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现代数据中心对UPS系统的要求探讨

http://www.c114.net ( 2014/9/10 11:09 )
当前,信息与通信技术深刻改变着人类生产与生活的方式。以移动宽带、云计算、大数据、物联网为显著特征的ICT技术,正在重塑世界,成为引领人类社会下一轮可持续发展的新浪潮。今天的ICT技术,已经由过去以提高效率为特征的支撑系统,转变为驱动价值创造的生产系统。 数据中心是信息社会的关键基础设施,是ICT技术的核心载体。ICT技术发展带来的个人信息消费的增加与企业及各种机构的信息化建设与改造催生了巨量的数据中心建设需求。据ICT research预测,2012年至2020年间,中国数据中心的数量将从4万个增至8万个,从1000万m2增长至3000万m2。建设数据中心是一个复杂的系统工程,涉及建筑、制冷、供电等多个专业及不同的施工单位,建设周期长,投资巨大(仅基础设施部分即达到每平方米3-5万元)。但其作用非常关键,关系着未来十年企业信息系统的可靠运行。因此规划建设一个合理、经济、回报率高的数据中心非常重要。基础设施是整个数据中心的基础,而供电系统则是基础设施中最关键系统之一。笔者将从数据中心需求的角度分享自己关于供电系统建设与UPS选型的一些体会。 1. 易扩容性 数据中心的生命周期一般在十年左右,包括供电在内的各子系统容量在全生命周期内如何灵活弹性地匹配业务需求是数据中心建设中的重要难题。事实上,随着企业全流程与全业务向信息化平台迁移及数据爆炸带来大量数据存储与分析需求,数据中心的规模增长往往超出预期。传统数据中心因为架构问题难以实现按需扩容,而一次性建设一个严重超出初期需求的数据中心,将导致投资激增,各系统运行在低负载低效率状态,造成资源浪费与高运营成本。这种困境对数据中心系统实现在全层面、全颗粒度地根据业务需求弹性扩展提出了必然要求。 传统UPS是一个典型的无法按需扩容的系统。对于传统UPS 系统如果规划容量过小,无法满足业务增长时,需要进行扩容。但UPS系统扩容有较大的风险。扩容可能涉及上下游布线结构的更改,为了避免影响业务一般在闲时施工,扩容周期长;而复杂的施工过程使其对人员技能的依赖非常明显,增大误操作等带来的断电风险。为了规避这些问题,在传统大型数据中心建设中,一般会结合当前的业务需求与未来3-5年的业务发展综合考虑规划供电系统。这种方式又导致了另一种极端的出现,即系统刚投入运行初期UPS负载率非常低,甚至低于10%,导致巨大的能源浪费和资源浪费。因此能够弹性适配业务需求、按需部署、无扩容风险的的UPS供电解决方案势在必行。 图-1 实际容量远低于装机容量 2. 可用性 业务连续是数据中心的最基本最关键诉求之一。可用性是衡量业务处于可用状态即保障业务连续的基本指标,也是数据中心建设中一直关注的因素。可用性不同于可靠性,是一个综合可靠性与可维护性的概念,可更全面反应数据中心的真实需求。关于数据中心建设的重要标准TIA-942《数据中心电信基础设施标准》、《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008及Uptime Institute的白皮书均对数据中心的可用性做出了明确规定。传统数据中心IT系统一般通过使用高度稳定可靠的大型机及“两地三中心”架构确保IT系统的可用性, 基础设施则采用N+X冗余、2N甚至2( N+1)冗余的方式提升可用性,以确保单设备或单路故障不影响业务运行。 云计算技术的出现使IT设施的可用性有了极大的改善。当前基于X86等通用服务器的云计算数据中心中,虚拟化使存储、服务器等IT物理设施资源池化,业务在虚拟机上运行,而不再与某个具体设备绑定(烟囱式架构)。这样做带来两个优势,一是容错性明显改善,单个物理硬件的故障之后,业务可以迁移至其他虚拟机运行,不会因单个硬件故障导致业务中断,二是使IT硬件更易标准化、廉价化,IT硬件故障之后只需更换故障硬件即可,使IT硬件维护难度及其对维护人员的技能需求大幅降低,维护效率有效改善,降低运维成本。 图2 传统UPS可用性与IT系统形成巨大反差 与之形成反差的是,供电系统的核心UPS系统尤其是传统UPS系统,一旦出现故障必须由厂家专业人员进行维护,维护周期长,费用高。在维护期间,系统处于无冗余的状态,一旦再出故障,业务则会因无供电而中断。为了能更好地匹配现代数据中心的可用度需求,保障客户数据零中断,UPS系统必须在保障可靠性的同时,提高易维护性,以改善UPS系统的可用性。 3. 效率 能耗是数据中心的关键问题。随着数据中心越来越集中,规模越来越大,能耗已经成为运营者最关注的问题之一。动辄电费数千万甚至使部分数据中心陷入了建得起用不起的尴尬境地。从宏观的角度说,目前全球数据中心年耗电量约达3000亿度,导致大气中每年约增加2.35亿吨二氧化碳,为地球带来了沉重的环境负担。因此,无论是从企业节约运营成本的角度,还是从保护环境的角度,数据中心节能降耗都势在必行。对于我国,数据中心节能的需求更为迫切。目前我国数据中心PUE平均值约在2.2-3.0之间,而国外平均可以达到1.8,即IT设备每消耗1度电,我国数据中心的制冷供电等辅助设施要比国外数据中心多耗25%以上的电。
改造制冷系统是实现数据中心节能的有效方式。工信部于2013年发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》,即推荐大型数据中心建设在靠近电力资源丰富,便于利用自然冷源的地区,以降低数据中心PUE,节约能源。当前冷冻水制冷系统、密闭通道、近端制冷甚至自然冷却等均可实现较好的节能效果,已逐步在业界推广应用。
但仅仅依靠选用高能效比的制冷系统却并不能达到极致的效果。UPS系统的损耗也是数据中心能耗的主要组成部分,大约占到数据中心能耗的6%-10%。数据中心要进一步节能,必须选择运行效率更高的UPS。以1MW的数据中心为例,如果选用96%效率的高效UPS,将比选用85%效率的UPS,年用电量可少157万度以上。 图-3 不同类型UPS对PUE贡献差异可达0.1以上 4. 功率密度 随着IT技术的发展,体积更小、处理速度更快、功能更强大的高功率密度机架服务器、刀片服务器、存储服务器应运而生,在数据中心中的应用日益广泛。数据中心单机架功耗从传统的2KW ~ 3KW成倍的上升至10KW甚至20kW以上。 IT功率密度的快速增长对数据中心供电、制冷等系统带来极大的挑战。除了更大的电力制冷需求导致电力与冷量不足的问题,占地面积的矛盾也日益显现。相比IT设备,基础设施的功率密度并没有很大的提升。以UPS为例,传统工频UPS因内置用于升压和产生中线的输出变压器,功率密度难以提升,大约为100KVA/柜;而更为先进的高频UPS取消了输出变压器,功率密度约为200KW/柜,而最高仅能达到300kVA/柜。相比IT设备,UPS这样的保障设备功率密度增长缓慢,不仅没有为业务设备空间让位,反而进一步挤压了IT的空间,IT设备的功率密度越高,基础设施区域面积与IT区域面积比例就越大。宝贵的空间资源并没有应用到最该应用的地方,降低了数据中心的运营效率。因此,选用更高功率密度的UPS,让供配电让位于IT是数据中心的必然趋势。 5. 可管理性 当前数据中心规模不断增大,仅我国目前正在构建独立机架数量在1万个以上的超大型、PUE在1.5以下的数据中心即达20个;单个中大型数据中心需要管理的设备据统计达1000种以上,而功率密度的不断提升需要电量冷量等资源的管理更加精确,这些因素都促使了数据中心管理必须从传统粗放式、依赖人力的管理的模式向数字化、智能化、网络化、部署灵活的智能管理系统转变。为了让管理者清晰认识数据中心管理系统的现状与水平,451group基于全球数据中心状况调研发布了管理系统分级报告,以提供一可衡量的标准。451group将数据中心管理系统分为基本型、被动式、主动式、优化的和自我优化与自治五个等级。据统计,目前仅有30%的数据中心达到主动管理的等级。也即70%的数据中心只能达到被动式或者更低的管理等级。然而,一个运营高效的数据中心,其管理等级最起码要达到主动式以上。 表-1 不同等级的数据中心管理系统 管理等级的提高涉及到对数据中心方方面面的改造,如对供配电、制冷、环境、安防等均需实现完备实时的管理与控制。UPS作为供电系统的核心子部件,智能化程度不断提升不可避免。例如,实现对UPS自身及包括供配电、电池这些智能化程度较低的供电系统组成部分更强大实时的控制与监管功能,向网管提供更详细实时的运行状态信息,并根据业务运营状况接受调度,实现基础设施与业务的智能联动,达到整体效率性能最优状态等。 综上所述,从数据中心需求的角度上来说,最佳的UPS应该具有弹性扩容、高可用、高效率、高密度、智能化等特点。依据这个标准,笔者对数据中心中常用的工频UPS(Transformer-based)、高频UPS(Transformerless)和模块化UPS进行了一个比较,详见表-2: 表-2 不同类型UPS对数据中心需求的适配度 由表-2可见,工频UPS无论是可扩展性、可用性、效率还是功率密度方面都已经难以匹配数据中心的需求。而模块化则在这几个方面均表现优异,必将成为数据中心的不间断供电系统的主流选择。 作者:中国人民银行清算总中心园区管理部总经理 尼米智
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