熱量，從而對數(shù)據(jù)中心空間造成極大損害。

波形失真

此類別包括正弦波中存在的所有失真，并進一步分類如下：

a. 直流偏移 - 當直流電流被引入交流配電系統(tǒng)時就會發(fā)生這種情況 - 最常見的原因是大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用的當前交流到直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的整流器故障。

b. 諧波 - 表示基頻正弦波在頻率為基頻倍數(shù)時發(fā)生失真 - 120Hz 是 60Hz 基頻的 2 次諧波。其影響包括變壓器過熱、斷路器跳閘和同步丟失。

電壓波動

電壓波動本質(zhì)上是電壓波形的系統(tǒng)性變化，變化幅度較小 - 頻率較低（通常低于 25Hz），約為標稱電壓的 95％ 至 105％。

頻率變化

這是穩(wěn)定的公用電力系統(tǒng)中極少發(fā)生的電能質(zhì)量問題。對于電力基礎(chǔ)設(shè)施較差且發(fā)電機負荷較重的數(shù)據(jù)中心站點而言，這確實是一個問題。

話雖如此，IT 設(shè)備具有頻率耐受性，不會受到所連接動力系統(tǒng)頻率的微小變化的影響。然而，頻率變化可能會導致電機旋轉(zhuǎn)得更快或更慢（具體取決于輸入功率）——這將影響其使用壽命和性能。

所有上述詳細問題的解決方案都是由不間斷電源來實現(xiàn)的，它從公用事業(yè)公司獲取交流電，用它為其儲能設(shè)備充電，然后向 IT 大廳提供干凈的正弦波和高質(zhì)量電源。

通過切換機制，即使在電網(wǎng)長時間斷電的情況下，UPS 也能保持電池充電并隨時準備運行，而不會對 IT 負載或 IT 設(shè)備產(chǎn)生影響。

冗余、關(guān)鍵性和“N”

我們現(xiàn)在了解了設(shè)施如何避免電力中斷，但如果設(shè)施中的設(shè)備本身出現(xiàn)故障怎么辦？這就是 UPS 系統(tǒng)冗余發(fā)揮作用的地方。

一個能夠提供IT負載所需的滿負載而僅此而已的UPS系統(tǒng)用“N”表示，其中的能量由N個子系統(tǒng)或組件提供。

“N+1”系統(tǒng)有一個附加組件，旨在支持單一故障或任何其他組件所需的維護。2N 代表完全冗余的鏡像系統(tǒng)，具有兩個完整、獨立的分發(fā)系統(tǒng)。

它們完全獨立，互不依賴，這意味著即使整個系統(tǒng)發(fā)生故障，另一個系統(tǒng)也可以安全地處理負載。UPS 是防止斷電和停機的第一道防線。首先，它調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和凈化交流電，將其轉(zhuǎn)換為直流電，以備 IT 設(shè)備使用；其次，它糾正了困擾任何電網(wǎng)的大量質(zhì)量問題。

不存在一種適合所有情況的 UPS 設(shè)計 - 所有者和運營商需要通過衡量 IT 負載和環(huán)境、業(yè)務(wù)目標和預(yù)算等因素來仔細考慮他們的要求。

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