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隨著借助軟件使得IT容錯持續(xù)得到改善，當(dāng)前的業(yè)界越來越傾向于N +1 UPS的架構(gòu)趨勢，而非2N架構(gòu)。目前，有兩種常用的方法用于N +1架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)：一起并聯(lián)多個單一的UPS或借助多個配置為N +1冗余的內(nèi)部模塊部署一個單一的UPS框架。在本文中，我們將為廣大讀者諸君介紹在內(nèi)部的 模塊化 冗余UPS和并聯(lián)冗余的UPS之間進(jìn)行量化時，所需考慮的關(guān)鍵性的權(quán)衡要素；并為大家展示當(dāng)部署了內(nèi)部冗余之后，其所為數(shù)據(jù)中心帶來的27%的資本成本節(jié)約，并使得部署時長縮短了1-2周的時間。此外，我們還將討論在UPS中的容錯對于確保數(shù)據(jù)中心的可用性、可靠性和可維護(hù)性需求得到滿足的重要性。

基于其所支持的負(fù)載的臨界性的不同，每處數(shù)據(jù)中心均需要實(shí)現(xiàn)不同程度的冗余。雙路徑架構(gòu)（例如，兩個獨(dú)立的電源路徑）能夠提供最高級別的可用性，維護(hù)或故障可以在任何系統(tǒng)發(fā)生，而不會對負(fù)載造成任何影響。

然而，在今天的數(shù)據(jù)中心，我們在IT層正看到越來越多的容錯通過軟件發(fā)生。借助諸如虛擬化和超融合等技術(shù)，一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障也就同時意味著IT任務(wù)也將隨之停滯的現(xiàn)象已然一去不復(fù)返了。如果一臺物理服務(wù)器由于上游故障而出現(xiàn)故障運(yùn)行失敗，或需要按計劃進(jìn)行定期性的維護(hù)，數(shù)據(jù)中心能夠?qū)I(yè)務(wù)功能遷移到另一臺服務(wù)器，另一個pod，另一處機(jī)房，或一處完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)中心。

盡管可用性仍然是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵目標(biāo)，但有些業(yè)內(nèi)人士發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在這一目標(biāo)可以通過諸如在UPS這樣的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的N + 1冗余來實(shí)現(xiàn)。在本文中，我們將為廣大讀者準(zhǔn)君詳細(xì)闡明能夠幫助您企業(yè)實(shí)現(xiàn)UPS系統(tǒng)N + 1冗余的不同方法，并量化投資成本、部署時間、效率和可靠性，同時，還將探討在UPS內(nèi)部的容錯能力對于確保數(shù)據(jù)中心的可用性、可靠性和可維護(hù)性需求得到滿足的重要性。

術(shù)語的澄清

在許多關(guān)于數(shù)據(jù)中心的討論中， N + 1 這一術(shù)語經(jīng)常與各種UPS配置互換使用。下面，我們將定義關(guān)鍵性的術(shù)語，以澄清三種具體的 N + 1 配置之間的區(qū)別。

l N + 1冗余：實(shí)現(xiàn)彈性，以確保在組件發(fā)生故障的情況下系統(tǒng)可用性的一種手段。組件（N）至少有一個獨(dú)立的備份組件（+ 1）。簡而言之， N是指我的需求，而1則意味著我有一個備用。

l 隔離冗余：一項特定的N + 1配置。在此配置中，有一個主的或 首要的 UPS模塊通常供給給負(fù)載。這種配置要求首要的UPS模塊為靜態(tài)旁路電路有一個獨(dú)立的輸入。 隔離 或 輔助的 UPS供給給主UPS模塊靜態(tài)旁路，并且是完全卸載的。

l 并聯(lián)冗余：一個特定的N + 1配置。由多個并聯(lián)的、規(guī)模大小相同的UPS模塊組成，共用一條輸出總線。并聯(lián)冗余系統(tǒng)需要UPS模塊的容量和模型完全相同。

l 內(nèi)部 模塊化 冗余：一個特定的N + 1配置。這是我們在這本文中所定義的一個新的術(shù)語，因?yàn)槠淠壳吧腥狈餐拿辉谶@一配置中， + 1 在UPS框架內(nèi)部發(fā)生，一般是在電源模塊級別。在這一配置中，有一個共享的背板、控制系統(tǒng)和電池廠。

在本文中，我們將為大家重點(diǎn)比較并聯(lián)冗余和內(nèi)部 模塊化 冗余 兩種N + 1配置，其中的 +1 組件是積極有效的（而不是待機(jī)）。下圖1概念性地展示了 +1 在每種情況下的發(fā)生。

圖1 并聯(lián)冗余和內(nèi)部 模塊化 冗余在概念上的差異

配置細(xì)節(jié)

為了突出強(qiáng)調(diào)在選擇一款無冗余UPS與一款N + 1 UPS時的權(quán)衡取舍，我們已經(jīng)分析了三種具體的配置。在這三種情況下，我們選擇了1MW的額定容量。

1、基準(zhǔn)的1N配置：一款單一的1000 kW UPS，沒有冗余（由四個 內(nèi)部 250千瓦模塊組成）；屬于基本情況2、內(nèi)部 模塊化 冗余N + 1配置：一款模塊化的1000 kW UPS，包括五個 內(nèi)部的 250 kW模塊（其中四個用于容量和一個用于冗余）

3、并聯(lián)冗余N + 1配置：三款500 kW UPS 框架 配置作為并聯(lián)冗余（兩個用于容量和一個用于冗余）

基本的1N配置

借助一款1N UPS設(shè)計，任何組件的故障都需要轉(zhuǎn)移負(fù)載到UPS旁路或環(huán)繞旁路。最簡單的例子是一款單一的UPS額定支撐整個負(fù)載。某些UPS被設(shè)計成模塊化和規(guī)?；承﹦t是具備固定的容量。我們所分析的1N UPS是一種模塊化設(shè)計，由在一個單一的框架內(nèi)的四個250千瓦的模塊組成，以達(dá)到1000千瓦的額定容量。1N也可以由多個單元并聯(lián)在一起以共同實(shí)現(xiàn)所需的容量來實(shí)現(xiàn)。下圖2展示了我們所分析的1N UPS.

圖2 基本的 N 配置

內(nèi)部 模塊化 冗余N + 1配置

與在基準(zhǔn)情況下所描述的一樣，模塊化的UPS也可以通過添加額外的電源模塊來提供N + 1冗余。參見下圖3.這種內(nèi)部模塊化冗余N + 1配置與配備了額外的一個第五250千瓦模塊的基準(zhǔn)情況是一樣的。電池系統(tǒng)由四個并聯(lián)的電池組成，每個電池都有自己的斷路器，所以在一個電池的故障不會導(dǎo)致整個電池系統(tǒng)的癱瘓。如該圖所示，UPS輸出總線和電池（DC）總線是為所有的模塊所通用的，因此它們代表了需要轉(zhuǎn)換到環(huán)繞式旁路的UPS系統(tǒng)的單點(diǎn)故障。

圖3 內(nèi)部 模塊化 冗余配置

并聯(lián)冗余N + 1配置

下圖4顯示了我們所分析的第三種情況。在這種情況下，三款獨(dú)立的UPS并聯(lián)在一起，共用一個輸出總線。每個UPS的容量為500千瓦，所以第三個UPS是 +1 冗余。如該圖所示，借助一個并聯(lián)的冗余配置，每個UPS有其自己的電池系統(tǒng)（每個由三個并聯(lián)串組成），其提供了一個額外水平的冗余，其在模塊化UPS中并不存在。 UPS輸出總線仍然代表一個單一故障點(diǎn)，在這種情況下，與其它兩種配置所不同的是，輸出總線是在UPS外部且是現(xiàn)場安裝的。

圖4 并聯(lián)冗余配置

注意，有時并聯(lián)冗余UPS的部署具有一個共同的電池組。這樣做的好處在于節(jié)省成本（較少的電池費(fèi)用），但是，該配置現(xiàn)在在容錯性/可靠性方面更類似于內(nèi)部的 模塊化 配置。下面的分析假設(shè)每個UPS都有其自己的電池系統(tǒng)。

資本支出比較

在一般情況下，內(nèi)置到UPS配置中的冗余越多，其成本就越昂貴。這對于那些為一個特定水平的冗余制定業(yè)務(wù)案例的數(shù)據(jù)中心管理者們而言是具有挑戰(zhàn)性的。如下，我們將對上述三種配置進(jìn)行一個資本成本分析，以幫助數(shù)據(jù)中心的決策者們進(jìn)行成本/收益的權(quán)衡。

方法和假設(shè)

當(dāng)估計每種設(shè)計的成本時，我們使用了配置的詳細(xì)單線圖。資本成本包括了材料和安裝費(fèi)用。安裝成本包括勞動力和所有的電纜、管道、吊架、釬柄等，材料成本包括UPS、維修旁路柜、輸出斷路器、電池系統(tǒng)及組件裝配服務(wù)。我們已經(jīng)排除了輸入斷路器，因?yàn)槠渫ǔ１患俣榘惭b在建筑內(nèi)部。

未包括在本分析中的額外的成本費(fèi)用有：纜繩裝備、存儲、持續(xù)的維護(hù)和空間費(fèi)用。即使是為每種配置的一個理想的布局，較之其他兩種配置，第三種配置也將需要約25%以上更多的空間，這代表了當(dāng)建筑數(shù)據(jù)中心空間時，所帶來的額外的節(jié)省。

分析的關(guān)鍵假設(shè)是：安裝成本是基于弗吉尼亞州北部的美國平均電氣設(shè)備安裝率。

所有電線被置于電氣金屬管（EMT）內(nèi)。

UPS的輸入開關(guān)距離主開關(guān)設(shè)備15米（？？50英尺）。第一二種配置采用1600A 3線纜+ 接地線；第三種配置采用2000A 3線纜+ 接地線。

UPS距離UPS輸入開關(guān)3米（10英尺）。 第一二種配置采用1600A 3線纜+接地線達(dá)到1000千瓦的UPS，而第三種配置采用800A 3線纜+接地線達(dá)到均為500千瓦的三個UPS.輸出UPS開關(guān)設(shè)備距離UPS 3米（10英尺）。第一二種配置采用1600A 3線纜+ 接地線；第三種配置采用700A 3線纜+ 接地線。

環(huán)繞（維修）旁路距離為6米（20英尺）。第一二種配置采用1600A 3線纜+ 接地線；第三種配置采用2000A 3線纜+ 接地線。

負(fù)載距離UPS輸出開關(guān)15米（50英尺）。第一二種配置采用1600A 3線纜+ 接地線；第三種配置采用2000A 3線纜+ 接地線。

調(diào)查結(jié)果

下圖5總結(jié)了三種配置的資本成本之間的差異。如圖5所示，內(nèi)部的 模塊化 冗余是128美元/千瓦（26.9%），資本成本比并聯(lián)冗余配置低，而基線情況是29美元/千瓦（6.1%），資本成本比內(nèi)部 模塊化 冗余低。

圖5 三種配置的成本/千瓦時比較

下表1按主要費(fèi)用類別提供了對每種設(shè)計的估計費(fèi)用的更進(jìn)一步的細(xì)分比較。所有費(fèi)用均歸到額定UPS容量的成本/千瓦。雖然在大小容量的UPS之間的每千瓦成本是有差異的，但該表格提供了關(guān)于各種不同方法之間的相對成本差異的合理指導(dǎo)。

表1 成本比較的詳細(xì)結(jié)果

部署速度

除了N + 1配置之間的資本成本的差異，對部署的速度也有影響。如下，我們將討論一個單一的UPS的安裝較之一組并聯(lián)冗余UPS的安裝進(jìn)度。

一個1兆瓦的UPS的典型安裝需要大約6-8周的時間跨度（包括關(guān)鍵步驟之間的緩沖）。這段時間內(nèi)發(fā)生的主要活動包括：l 安置UPS系統(tǒng)房間的準(zhǔn)備，包括清潔墊的準(zhǔn)備。這項活動按計劃通常需要分配一個星期。然后，在房間準(zhǔn)備與交付期間通常有一個星期的緩沖時間，以確保房間交付真正準(zhǔn)備好。

l UPS的交付和裝配。一個1000 kW的UPS系統(tǒng)通常非常笨重。 此步驟一般需要分配2至3天的項目進(jìn)度。

l UPS管道的運(yùn)行。這項工作需要大約一周的時間。

l 線纜和終端配置調(diào)試。這項工作通常在日程安排中分配一周的時間。

l 啟動和測試。項目進(jìn)度表一般需要在UPS的完全連接和調(diào)度啟動之間安排大約一周的緩沖。這是考慮到在安裝過程中可能出現(xiàn)的任何意外的問題。然后需要一個星期的測試。

對于1N設(shè)計和內(nèi)部的 模塊化 冗余UPS而言，這些安裝步驟都是相同的，一個例外是在框架中增加一個額外的電源模塊。因此，安裝成本是相同的。對于一個并聯(lián)冗余的UPS配置，其中大量的UPS必須并聯(lián)在一起，典型的部署時間要多1 2 周或并聯(lián)系統(tǒng)需要25%-30%的更長的時間。安裝、配置和保證各單位之間通信的多單元安裝設(shè)置的額外現(xiàn)場工作如下：l 更多終端用于更多的電源l 更多設(shè)置到位的單位l 更多單位的啟動l 更多單位加載到測試l 并聯(lián)和同步檢查l 更多的測試/執(zhí)行程序l 更多的控制線和監(jiān)測點(diǎn)。

借助一個模塊化UPS，多個內(nèi)部的 模塊 可用于增加容量或冗余，上述工作列表在出廠設(shè)置中完成，這不僅節(jié)省了時間，同時也提高了結(jié)果的可預(yù)測性。除了更快的初始安裝，模塊化的UPS具有能夠隨著時間的推移以最小的工作實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘮U(kuò)展的能力，使得添加新的UPS到非模塊化設(shè)計只需要幾個小時而無需幾天或幾周的時間來布線及調(diào)試。

對效率的影響

一款UPS的能量效率是取決于其所操作運(yùn)營的負(fù)載。而且，由于增加冗余意味著增加額外的（備用）容量，冗余可以對效率產(chǎn)生影響。假設(shè)1000千瓦額定容量有80%的負(fù)載，這是一個典型的閾值數(shù)據(jù)中心的操作運(yùn)營設(shè)置，在本文中所分析的UPS配置將以800kW的負(fù)載操作運(yùn)營。下表2顯示了對每種配置對于負(fù)載百分比的影響，并以這一假定的負(fù)載為前提。

表2 配置對UPS負(fù)載的影響

但是，任何低負(fù)載的特定UPS的效率，其實(shí)是因制造商、模型的不同而異的，并應(yīng)進(jìn)行調(diào)查作為規(guī)劃過程的一部分。下圖6展示出了兩款UPS曲線 一種在輕負(fù)載情況下，比全負(fù)載的效率要低得多（左圖），而另一個則具有一個相對平坦的曲線（右圖）。左圖中的UPS具有較大的固定損失，這會導(dǎo)致其在較輕負(fù)載情況下效率下降，在這種情況下，增加冗余，會帶來更多的電力成本。讓對于右圖中的UPS，添加冗余會對能源成本的影響可忽略不計。事實(shí)上，最佳效率的載荷范圍是在40-60%內(nèi)。而在《使大型UPS系統(tǒng)更高效》一文中，則詳細(xì)介紹了效率曲線的更多背景及數(shù)據(jù)中心運(yùn)營點(diǎn)對能源的影響。此外，一款權(quán)衡工具（UPS效率比較計算器）可幫助對比兩種不同的UPS曲線，來分析其對于效率和電力成本的影響。鑒于能源消耗成本對于數(shù)據(jù)中心而言是一項非常重要的判決準(zhǔn)則，因此，對于UPS預(yù)期的運(yùn)行負(fù)載進(jìn)行評價是相當(dāng)重要的。配置中所添加的冗余越多，操作運(yùn)營負(fù)載的百分比越低。

圖6 效率和負(fù)載之間的百分比關(guān)系。左邊的UPS在輕負(fù)載時的效率要低得多，右邊的UPS有平坦的曲線。

風(fēng)險容忍度

基于其所支持的應(yīng)用程序的重要性程度的不同，每處數(shù)據(jù)中心均有不同水平的風(fēng)險承受能力。正如我們前面提到的，通過像虛擬化和超融合技術(shù)，使得IT層的容錯能力持續(xù)得到改善?；谒渴鸬募夹g(shù)，以及對于硬件停機(jī)成本對于業(yè)務(wù)（定量和定性）的了解，不同UPS配置的成本溢價和可用性的改進(jìn)，可以就UPS的冗余水平作出一個適當(dāng)?shù)臎Q策。

成本分析表明，從一個1N設(shè)計到內(nèi)部的 模塊化 N + 1冗余設(shè)計有一個小的溢價（6.5%），而從內(nèi)部的 模塊化 到一個并聯(lián)冗余N + 1設(shè)計則有一個更大的溢價（36.8%）。如下，我們將定性的討論三種配置的停機(jī)風(fēng)險。下表3總結(jié)了這些風(fēng)險。

表3 停機(jī)風(fēng)險比較

借助1N設(shè)計，在UPS或其電池內(nèi)的任何故障都將帶來一個到靜態(tài)旁路的轉(zhuǎn)移。在這種操作模式下，一款實(shí)用程序的故障會影響到IT硬件。

借助內(nèi)部的 模塊化 冗余，現(xiàn)在有一個備用電源模塊，使得一個單一模塊內(nèi)的故障不需要轉(zhuǎn)移到靜態(tài)旁路。相反，單個模塊本身會脫機(jī)，而負(fù)載仍然由其他活動模塊備份。失敗的模塊可以通過在環(huán)繞旁路安置整個UPS在稍后被替換。然而，在這個設(shè)計中會有一個單點(diǎn)故障。例如，電池系統(tǒng)中的一個故障失?。ㄈ珉姵財嗦菲魈l）將強(qiáng)制轉(zhuǎn)移到靜態(tài)旁路，因?yàn)橹挥幸粋€單一的電池組。同樣，如果UPS需要預(yù)防性維護(hù)，負(fù)載將被切換到靜態(tài)旁路或環(huán)繞旁路，二者都不受電池的保護(hù)。

借助一個并聯(lián)冗余UPS配置，對于停機(jī)會有一個額外的保護(hù)。因?yàn)槎鄠€獨(dú)立的UPS都有其自己的電池組，在單個UPS或其電池內(nèi)發(fā)生故障時，負(fù)載可以留在受保護(hù)的UPS電源。但是，這又帶來了一種新的危險，通過控制、通信和電纜阻抗，以確保負(fù)載在整個UPS是共享的。在本文中，我們將聚焦于一個N + 1配置，其中N = 2，但根據(jù)所需的總功率和選定的UPS的規(guī)模，N可以大于2.隨著N的增加，不僅成本和部署時間會增加，可靠性也可能會由于所有UPS在所有工作模式下平均分擔(dān)負(fù)載的挑戰(zhàn)的增加而下降。

人為錯誤對各種配置的可用性也會有影響。設(shè)計中所涉及的安裝領(lǐng)域的工作越多，停機(jī)風(fēng)險越大。

人為錯誤

安裝過程中的現(xiàn)場工作越多，人為錯誤就越有可能導(dǎo)致更大的停機(jī)風(fēng)險；而在出廠設(shè)置中所完成的工作則更加可預(yù)測、更可靠。

在本文所介紹的三種配置，考慮了輸出總線上的故障（將導(dǎo)致重大故障的負(fù)載）。借助一個模塊化UPS，該總線是在UPS內(nèi)部，因此，是在出廠時安裝的。而在并聯(lián)冗余UPS的情況下，輸出總線在現(xiàn)場被安裝，這增加了由于人為錯誤所導(dǎo)致的停機(jī)的風(fēng)險。

一款UPS的容錯屬性

容錯使得一款系統(tǒng)能夠在某些組件出現(xiàn)故障的情況下繼續(xù)工作（在本案例情況下，即繼續(xù)支持IT負(fù)載）。某些UPS被設(shè)計為有更高水平的容錯能力。當(dāng)數(shù)據(jù)中心在選擇一款UPS時，考慮其容錯設(shè)計屬性是非常重要的；特別是如果所選的架構(gòu)是由一個單一的UPS框架所組成的（如配置1和2）。下面是容錯設(shè)計屬性的示例：l 電源模塊冗余（逆變器/整流器）

l 風(fēng)扇冗余l(xiāng) 控制器電源冗余l(xiāng) 電池組冗余l(xiāng) 通信總線冗余l(xiāng) 控制系統(tǒng)冗余l(xiāng) 靜態(tài)開關(guān)大小比預(yù)期的最大載荷更大，以適應(yīng)高峰/階躍負(fù)載的IT設(shè)備和下游的PDU通過在傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)解決關(guān)鍵單點(diǎn)故障的臨界點(diǎn)，一旦數(shù)據(jù)中心需要更高級別的冗余（如2N），就可能能夠依靠這些機(jī)制，確保關(guān)鍵負(fù)載的運(yùn)行。下圖7是以這種理念所設(shè)計的UPS容錯的一個例子。

圖7 施耐德電氣公司具備容錯設(shè)計屬性的UPS系列：Galaxy VX

     一個普遍的看法是，物理上分開的機(jī)箱需要隔離故障，但其并不總是關(guān)于物理分離，而是關(guān)于內(nèi)置于機(jī)箱盒子里的防御水平。

結(jié)論

隨著 N + 1 成為數(shù)據(jù)中心的一個更常見的UPS架構(gòu)，理解并權(quán)衡不同的方法就變得更重要。這樣，數(shù)據(jù)中心的決策者們才有可能基于他們的風(fēng)險承受能力、資金預(yù)算和時間進(jìn)度安排制定最明智的決策。

在本文中，我們探討了兩種常見的N + 1部署（并將其與1N設(shè)計進(jìn)行了對比）方法在資本成本、部署時間進(jìn)度安排、效率和可靠性方面的差異。主要結(jié)論概述如下：l 成本：內(nèi)部的 模塊化 N + 1冗余的UPS配置較之一個1N設(shè)計的資金成本溢價為6.5%.而并聯(lián)冗余N + 1配置較之內(nèi)部 模塊化 N + 1冗余配置的資金成本溢價為36.8%. l 部署時間進(jìn)度安排：較之部署一個1N設(shè)計或內(nèi)部 模塊化 N + 1配置，并聯(lián)冗余配置的部署需要多出大約25-30%的時間。這是現(xiàn)場安裝、設(shè)置、配置，并確保單獨(dú)的各單元之間的通信所需的額外的工作所導(dǎo)致的結(jié)果。隨著時間的推移，并行冗余配置增加容量也需要更長的時間。

l 對效率的影響：冗余會對一款UPS的運(yùn)行負(fù)載百分比產(chǎn)生影響，這意味著其對效率和電力成本的影響。然而，在今天許多UPS的設(shè)計均具有非常平坦的效率曲線（較低的固定損失），其效率峰值在部分負(fù)載時。這使得這種影響可以忽略不計。

l 風(fēng)險容忍度：較之內(nèi)部的 模塊化 配置，并聯(lián)冗余配置將為數(shù)據(jù)中心負(fù)載提供更高的可用性。內(nèi)部的 模塊化 冗余設(shè)計處于1N和并聯(lián)冗余設(shè)計之間。當(dāng)選擇一個UPS時，考慮設(shè)計屬性所導(dǎo)致的UPS容錯是非常重要的。

內(nèi)部的 模塊化 冗余在為一個小的成本溢價規(guī)避風(fēng)險方面提供了顯著的收益，并且對于效率和部署時間進(jìn)度安排方面相對沒有影響。并聯(lián)冗余UPS提供了更高的風(fēng)險規(guī)避，但在成本和部署時間方面有更高的溢價。最后，要交由數(shù)據(jù)中心的決策者根據(jù)他們的業(yè)務(wù)需求在不同的設(shè)計配置之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。

文章編輯：CobiNet(寧波)  
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