如何优化UPS的工作模式为数据中心节省运营成本

随着大数据和云计算的不断发展，大型、高密数据中心的建设应运而生，而大型数据中心带来的耗电量也是巨大的。据统计目前数据中心的能耗已占到全球电量的2%至3%。高可靠、低能耗、易维护的供配电系统成为数据中心建设的核心诉求，而UPS作为其源动力，发挥着至关重要的作用。

大型数据中心要求电力系统高可靠性，T4级数据中心可靠性99.995%，平均每年只能有48分钟故障时间，服务中断时间小于24分钟，UPS 电池最少满负载备份时间（需要有发电机应急电源系统）不少于15分钟。当市电发生输入中断，就由蓄电池、UPS逆变为负载提供不间断电源，来持续保障业务的正常运营。UPS工作时整流器和逆变器都会产生功率损耗，例如电价为1元/度，以400KVA的UPS为例，UPS效率每提高1%，一年节省的电费为(400KVA×1)×0.01×24×365×1=35040元。所以如何提高UPS的工作效率，是降低数据中心运营成本的一个亟待解决的问题。

一、 数据中心UPS系统设计规划

对于数据中心的供电系统解决方案而言，应优先考虑提高它的可利用率。按照TIA-942所推荐的供电系统可利用率的分类标准，可分为Tier-4级、Tier-3级、Tier-2级和Tier-1级。Tier-4级供电系统是由两路UPS所组成的2N型供电系统来向IT设备供电，它能确保负载”永不停电”，具备故障容错功能，其可利用率最高，适用于中大型的高端数据中心。Tier-3级供电系统是由1路市电+1路UPS/HVDC所组成的2N型供电系统来向IT设备供电，它使负载的供电系统具有可在线维护特性，其可利用率次之，适用于中大型的中端数据中心; Tier-2级供电系统是由N+1台UPS所组成的冗余供电系统来向IT设备供电，适用于中小型数据中心; Tier-1级供电系统是单机系统，其可利用率最低，适用于小型机房。

举例：某数据中心设计每个机房模块机柜200个，容量为3KW/个。

IT设备负荷计算如下表：

备注：为了能够完全与供应电源兼容，输入功率因数需要接近1

根据IT设备负荷计算进行UPS选型，UPS容量按照2N方式配置，选型计算如下表：

备注：高冗余度的UPS系统其设计额定负荷水平通常在40％～50％之间

UPS设备选型为在线双变换式，采用空间矢量调制及全数字化控制技术。共分为两组，每组配置为4台400KVA UPS并机运行，第一组UPS为1#、2#机房IT设备A路供电，第二组UPS为1#、2#机房IT设备B路供电，正常运行时每组UPS各承担50%，当一组UPS故障时由另一组UPS承担全部负荷。

二、　UPS供电系统的“系统级”休眠技术

就绝大多数的数据中心机房UPS而言，不管实际营运的负载有多大，这一系统中的全部UPS均投入运行。而通常数据中心的负载是分步增长的，尤其是IDC机房，初期机房很空、负载很轻,这时所有的UPS都开动起来本身就是一个很大的能源浪费；另外就UPS的效率曲线而言，其效率与负载率成正比变化关系，负载率越低效率也越低。

假设每套并机初期的负载总量仅为一台的容量（实际往往会更低，某运营商的数据中心，运行一年多了，负载仅为一台的1/4），那么四台并机工作时每台UPS的负载率为25%，以500KVA的12脉冲UPS为例，在这一负载率下的效率仅为85%以下，这意味着约有2*15%*500KVA*0.9＝135KW的电被白白浪费掉了。更为致命的是，对于多台并机系统而言，如此低的负载率很容易引起并机系统振荡，导致UPS故障和系统宕机事故。

因此，为了提高可靠性和减少大量能源在低负载下的白白浪费，数据中心机房UPS系统采用绿色休眠节能技术是非常必要的。这一技术能在负载较低的情况下，自动根据当前总负载的大小，决定投入运行UPS的台数，在保证应有的N+1冗余供电情况下，退出多余的UPS并使其进入休眠状态，以达到安全运行与节能的目的。

针对前述的负载，具有绿色休眠技术构成的每套UPS并机系统将仅有两台UPS投入工作保证系统的1+1，其余UPS处于休眠状态基本不消耗电能，这样每台工作UPS的负载率将达到约50%，对于12脉冲UPS其相应的效率也提高到90％左右(IGBT整流UPS此时的效率将高达95%)，减少了能源的损耗。

绿色休眠技术的采用，不仅实现了节能增效的目的，也提高了整个数据中心机房UPS供电系统的运行可靠性。从运行的可靠性来看，休眠技术通过使多余的UPS休眠退出，减少了并机的实时并机台数，即从设计的3+1变为了实际运行的1+1或2+1，使并机系统的连续运行稳定性得以成倍提高；休眠技术提高了带载率，减少了并机系统振荡的风险；此外，处于休眠状态的UPS与正常运行的UPS相比，其自身可靠性也得到明显的提高。

三、数据中心UPS工作模式与运营成本分析

通常数据中心的负载都是分步增长的，初期机房很空、负载很轻,这时所有的UPS都开动起来本身就是一个很大的能源浪费；另外就UPS的效率曲线而言，其效率与负载率成正比变化关系，负载率越低效率也越低。

UPS逐台投入，后面就需要根据负载变化，在线扩容并机。在正常工作中，并机系统中多台UPS分别承当负载电流，其可靠性比承当所有负载电流的单机系统高。

下面就不同负荷情况与UPS工作模式选择，来分析下与运营成本的关系。

（1）数据中心部署初期，设备上线数量少，UPS负荷率低，因此UPS逆变器效率处于较低水平。在这种情况下，如何提高UPS负荷率成为重要问题。初期按照UPS 40%负荷率确定运行数量，随着业务发展需求，IT设备负荷增加，UPS逐台投入运行。

比如初期每个模块机房部署100台机柜，每台机柜用电量为3KW。根据一般工商业电价计算每年度UPS电费成本，见下表：

IT设备初期低负荷情况下，两组UPS设备及IT设备用电量为705.88KW，每年运营电费为494.68万元。

如果初期部署，UPS容量按照2N方式配置,负荷计算如下表：

则相应的UPS电费成本计算，如下表：

IT设备初期低负荷情况下，两组UPS设备及IT设备用电量为666.67KW，每年运营电费为467.20万元。与4台UPS并机模式比较，每年节约电费为494.68-467.20=27.48万元。

（2）数据中心IT设备满负荷情况，比如每个模块机房部署满了200台机柜，每台机柜用电量为3KW。根据一般工商业电价计算每年度UPS电费成本，见下表：

IT设备满负荷情况下，两组UPS设备及IT设备用电量为1333.33KW，每年运营电费为934.40万元。

当数据中心部署满负荷正常运行时，为保证2N配置，两组4台UPS并机系统全部投入运行。这种情况下采用UPS热待机休眠模式，既可以提高UPS负荷率，UPS全部在线又可以保证系统运行的安全性。IT设备满负荷时，每组UPS运行2台，另外2台处于休眠状态，负荷计算及电费成本计算见下表：

则相应的UPS电费成本计算，如下表：

IT设备满负荷情况下，两组UPS设备及IT设备用电量为1276.60KW，每年运营电费为894.64万元。与传统4台UPS并机全部在线工作模式比较，每年节约电费为934.40-894.64=39.76万元。

由此可见，低负载情况下UPS设备的效率将会产生能源损耗，因此需要依据实际负荷水平进行优化工作模式。UPS系统的负荷水平尽量随时保持在较高的水平，以达到提升UPS系统的运行效率并降低损耗的目的。

四、 UPS系统设计选型应注意的问题

UPS的设计和选型对于数据中心供电系统的建设具有重要意义。市场上UPS品牌、类型众多，按照运行方式一般分为双变换式UPS、互动式UPS、后备式UPS。双变换式为在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载供电。当交流输入供电超出UPS预定允差时，UPS单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者的较短时间），连续向负载供电。互动式为在正常运行方式下，由适合的电源通过并联的交流输入和UPS逆变器向负载供电。后备式为在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由UPS开关供电。UPS供电方式通常分为单机工作、热备份串联、直接并机、模块并机及双母线（2N）方案。由于双母线（2N）系统不存在单点故障，大大增加了数据中心供电可靠性，因此在大型数据中心广泛应用。在选型时除了考虑设备成本外，还应考虑并机系统休眠功能、待命单机投入运行及各单机轮询等技术指标。

另外UPS能效分级运行模式也可以使其工作效率处于较优状态，我们可以根据不同情况进行合理模式选择。

第一级――“UPS级”绿色休眠节能模式。在输入市电品质很好的情况下，将市电通过UPS旁路直接供电给数据中心的IT负载，从而使整个UPS系统的供电效率高达惊人的99%，实现了“UPS基本不耗能”的节能降耗总目标。在这一模式下，UPS内部的整流器、充电器处于深度休眠，逆变器处于浅度休眠状态，不仅基本不损耗电能，更使主功率器件处于休眠状态，提高了这些UPS内部核心部件工作的可靠性并延长其工作寿命。

第二级――双变换工作模式。当市电交流输入电源的指标超出预定的容限时，UPS立刻转换到整流、逆变的双变换模式，此时的UPS满载工作效率通常在93%左右。

第三级――电池放电工作模式。当市电的电压与频率超出了UPS整流输入所允许的电压与频率范围时，UPS将关断整流器，进入电池放电工作模式，此模式下UPS的满载工作效率约94%。

通过上述的三级运行模式，结合当前数据中心机房输入市电的品质，可使UPS在90%以上的运行时间都工作在安全、节能的第一模式，保证了90％的时间内UPS的效率达到99%。

五、结语

企业级大型数据中心，要求高等级、高可用、高可靠性。IT设备由UPS系统提供不间断电源，UPS供电方案采用双母线（2N）容错系统，保证了数据中心设备供电的安全可靠。由于UPS整流器、逆变器等元器件技术指标的限制，导致UPS设备损耗电能，在负荷率低的情况下，逆变器效率明显下降。因此在IT设备部署初期、部署中期和部署全部完成时，根据实际负荷变化情况，选择不同UPS工作模式，从而优化UPS的工作效率，可以大大降低数据中心的运营成本。

作者介绍：

孙杰 北京中油瑞飞资深架构师，国内数据中心运维管理社区技术专家。

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