数据中心基础设施工程师必知必会-冗余篇

UPS能够在应急突发情况下，将建筑物的电力源分配到数据中心的关键负载。在每一个数据中心的供电保障系统中，UPS都扮演了不可或缺的角色。那么数据中心的冗余意味着什么呢？常见的冗余方式又有哪些呢？

一 数据中心容量“N”

1数据中心的冗余

长期以来，许多设计工程师试图创建完美的UPS解决方案，以支持关键负载。设计的工程师及制造商对于冗余系统有多种名字，例如并联冗余、隔离冗余、分布式冗余、热连接、热同步、多并联母线、系统加系统、捕集系统和隔离并联等。这些术语的问题在于，它们对不同的人有不同的含义，可以用不同的方式解释，但这些设计的名称往往不一定能表明它们在可用性范围内的位置。目前市场上的UPS冗余方式最常用的有四种，包括:

1) 隔离冗余；

2) 并行冗余；

3) 分布式冗余；

4) 双系统冗余。

下文，我们将会逐一介绍这四种冗余系统。

2容量“N”的定义

容量“N”系统由单个UPS模块或一组容量与临界负荷匹配的模块并联组成。单一系统是目前UPS行业中最常见的配置。

图1：容量为“N”的数据机房供电系统

3容量“N”的理解

设计容量为400kw的机房，无论配备一台400kw的UPS、还是两台200kw的UPS并联在一根公共母线上，都是N配置。N配置可以看作是为临界负载提供保护的最低要求。大多数“N”系统配置，特别是100kw以下的系统，都是安置在建筑物中，并不特别关心建筑物中整体电气系统的配置。

二 常见的几种冗余方式

1隔离冗余

什么是隔离冗余？隔离冗余有时被称为“N+1”系统，然而，它与并行冗余配置(也称为“N+1”)有很大的不同。隔离冗余设计概念不需要并联总线，也不要求模块必须具有相同的容量，甚至不需要来自同一制造商。在这种配置中，有一个主UPS模块，通常为负载供电。“隔离”或“二级”UPS给主UPS模块的静态旁路供电。这种配置要求主UPS模块有单独的静态旁路输入。这是一种为之前的非冗余配置实现冗余的方法，而无需完全替换现有的UPS。

在正常运行场景下，主用UPS模块承载全部临界负荷，隔离模块完全卸载。当主模块负载转移到静态旁路时，隔离模块将立即接受主模块的全部负载。此方式必须仔细选择隔离模块，以确保它能够如此迅速地承担负载。如果无法快速承载，它本身可能会转移到静态旁路，从而破坏这种配置提供的额外保护。而且通常来说，这种配置带来的可靠性收益往往被开关柜和相关控制的复杂性所抵消。

图2：隔离冗余数据机房供电系统

隔离冗余的优点：

✪ 灵活的产品选择，产品可以与任何品牌或型号混合；✪ 提供UPS容错功能；✪ 不需要同步；✪ 对于双UPS系统冗余来说，成本效益相对较高。

隔离冗余的缺点：

✪ 依赖主模块静态旁路的正确操作，从备用模块接收电力；

✪ 要求两个UPS模块的静态旁路必须正常工作，以提供超过逆变器能力的电流；

✪ 当二次UPS支持多个主UPS配置时，开关设备变得复杂和昂贵；

✪ 由于二次UPS负载为0%，运行成本较高，需要抽电维持运行；

✪ 两个模块系统(一个主要，一个次要)需要至少一个额外的断路器，以允许在电网和其他UPS之间选择旁路电源。这比具有公共负载总线的系统更复杂，进一步增加了人为错误的风险。

2并行冗余

什么是并行冗余？并行冗余（同样也称为“N+1”配置）允许单个UPS模块故障，而不需要将关键负载转移到实用电源。这种配置是将多个相同大小的UPS模块并联到一个公共的输出总线上。如果备用电量至少等于一个系统模块的容量，则系统为N+1冗余;如果备用电源等于两个系统模块，则系统为N+2冗余。并联冗余系统要求UPS模块的容量和型号相同。模块的输出是通过外部并联板进行同步的，或者在某些情况下，该功能嵌入UPS模块本身。采用并联冗余设计的UPS模块在正常运行情况下平均分担临界负载。当其中一个模块从并联母线上被移除时(或者如果它由于内部故障而被移除)，其余的UPS模块需要立即接受故障的UPS模块的负载。这种能力允许任何一个模块从总线上移除并进行修理，而不需要将临界负载直连到电网。

图3：并行冗余数据机房供电系统

并行冗余设计的优点：

✪ 因为如果其中一个UPS模块故障，可以利用额外的容量；

✪ 与隔离冗余相比，故障概率更低，因为断路器更少，而且模块一直在线(无阶跃负载)；

✪ 可在功率需求增加时进行扩展。可以在同一个安装中配置多个单元；

✪ 硬件布局概念简单，成本效益好。

并行冗余设计的缺点

✪ 两个模块必须是相同的设计，相同的制造商，相同的评级，相同的技术和配置；

✪ UPS系统上下游仍存在单点故障；

✪ 在维护期间，如果服务超出单个UPS模块的容量，负载可能暴露在无保护电源下。如果需要在并联板或并联控制或下游设备中提供服务，则负载将暴露在不受保护的电源下；

✪ 较低的操作效率，因为没有单个设备的利用率是100%；

✪ 每个系统的单一负载总线，单一故障点。

3分布式冗余

什么是分布式冗余？分布式冗余配置，也称为三冗余，通常用于今天的大型数据中心市场，特别是在金融机构中。这种设计是在20世纪90年代末由一家工程公司开发的，旨在提供完全冗余的能力，而不需要为此付出相应的成本。本设计的基础采用三个或更多的UPS模块，具有独立的输入输出馈线。独立的输出母线通过多个pdu连接到临界负载。在某些情况下，STS也用于此体系结构。从电网入口到UPS，分布式冗余设计和双系统设计(下一节将讨论)非常相似。两者都提供了并发维护，并最大限度地减少单点故障。主要区别在于为临界负载提供冗余电源路径所需的UPS模块的数量。随着负载需求“N”的增加，UPS模块节省的数量也随之增加。总的来说，分布式冗余系统通常被用于需要并行维护且空间有限的大型多兆瓦安装。

分布式冗余设计的优点：

✪ 如果所有负载都是双编码的，则允许对所有组件进行并发维护；

✪ 与2(N+1)设计相比，UPS模块更少，节省成本；

✪ 从任何给定的双线负载的角度来看，两条单独的电源路径从服务入口提供冗余；

✪ UPS模块、开关柜和其他配电设备可以在不将负载转移到旁路模式的情况下进行维护。

分布式冗余设计的缺点：

✪ 与以前的配置相比，由于开关的广泛使用，成本变得很高；

✪ 设计依赖于STS设备的正确操作，STS设备代表单点故障和复杂故障模式；

✪ 在拥有许多UPS模块、许多静态转换开关和pdu的大型安装中，很难保持系统负载均衡并知道哪个系统为哪个负载供电；

✪ 系统有许多操作模式和开关，使得人为的操作和检修变得困难；

✪ 由于UPS正常运行低于满负荷，存在效率低下的问题。

图6：分布式冗余数据机房供电系统

三 不同设计的可用性说明

1双系统冗余

什么是双系统冗余？“系统+系统”、“隔离并联”、“多并联母线”、“双端”、“2(N+1)”、“2N+2”、“[(N+1) + (N+1)]”、“2N”都是对这种结构变体的命名。有了这种设计，现在可以创建独立UPS系统，可能永远不需要负载转移到电网。这些系统可以设计成消除所有可能出现的单点故障。然而，消除的单点故障越多，实现这种设计的成本就越高。

大多数大型系统双系统安装UPS位于独立的、特别设计的建筑物。基础设施支持空间(UPS、电池、冷却、发电机、公用事业和配电室)的大小与数据中心设备空间相同甚至更大，这种情况并不少见。这是业界最可靠、最昂贵的设计。它可以非常简单，也可以非常复杂，这取决于工程师的愿景和业主的要求。

虽然这种配置已经有了一个名字，但设计的细节可能会有很大的差异，这同样是在负责该工作的设计工程师的视野和知识中。如图7所示，这种配置的2(N+1)变体围绕着重复的并联冗余UPS系统。最理想的情况是，这些UPS系统将从独立的配电板，甚至从独立的电网和可能独立的发电机系统中供电。由于数据中心内部所发生的事情的重要性和操作停机的成本，建造这类设备的极高成本已经得到了证明。许多世界上最大的组织都选择了这种配置来保护它们的关键负载。

图7：双系统冗余数据机房供电系统

双系统冗余设计优点：

✪ 两个单独的电源路径允许没有单点故障，容错率很高；

✪ 配置提供从服务入口到关键负载的完全冗余；

✪ 在2(N+1)设计中，UPS冗余仍然存在，即使在并发维护期间

✪ UPS模块、开关柜和其他配电设备可以在不将负载转移到旁路模式的情况下进行维护，旁路模式将使负载暴露在非条件电源下

✪ 更容易保持系统的均匀负载，并知道哪个系统向哪个负载供电。

双系统冗余设计缺点：

✪ 大量的冗余组件的数量，使得双系统是成本最高的解决方案；

✪ UPS长期处于低效率运行状态；

✪ 配电建筑需要全新设计来适配UPS系统。

2其他的供电冗余设计

传统的服务器电源线，根据负荷分为10A和16A两种，除了一些特殊定制产品以外，均采用IEC的标准接口（即C13、C19）。为实现服务器供电的可靠性，一般配置两个电源接口，当一路断电时，另外一路可独立满足供电需求。但在实际情况中，由于机柜后部温度较高、服务器风扇震动、运维人员操作不当等原因，会有一定概率导致电源线脱落。

在此情况下，关键部位的配电故障事实上很难从设计上进行修改，所以我们大多会从更高的安全冗余设计电源线来满足需求（如下图的突破电气自锁电源线）。

图8：突破电气自锁电源线

突破电气的服务器自锁电源线具备以下特点：

✪ 自锁设计牢固不脱落。在施加120N拉力的情况下都不会造成电源线脱落（产品的操作位置处于插头尾部，插入拔出时不会对电源或其他理线产生干扰）；

✪ 降低成本、节省人工。由于电源线变的足够可靠，不需要再预留线长，电源线长度可缩短了一倍甚至更多。另外，电源线不需要理线及使用尼龙绷带固定，从而节省了大量人工成本；

✪ 柜内电源排布更加简单、清晰，提高空气流动效率，降低空调使用率。传统电源线密布在机柜内，产生热量的同时阻碍了机柜内空气的流动，降低空调使用效率。自锁电源线的应用，使得机柜上架变得更加简单，柜内的电源排布更加清晰，提高空气流动效率，提升散热水平。