第75号白皮书版本4
>摘要
作者KevinMcCarthy，EDG2Inc.VictorAvelar SchneiderElectric
要从建筑物的市电电源为数据中心的关键负载配电，有5种主要的UPS系统设计配置方案可供选择.要为特定应用环境选择合适的配置方案，必须充分考虑该应用环 境的可用性需求、风险承受能力、数据中心的负载类型、预算以及现有基础设施等情况.本文对这五种配置进行了说明，并逐一论述每种方案的优缺点.随后，的设计方案. 分析了每种配置方案的可用性，并阐述了如何选择合适
在多数发达国家中，公共配电系统已然相当可靠，但有研究表明，即使是最完美的市电网络也不处理错误这一情况，大多数公司都选择在公共配电系统与其关键负载之间安装不间断电源（UPS） 可能完全满足那些不间断的重要数据处理运营中心的需求，面对市电电源有可能引起停机及数据系统.为应用环境选择何种UPS系统设计配置方案会直接影响到该应用环境中的IT设备的可用 性.影响系统可用性的因素有多种，包括人为错误、设备的可靠性，维护水平以及恢复时间等等.而以上每种因素对整个系统的可用性所造成的影响，在很大程度上是由所选择的配置方案决定的.
简介
长久以来，很多设计工程师都试图设计出完美无瑕的UPS解决方案为关键负载提供支持，不过他们的设计方案却往往不一定达到设计方案的可用性范围，警如，并联沉余，串联瓦余.分布式制造商赋予不同UPS配置方案的名称.这些名称的问题在于，对于不同的用户，它们可能具有 元余、热连接，热同步、多路并联总线、双系统以及故障预鉴系统等等，这些都是设计工程师或最常用的不外乎五种.这五种方案包括：（1）容量，（2）串联究余，（3）并联余，（4）分布式元 不同的含义，可以存在很多种解释方式.虽然目前市场上的UPS配置名自繁多且差别甚大，但余，（5）双总线系统.
本文对这些UPS系统配置方案进行了说明，并逐一论述每种方案的优缺点，选择系统配置方案时，应当根据负载的关键程度而定.此外，还要考虑停机所带来的影响以及公司的风险承受能力， 这样才能更好地找到合透的系统配置方案，
本文还介绍了如付为特定应用环境选择恰当的配置方案的一些指导方针，
与成本 可用性等级
可用性
数据处理中心日益增长的可用性需求，推动着UPS配置的不断发展.“可用性”即电源保持供电并正常运行以支持关键负载的时间百分比估算值.附录中的可用性分析对本文所介绍的几种配 置之间的可用性差异进行了量化.如同其他任何模型一样，为简化分析过程，必须对模型做出一些假设，因此，本文中的可用性值要比实际应用中的可用性高.为便于比较这五种常用的设计 配置，表1中给出了一个简单的可用性等级，根据附录中的分析结果对这几种方案的可用性进行了排名.详细了解这些不同配置之后，您会发现这种排列顺序是根显而易见的.
分级
设备故障干扰的免疫能力，另一方面取决于执行正常维护和例行测试以保证关键负载供电的能力. 一切UPS系统（以及配电设备）都需要定期进行维护.系统配置的可用性一方首取决于配置对UptimeInstitute一篇名为《采用分类等级的方式定义场地基础设施性能的工业标准》的文章中中所述的等级涵盖了本文中提及的五种UPS结构，表1中对此进行了简要摘录， 进一步讨论了此主题.TIA-942标准也对Tier分级提供了相应的信息，Uptime Institute文档
以下术语常用于描述各种分级，也用于描述分布式余和双系统余的配置，
并行维护一为了进行维护或例行检查，能够关停任何电气组件，或子组件而不需要将负载转移至 直接使用市电供电的能力，
单故障点一电气供配系统中的一个元件在某些时候会导致宕机时间，而在系统中没有开发相应方法来规避这种风险.一个N配置的系统就无可避免的具有一些列的单故障点，在设计上消除它们是余的重要一环.
加固一设计一个系统或者楼宇，并使之能够抵抗自然的破坏和抵抗各种接连发生于电气系统的故雕的干扰.这种防错和容错的能力：例如，两个UPS系统不会安置在同一个房间之内，而且电 池组不会和UPS模块在同一个房间之内.断路器的协调也是这些设计方案的重要一环.合理的断路器协调能够阻止楼宇中大的区城发生短路.
加固一个楼宇也意味着能让它抵抗各种突发事件，例如风，龙卷风和洪水，这还需要考虑到楼宇的选址.例如设计楼宇远离100年间发生洪水的平原，避免飞机的航线从上方经过，较厚的墙 壁和无窗设计都会有助于提高抵抗力.
成本
配置的可用性等级越高，其成本也越高.表1列出了每种设计方案的大致成本范围，该成本指的是建造一间新的数据中心所需的成本，因此，其中不仅包括UPS结构的成本，还包括数据中心 的整个网络关键物理基础设施（NCPI）的成本.后者包括发电机，开关装置，制冷系统，消防系统，活动地板，机架、照明设施，物理空间和整个系统的调试成本.这些还只是前期成本，还不方米（30平方英尺），且功率密度范围为每机架2.3kW至3.8kW，如果分担成本的设备占地 包括运营成本，比如维护成本等.在计算上述成本时，我们假设每个机架平均占地面积为2.8平积增大，每机架的成本也将随之降低.
表1
UPS配置的可用性等级与成本
配置 可用性尺度 Tier分级 数据中心成本 （美元）容量（N) 1=最低 每机架13 500-18 000美元串联余 2 TierII 每机架18 000-24 000美元并联元余（N1） 3分布式余 4 Tier III 每机架24 000-30 000美元双系统（2N，2N1) 5=最高 Tier IV 每机架36 000-42 000美元
什么是“N"？
说明：在UPS设计配置的计算过程中，通常采用字母“N”来指代UPS设计配置.例如，并联 元余系统也称作N1设计，而双系统设计可以用2N亲表示.“N”可以简单地定义为关键负载立碰盘余阵列）系统等IT设备来解释“N”的用途.例如，如果存储容量需要4个磁盘，且RAID系统正好包含4个磁盘，则称这是一个“N”设计.反之，如果RAID系统有5个磁盘，而存储容量只需要4个磁盘，则为“N1”设计.
10或15年的支持，事实证明，按照这一原则进行规划是根困难的，20世纪90年代，为便于提 一直以来，在规划关键负载电源时，必须充分考虑以后的发展，以使UPS系统可以为负载提供供讨论框架并比较各种设施，普提出了“瓦特/单位面积”的概念，但由于人们对“单位面积”的含义无法达成共识，这种电源度量指标造成了很多误解，近来，伴随着技术精简的大超势，人 们逐渐采用“瓦特/机架”的概念来表示系统容量，事实证明，由于单位空间内的机架数量根容易统计，因此这种度量方式的准确性更高，无论如何选择负载“N”，有一点很重要，那就是应 当从一开始便选择好配置方案，使设计过程沿着正确的方向进行.
大.了解更多详情，请参见第37号白皮书《避免数据中心和网络机房基础设施因过度规划造成 如今，涌现出了可扩展的模块化UPS系统设计，从而可以使UPS容量随着IT需求的增长而扩的资金浪费）
系统 容量或“N”
简而言之，N系统指由单个UPS模块或容量与关键负载规划容量相等的一组并联UPS模块构成的系统.迄今为止，这种类型的系统是UPS行业中使用最为广泛的配置，办公桌下的小型UPS即属于N配置，同样，对于规划设计容量为400kW，面积为500平方米（5000平方英尺）的 计算机房，如果采用单个400kW的UPS或在公共总线上采用两个并联的200kW的UPS，那么也属于N配置，因此，可以将N配置视作为关键负载供电的最低要求，
虽然上述两例均可视为N配置，但其中的UPS模块设计却有所不同，与小型UPS不同，超出时，将负载安全地转换到市电，UPS到静态旁路的转换点都经过制造商的仔细选取，以便为关 单相容量（大约为20KW）的系统都设置有内部静态旁路开关，以便在UPS模块出现内部问题键负载提供最妥善的保护，同时也保护UPS模块本身不会受到损害.下面举例说明了这些保护 措施中的一种措施：在三相UPS应用中，模块通常都具有额定过载能力指标，该指标的一种表述形式为“模块将承载125%的额定负载达10分钟”.因此，一旦负载达到额定值的125%，常水平，则模块会将负载安全地转换到静态旁路，启用旁路的情况还有很多种，UPS模块的规 模块将启动一个计时程序，其内部时钟将开始倒数10分钟.10分钟后，如果负载仍未恢复到正格说明中会对此进行详细阐述.
扩充N配置的一种方式是为系统提供“维护”或“外部”旁路，若采用外部旁路，那么在需要进行维护时，可以将整个UPS系统（模块和静态旁路）安全地关闭，维护旁路与UPS共用共用一 个配电盘，并且与UPS输出端直接相连.当然，正常情况下这条电路处于断开状态，仅当UPS模块转换到静态旁路时才合上，在设计过程中，必须采取某些措施以防止当UPS未转换到静态 旁路时，维护旁路电路接通，如果安装正确，维护旁路可确保UPS模块安全运行而无需担心负载停机，因而是系统中一个极为重要的组件.
大多数“N”系统配置，尤其是低于100kW的配置，都用于对整个电力系统配置无特殊要求的情况.图1显示了常用的单模块UPS系统配置. 建筑环携中，建筑物的电力系统一般都采用“N配置，因此，“N”UPS配置刚好可满足这种
图1单模块“容量”UPS配置
“N”系统的缺点
可用性有限，因为如果UPS模块出现故障，负载将转换到旁路供电，从而处于无保护电在UPS，电池或下游设备维护期间，负载处于无保护电源下（通常，这种情况每年至少会 源下.发生一次，而且往往会持续2-4小时）.缺乏余，限制了在UPS发生故障时对负载的保护能力，存在多个单故障点，这意味着系统的可靠性由其最薄弱的环节决定.
串联余配置有时也称为“N1”系统，不过，它与通常情况下用N1表示的并联余配置截然不同.串联余设计概念既不需要并联总线，也不要求模块的容量必须相同，基至不要求模块来自同一个制造商.在该配置中，正常情况下由一个主要的或“主”UPS模块为负载供电.同 时，一个“串联”的或“辅助”的UPS为主UPS模块的静态旁路供电，该配置要求主UPS模块的静态旁路具有单独的输入电路.这种方式可以在保留现有UPS的情况下，对之前的无余 配置进行扩充，以获得一定程度的余.图2显示了串联余UPS配置，
串联余
在正常运行条件下，主UPS模块将承担起全部关键负载的供电，串联模块不承担任何负载，一 旦主模块负载转换到静态旁路上，串联模块将即刻接受主模块的全部负载，因此，必须仔细选取串联模块，以确保它能够迅速承担起负载，如果它不能完成该任务，它自身或许可以转换到静态 旁路，但这样一来，便使得该配置方案所提供的沉余保护消失殆尽.
单故障点，因此，维护旁路仍然是一项重要的设计功能.整个系统每年需要停机2-4小时，以便 对于这两个模块而言，只需将负载转换到另一个模块，便可轻松提供服务，由于输出线路仍存在复杂性所抵销，MTechnologylInc，是一家专业高可靠性电气系统咨询公司.该公司曾今进行的 对系统进行预防性的维护，虽然该配置方案的可靠性提高了，但往往却被开关装置及相关控件的可靠性比较分析，通过使用概率风险评估（PRA）技术，MTech开发了用于量化串联瓦余系统和非余系统的模型.最基本的故障树分析忽略了人为失误，元件老化和环境因素导致的故障， 显示出串联余系统不会在物理上影响故障率（不可靠性），两个系统的年故障率都是1.8%.模式的发生几率较小，但是分析指出为系统增加复杂性和额外的组件不可避免的增加了潜在故障的概率.MTech认为当考虑到人为失误和组件老化的影响，串联余的反面意义就变得更加明显.串联余系统的运维比非串联余系统要复杂得多，而且人为失误发生的几率也要高得多. 串联余设计所带来的预防性维护程序的益处经不起严格仔细的推敲和审查，串联余UPS设计最重要的受益人是那些最初销售设备然后从对额外的UPS维护服务中获利的人或组织，客户 的设备并不受益于高可性的供电.
