數(shù)據(jù)中心UPS不間斷電源配置研究

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司 倪昀煒

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司黃赟

數(shù)據(jù)中心UPS不間斷電源配置研究

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司 倪昀煒

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司黃赟

通過科學(xué)建模，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)UPS（Uninterruptible Power System）配置軟件，從冗余、容量、效率、成本、裝機(jī)面積等參數(shù)入手，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)中心UPS不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)有效的參考選擇。從總體擁有成本TCO(Total Cost of Ownership)全生命周期角度，不僅考慮前期投資，而且對(duì)后期維護(hù)成本、節(jié)能運(yùn)行進(jìn)行綜合的考慮。

數(shù)據(jù)中心，不間斷電源系統(tǒng)，總體擁有成本

0 引言

數(shù)據(jù)中心機(jī)房按照重要性分A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)機(jī)房，按照GB 50174—2008（電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范）對(duì)各級(jí)機(jī)房不間斷電源系統(tǒng)（Uninterrup tib le Power System）容量及數(shù)量配置規(guī)定如表1 所示。

表1中N為UPS系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)負(fù)載容量供電所需的可以并機(jī)的UPS數(shù)量,M和X以及系數(shù)2為系統(tǒng)冗余參數(shù)，UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)就是確定N、M以及X參數(shù)。按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法在本申請(qǐng)中命名為規(guī)范設(shè)計(jì)。

表1 各級(jí)機(jī)房UPS系統(tǒng)配置規(guī)定

現(xiàn)有機(jī)房UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只是根據(jù)負(fù)荷情況來考慮配置情況，而沒有一個(gè)量化的考慮過程。UPS的負(fù)載率越高，UPS效率越高，見圖1 UPS負(fù)載效率曲線所示。在當(dāng)前機(jī)房節(jié)能的要求下，選用UPS時(shí)還會(huì)考慮系統(tǒng)的負(fù)載率，設(shè)計(jì)UPS方案時(shí)盡可能選擇負(fù)載率高的UPS配置方案[1]。

圖1 UPS負(fù)載效率曲線

選擇確定供電UPS的數(shù)量N，以及冗余系數(shù)M和X。設(shè)計(jì)中存在的問題有：

1) 分析沒有定量化。

2) 實(shí)際系統(tǒng)負(fù)載投入過程是一個(gè)漸進(jìn)的過程，比如系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行周期為10年，負(fù)載通常是逐年投入，最終小于或等于設(shè)計(jì)負(fù)載容量，見圖2數(shù)據(jù)中心負(fù)載投入過程所示，該過程對(duì)設(shè)備的負(fù)載率或運(yùn)行效率有較大影響。

如果說通信機(jī)房選用節(jié)能型UPS是一次節(jié)能，那么科學(xué)、合理地使用節(jié)能型UPS則是“二次”節(jié)能，是從“牙縫里”摳出的、“精打細(xì)算”的節(jié)能。因此，在不犧牲可靠性的前提下，如何參照系統(tǒng)總負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載、季節(jié)變化等因素的影響，配置單臺(tái)UPS的功率與數(shù)量；二次挖潛、減少UPS熱備份能耗，是“精細(xì)化”節(jié)能新的研究點(diǎn)，具有前瞻性。UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要考慮系統(tǒng)價(jià)格成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本，綜合考慮系統(tǒng)成本才能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)中心負(fù)載投入過程

1 UPS配置軟件設(shè)計(jì)與原理

本次UPS配置軟件設(shè)計(jì)過程中綜合考慮系統(tǒng)價(jià)格成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本以及設(shè)備建工及面積使用成本，以UPS系統(tǒng)綜合成本最小化即效用最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，也就是給定機(jī)房最終負(fù)載容量以及預(yù)期投入負(fù)載過程，計(jì)算各種方案中的設(shè)計(jì)設(shè)備成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本的綜合成本，來選擇最優(yōu)方案。圖3為設(shè)計(jì)過程[2]。

圖3 規(guī)范設(shè)計(jì)過程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要包括兩部分：規(guī)范設(shè)計(jì)和效用量化分析及最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

效用量化分析及最優(yōu)化設(shè)計(jì)在規(guī)范設(shè)計(jì)得到的可選用方案中，對(duì)每一個(gè)方案的設(shè)備成本（效用）、運(yùn)行成本（效用）、維護(hù)成本（效用）以及安裝建工及面積使用成本（效用）進(jìn)行計(jì)算，得到每一種設(shè)計(jì)方案的總的效用，選取效用最大的方案作為最終方案。詳細(xì)過程見圖4效用量化分析及設(shè)計(jì)過程。。其中效用最大化方案就是成本最小化方案。

圖4 效用量化分析及設(shè)計(jì)過程

2 UPS配置軟件參數(shù)選擇

系統(tǒng)正常工作前，需要對(duì)系統(tǒng)正常工作所需的參數(shù)進(jìn)行選擇設(shè)置，包括：

（1）可用UPS產(chǎn)品規(guī)格性能設(shè)置：包括產(chǎn)品品牌、型號(hào)、額定容量，額定功率、額定功率因素、負(fù)載效率曲線、價(jià)格、可并機(jī)數(shù)量；

（2）系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：人機(jī)交互輸入包括系統(tǒng)預(yù)期最大負(fù)載功率PN（KW）；系統(tǒng)生命周期Cy（年）；供電系統(tǒng)等級(jí)G（A或者B）

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)所需存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)信息量比較少，系統(tǒng)選用O ffice Access 作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括五個(gè)表格。數(shù)據(jù)庫(kù)表格見圖5，分述如下：

（1）產(chǎn)品信息表。

產(chǎn)品信息表存放所有可用于機(jī)房交流UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型的UPS型號(hào)規(guī)格數(shù)據(jù)，包括-產(chǎn)品ID、產(chǎn)品品牌、型號(hào)、額定容量，額定功率、額定功率因素、單價(jià)、可并機(jī)數(shù)量、單機(jī)無故障運(yùn)行時(shí)間、裝機(jī)面積、每次故障維護(hù)成本等。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)表格

（2）負(fù)載效率曲線。

UPS設(shè)備運(yùn)行時(shí)的效率和該UPS的空載損耗、比例損耗和二次方損耗相關(guān)，工程應(yīng)用中需要知道該UPS在不同負(fù)載率條件下的損耗或者效率數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)必須有設(shè)備供應(yīng)商根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，理想情況下需要設(shè)備供應(yīng)商提供從負(fù)載率5%～110%工況下的效率數(shù)據(jù)，負(fù)載效率曲線表格包括-負(fù)載率從5%～110%額定負(fù)載（間隔5%）時(shí)UPS產(chǎn)品的效率數(shù)據(jù)，需要輸入每個(gè)UPS產(chǎn)品的22個(gè)負(fù)載效率數(shù)據(jù)；字段包括：產(chǎn)品ID，5%～110%負(fù)載對(duì)應(yīng)的效率數(shù)據(jù)；產(chǎn)品ID和產(chǎn)品信息表中的產(chǎn)品ID對(duì)應(yīng)。

（3）負(fù)載投入過程表，指系統(tǒng)負(fù)載與持續(xù)時(shí)間。

在整個(gè)生命周期內(nèi)，根據(jù)預(yù)期實(shí)際負(fù)載大小，可以分為多個(gè)階段，所有階段的運(yùn)行時(shí)間累計(jì)為整個(gè)生命周期時(shí)間長(zhǎng)度。包括：負(fù)載階段、預(yù)計(jì)投入負(fù)載、持續(xù)時(shí)間（總的時(shí)間為一個(gè)生命周期）。

（4）機(jī)房參數(shù)設(shè)置表，指與特定機(jī)房相關(guān)的影響投資運(yùn)行成本的因素。

UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總是針對(duì)具體的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行的，相關(guān)的因素包括該UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等級(jí)，預(yù)期的最大負(fù)載容量，預(yù)期該UPS系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，另外每個(gè)機(jī)房所處商業(yè)位置不同，運(yùn)行過程中和整個(gè)UPS系統(tǒng)運(yùn)行成本相關(guān)的還應(yīng)包括布放UPS系統(tǒng)所需的安裝面積，不同位置機(jī)房的面積折算成本使用費(fèi)不等，應(yīng)該考慮UPS系統(tǒng)占用面積及面積使用成本，該表包括-機(jī)房編號(hào)、機(jī)房名稱、設(shè)計(jì)等級(jí)、設(shè)計(jì)負(fù)載容量、設(shè)計(jì)生命周期、單位面積建工成本、單位面積使用成本。

（5）機(jī)房可行方案，存放經(jīng)過計(jì)算后設(shè)計(jì)機(jī)房的可行UPS設(shè)計(jì)方案。

建立UPS設(shè)備型號(hào)庫(kù)后，給定設(shè)計(jì)機(jī)房的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過UPS組節(jié)能優(yōu)化方法，計(jì)算不同UPS配置方案情況下，在整個(gè)生命周期內(nèi)運(yùn)行所涉及的總的投資成本，可以得到最優(yōu)的配置方案。每一種可行UPS系統(tǒng)配置方案包括：機(jī)房編號(hào)，方案編號(hào)，方案模式，選型設(shè)備，設(shè)備費(fèi)用，能耗費(fèi)用，維修費(fèi)用，面積費(fèi)用，總費(fèi)用。機(jī)房編號(hào)由用戶自己設(shè)定，方案編號(hào)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。

4 UPS配置軟件主要功能

工具軟件通過EXCEL表單實(shí)現(xiàn)，主要包括4個(gè)表單：

表單1——工具軟件簡(jiǎn)介；

表單2——工具軟件操作使用方法；

表單3——設(shè)計(jì)頁(yè)面

表單4——打印輸出頁(yè)面

圖6 技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

主要功能通過表單3和表單4實(shí)現(xiàn)。如圖6所示，包括3個(gè)按鈕，保存當(dāng)前機(jī)房設(shè)置信息、保存當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)置信息、計(jì)算可行配置方案。工具軟件使用前，必須輸入所有可用UPS型號(hào)的產(chǎn)品信息，并進(jìn)行保存。接下來設(shè)置設(shè)計(jì)機(jī)房信息，并進(jìn)行保存，最后只要通過點(diǎn)擊《計(jì)算可行配置方案》按鈕，就可以列出該機(jī)房的可行配置方案，每個(gè)方案包括UPS配置模式、選型設(shè)備以及總的投資運(yùn)行費(fèi)用，根據(jù)費(fèi)用大小可以確定在已有可選UPS產(chǎn)品設(shè)備前提下的最經(jīng)濟(jì)UPS配置方案。

5 設(shè)計(jì)頁(yè)面

通過輸入機(jī)房信息、UPS產(chǎn)品信息，軟件最終輸出機(jī)房UPS設(shè)計(jì)信息，見圖7。

圖7 機(jī)房設(shè)計(jì)信息輸出

6 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

通過本軟件的建立，可以為設(shè)計(jì)人員提供參考。例如對(duì)于設(shè)計(jì)容量為300kVA的情況，以往可能使用2+1的配置模式，但是通過軟件的評(píng)估，發(fā)現(xiàn)采用2+1的配置方式，在整個(gè)使用周期內(nèi)，其成本為2764萬元，而1+1的模式雖然在初始成本比2+1模式高了3萬元，但是其總成本為2335萬元，可節(jié)約429萬元。

7 結(jié)束語(yǔ)

UPS的規(guī)劃建設(shè)一直沒有一套統(tǒng)一有效的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參考，在以往的設(shè)計(jì)中往往只看重設(shè)計(jì)的可用性，而沒有從后期使用角度來進(jìn)行評(píng)估，而本軟件就旨在從本處著手，不僅考慮前期投資，更是對(duì)后期維護(hù)成本進(jìn)行綜合的考慮，旨在通過本軟件，給專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)有效的參考選擇。

[1]谷立靜,周伏秋,孟輝.我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗及能效水平研究.中國(guó)能源[J],2010,32(11).

[2]漆逢吉，《通信電源》，北京郵電大學(xué)出版社

Research on UPS(Uninterruptable Power Supp ly) Configuration in Data Center

Ni yun wei,Huang yun

Through scientific modeling,it p rovides with UPS(uninterrup tab le power supp ly) configuration software designed for data center.From redundancy to capacity,efficiency,cost, installation area,etc,it combined w ith ac tual operation database so that designers could have a valid reference for selec tion of UPS in data center.In the point view of TCO(total cost of ownership),based on life cyc le perspective it considers not only initial investm ent but also m aintenance cost and comp rehensive energy-saving operation.

data center;uninterrup tab le power supp ly(UPS);total cost of ownership(TCO)

倪昀煒，工程師。現(xiàn)供職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司，擔(dān)任動(dòng)力運(yùn)行維護(hù)一職。畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)于上海交通大學(xué)攻讀在職研究生。對(duì)通信機(jī)房的配電及動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)有深入研究。