数据中心机房用IT设备对UPS供电系统的技术要求

数据中心机房用IT设备对UPS供电系统的技术要求

为设计和构造一流的数据中心机房，应高度关注IT设备对UPS供电系统的以下关键技术要求和运行特性：允许的瞬间供电中断时间、输入电源的零地电压以及双电源输入的运行特性。与此同时，IT设备所允许的输入电源的电压和频率的波动范围很宽。

鉴于当今安装于信息网络机房内的绝大多数IT设备(服务器、小型机、交换机、光端机、网关、磁盘阵列机和网络通信设备等)均采用带输入功率因数校正(PFC)功能的开关电源作为其CPU／存储芯片的直流辅助电源，以及IT设备供应商为提高IT设备的运算能力而设计出的体积越来越小、功率密度越来越高的IT设备，如在IDC机房中，常用的高功率密度的刀片式服务器和大容量磁盘阵列机的功率密度有可能高达20~30 kW／机柜，其IC芯片所使用的直流辅助电源的电压呈现出越来越低的发展趋势，如从DC 5 V逐渐下降到DC 3．3~1．7 V，因此，位于信息网络机房内的IT设备对UPS供电系统提出如允许的瞬间供电中断时间、输入电源的零地电压以及双电源输入等的技术要求。

IT设备对UPS输出电源的适应能力很强。

由于当今的IT设备输入电源都采用开关电源的设计方案，因此，它对输入电源的适应能力很强。它所允许的输入电压和频率的波动范围相当宽，其典型值分别为380／220(1±20％)V和50(1±10％)Hz，如图1所示。这意味着只要是正规UPS厂家所生产的产品均能完全满足这些IT设备对输入电源的技术要求。这是因为目前UPS产品的典型输出电压的波动范围为：静态稳压精度<±1％，动态稳压精度<±5％，恢复时间<10~20 ms(UPS负载在执行0％-100％-0％的突然加载或突然减载操作时的运行特性)。UPS的典型输出频率为：当输入电源正常时，UPS的逆变器电源同步跟踪于其交流旁路电源的频率。此时的逆变器电源与交流旁路电源之间的相位差不超过1度~2度。当输入电源不正常或出现停电故障时，UPS 输出频率的稳频精度为<50(1±0．02％)Hz左右。此外，由于UPS的同步跟踪速率小于1Hz ／s，所以UPS的逆变器电源的输出频率不会发生突变。大量运行实践表明：在IDC机房中所实测到的UPS的输入和输出电压失真度仅为2％~3％。如表1所示为GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS的技术要求。

图1 不允许IT设备的输入电源存在

表1 GB 501 74—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS的技术要求

上述数据表明：对于当今的UPS而言，其输出电压和频率的波动范围远小于IT设备所允许的输人电压和频率的变化范围。因此，影响信息网络机房能否正常工作的主要因素并不在于UPS供电系统的输出电压和频率是否足够稳定。因此完全没有必要花过多精力去计较UPS电源的某项电压／频率指标是否满足GB 50174--2008《电子信息系统机房设计规范》以及YD／T 1095——2008《通信用不间断电源》中对UPS供电系统的技术要求：电压稳定度：<±3％(A级和B级机房)、<±5％(C级机房)以及稳频范围<50(1±0．5％)Hz。这是因为对于当今的UPS而言，其稳压和稳频的波动范围远小于在规范中所规定的技术指标。对于IDC 机房中的IT设备而言，它所允许的输入电源的电压和频率的波动范围远高于规范中所规定的技术指标。为此，建议将关注焦点转移到UPS电源的输入功率因数、效率、输出功率因数及其抗输出过载能力上。

不允许IT设备的输入电源存在大于8-20 ms的瞬间供电中断故障隐患

如图1所示，对于当今的IT设备和工控设备而言，在其运行过程中，它们所允许的输入电源的瞬间供电中断／闪断的时间仅为10—20 ms。近期的相关检测信息显示：对于某些新型的IT设备来说，它所允许的瞬间供电中断时间甚至已降至小于8 ms。这就意味着对于在重要的数据中心机房中所配置的UPS供电系统而言，运行中如果因故曾经出现过超过0．01s 以上瞬间供电中断事故的话，就会造成IT设备执行“先停电、再恢复供电”的所谓的“开机、自检型”误启动操作，从而导致因IT设备所运行的操作程序和应用软件系统崩溃，进而致使整个信息网络进入瘫痪状态，造成用户数据丢失，最终导致正常的运营活动被迫停顿。大量统计资料表明：一旦这种信息网络的瘫痪事故发生，要想让整个信息网络系统重新恢复正常工作，往往需耗时几十分钟甚至几小时。众所周知，当今社会生活中，各种生产操作和商业经营活动对信息资源的依赖程度越深，由信息网络系统的瘫痪事故所可能造成的危害性也就越大。对于这样的关键信息网络而言，即使只有一个重要／关键性的服务器发生瘫痪故障，也将带来巨大的经济损失。

对于金融／电信行业所使用的数据中心／托管机房来说，不仅它们自己的营业网站和重

要用户的网站所用的IT设备被连接在所配置的UPS供电系统上，而且金融系统的内部管理系统／电信运营商的话费收费系统和电话号码查询系统等信息资源管理系统也均由UPS供电系统负责供电。因此，一旦其UPS供电系统因故发生输出停电／闪断事故，有可能造成上述信息网络系统的运营活动陷入瘫痪状态，由此可能给企业带来数千万元的直接经济损失和大量的用户投诉、要求赔偿等事件的发生，导致公司信誉度下降，带来难以估量的间接经济损失。类似地，由于UPS供电系统因故出现输出停电／闪断故障而诱发的信息网络系统瘫痪事故也曾在气象、钢铁、民航、石化以及交通等行业发生过。

基于上述原因，对于承担着向关键信息网络机房供电的UPS供电系统而言，考察其设计及其维护水平高低的最关键、最重要的技术指标是能否确保彻底消除发生不小于8—20 ms 的瞬间供电中断／闪断事故的能力。从某种意义上讲，这是事关信息网络机房能否安全运行的生命线。

对于当今的信息网络机房的主管来说，为确保其UPS供电系统不会出现停电／闪断故障隐患，可供选用的供电方案有：

1)对于信息产业系统用IT设备和生产自动化的工控DCS系统而言，在20世纪90年代末以前，即采用以“单电源输入”为主的时代，为尽可能确保向这些用电设备提供“永不间断”型的供电需求，确保运行的连续性，常采用如下形式的“单总线输出”型的UPS冗余供电系统：

①串联热备份式UPS冗余供电系统，其可利用率为99．999％左右。

②“N+1”型UPS冗余并机供电系统，因UPS产品的质量高低和并机调机的水平不同，其可利用率为99．999％(每年平均停电时间5 min左右)~99．999 9％(每年平均停电时间32 s左右)。常见的UPS冗余并机系统有直接并机式和带集中并机柜式两种。

③“N+x”型模块化、阵列式的UPS冗余并机供电系统，因UPS产品的质量高低和并机原理的不同，其可利用率为99．999％~99．999 9％。对于这样的供电系统而言，当位于UPS 冗余供电系统的某台UPS因故故障时，仍然可确保向后接的用电设备提供高品质的UPS逆变器电源，不会发生UPS供电系统转入由普通的市电电源经UPS的交流旁路向负载提供可靠性很差的市电电源的不利供电局面，从而达到改善UPS供电系统容错特性的目的。

2)对于信息产业系统用IT设备和生产自动化的工控DCS系统而言，在采用以“双电源输入”为主的当今时代，为了充分利用这些“双电源输入”用户设备的技术优势、最大限度地向用电设备提供“永不间断”型的供电需求，确保它们运行的连续性，常采用由两台UPS 单机所组成的UPS“双总线输出”供电系统或由两套“N+0”型并机系统所组成的UPS“双总线输出”供电系统。对于这样的供电系统而言，正常工作时，分别由两台UPS或由两套“N+0”型并机系统经各自相互独立的两套输出供配电系统向负载供电。在其运行中，即使遇到其中一套UPS的输出供配电系统因故发生罕见的输出停电／闪断事故时，仍然可确保向后接的用电设备提供高品质的UPS逆变器电源，并不会造成对用户设备的供电中断，从而达到大大提高UPS供电系统容错特性的目的。

3)对于采用“双总线输出”设计方案的UPS供电系统而言，由于它能消除在UPS并机“单总线输出”供电系统中所可能出现的单点瓶颈故障，可将其可利用率从99．999 99％(每年平均停电时间3 s左右)提高到99．999 999％(每10年平均停电时间3 s左右)。在这里需

说明的是：对UPS的“多总线输出”供电系统而言，如果设计巧妙，不仅可以大幅度地提高UPS供电系统的可利用率，而且还有可能提高UPS单机的负载百分比和UPS的实际运行效率，从而达到既能降低UPS设备采购成本、又能降低UPS功耗的目的。

对于中、高档IT设备(如主机、小型机、服务器、磁盘阵列机和存储器)而言，期望它们输入电源的零线对地线的电压小于1．5 V。如位于信息网络机房中的PC机、低档服务器及网络通信设备等，一般说来，它们对采用三相五线制运行中输入电源零线对地线电压的大小并无特殊要求。然而，近年来数据中心机房的运行实践表明：对于中、高档的IT设备而言，则期望将其输入电源的零线对地线电压控制在不超过1．5 V的范围之内。根据GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》中对UPS供电系统的技术要求：应该将UPS供电系统零地电压的有效值控制在小于2 V的范围之内，因此本文建议将高频机型UPS的零地电压的有效值控制在小于1．5 V。对工频机型的UPS供电系统而言，可将它对零地电压的有效值的要求放宽到小于2 V。否则，如果其输入电源的零线对地线电压过高，则可能会带来如下的不利影响：

1)位于中、高档IT设备中的CPU芯片可能会发生偶发性的“莫名其妙”的损坏。这是因为按照过去传统的故障分析思维方式，往往会认为导致CPU芯片损坏的原因应该是UPS 的输出电压过高，然而事实并非如此。这是因为：对于当今的UPS而言，不仅其稳压精度已高达1％左右。而且还配置有完善过保护装置。在此条件下，导致CPU芯片损坏的原因是零地电压过高。

2)导致位于信息网络机房中的IT设备发生“死机”事故的几率增大。有关的统计资料显示i如果能将其输入电源的零线对地线电压控制在合适的范围之内，IT设备发生“死机”事故的几率将会被大幅度地下降。在此需要说明的是：在当今的UPS产业所提供的UPS产品中，其输出电源的零地干扰电压的频谱可大致划分为两类：

①50~100 Hz的低频型零地电压，其峰值为所检测到零地电压有效值的1．4~1．5倍。

②几千赫兹到几万赫兹的高频型零地电压，其峰值为所检测到零地电压的有效值的3倍左右。因此，在分析由零地电压所可能造成的危害性时，不仅需要关注零地电压的有效值大小，还应关注零地电压的频率的高低。显然，在有效值相同的条件下，零地电压的频率越高、峰值越大，它对IT设备所可能带来的危害则越大。正因为如此，从对IT设备的安全运行所可能产生的危害性来看，高频型的零地电压危害性远大于低频型的零地电压的危害性。

3)数据中心机房中绝大多数的IT设备的输入功率因数已从原来的0．7~0．8(滞后)变为当今的0．91~0．98(超前)。近年来，由于绝大多数IT设备所使用的开关电源都采用了输入功率因数校正技术，由此所带来的重大变化之一是使得其输入功率因数已从不带输入功率因数校正功能的低档IT设备的0．7~0．8(滞后)变成带输入功率因数校正功能的中、高档IT 设备的0．9～0．97(超前)。因此，为了适应这种变化，目前已有相当数量的UPS厂家已研制和生产出输出功率因数为0．9(滞后)的UPS产品，以便使得UPS的输出功率因数尽可能地同IT设备的输入功率因数相匹配，从而达到节能降耗的目的。同输出功率因数为0．8的UPS 产品相比，输出功率因数为0．9的UPS产品的实际带载能力可提高8％~10％。鉴于此，用户应优选这类UPS产品。然而，对于具备研发实力的UPS厂家而言，应该尽早地开发出能适应输入功率因数为0．91～0．97(超前)的IT设备的UPS产品，以便使UPS能向后接的IT设备

输出尽可能多的有功功率。有的厂家已开发出输出功率因数为1．0的UPS产品。

越来越多的IT设备和网络通信设备采用“双电源输入”的设计方案

众所周知，确保信息网络机房安全、可靠地运行前提有：①它所用的IT设备和网络通信设备本身必须具有尽可能高的可靠性。多年来的运行实践表明：在可能导致上述设备出现故障的诸多因素中，由于其内部的直流开关电源系统出现故障而致使IT设备和网络通信设备停止工作的比例为最高。相关的统计资料显示：这类设备的60％～70％的故障率来源于其内部的开关电源的故障率。②IT设备和网络设备的输入供电通道中，不应因存在单点瓶颈故障隐患而导致其输入电源出现停电／闪断故障。

为此，近年来越来越多的IT设备和网络通信设备厂家采用如下的冗余设计方案来最大限度地提高这些产品的可利用率。为IT设备配置具有双重冗余保护特性的直流开关电源型的供电系统：①为IT设备配置具有按“1+1”冗余工作特性运行的两套直流开关电源供电系统。②在每套直流开关电源供电系统中，采用热插拔的“N+1”型并联运行的设计方案，以便消除在直流供电系统所可能存在的单点瓶颈故障隐患。为IT设备配置具有热插拔功能的冗余式风扇冷却系统，以便消除因通风不良／风扇损坏而可能存在的热保护自动关机／热宕机型的故障隐患。对于采用单相“双电源输入”设计方案的中、高档机架式服务器／刀片服务器而言，其典型的控制框图如图2所示。在此，采用如下两种冗余配置设计方案来消除单点瓶颈故障隐患，以便能达到尽可能提高IT设备的可利用率的目的。

图2典型的“双电源输入”单相IT设备(服务器)的工作原理

1．“双电源输入”IT设备的调控原理

如图2所示，正常工作时，来自输入电源1和输入电源2的两路50 Hz、220 V的交流电源被分别馈送到“双电源输入”服务器内部的两套直流开关电源模块1、2的输入端上。在这里，两路交流电源分别经各自的带功率因数校正功能的高频开关电源进行AC／DC变换处理后，

被变换成两路直流稳压电源Udc-1和Udc-2(因各厂家的设计思路不同，常见的Udc的值有48 V或24 V两种)。这样的两路直流稳压电源Udc-1和Udc-2分别经由具有共阴极的二极管VD1和VD2所构成的共模驱动电路来向服务器中的DC／DC变换器供电。在这里，服务器中各控制部件所需要的各种直流辅助电源均由DC 48／24 V直流电源再经DC／DC变换器进行处理后获得。从理论上讲，当这种服务器的两路交流输入电源均正常工作时，由上述的两路直流电源供电模块来共同承担服务器所需要的负载电流。

2．可供选用的“双电源输入”IT设备

在目前市售的IT设备中，可能会遇到如下两种产品：

(1)负载均流型的“双电源输入”IT设备

对于这种“双电源输入”的IT设备而言，由于在它的两路直流稳压电源Udc-1和Udc-2之间配置有“自动均流”调控电路。所以正常工作时，由这两路直流电源平均分担后接的负载电流。因此，这种具有双电源输入特性的两套直流电源供电模块具有自动均衡带载特性。

在这种“双电源输入”IT设备的运行中，如果遇到其中一套直流电源供电模块的交流输入电源因故出现停电／闪断故障时，由剩下正常工作的另一套直流电源供电模块来继续承担全部负载电流，从而确保这台IT设备能不间断地正常运行。在此条件下，为确保服务器仍能获得足够的风冷能力，为这套剩下正常工作的直流电源供电模块中所配置的调速风扇的转速将会自动加快，以便带走更多的热量，从而确保它的安全运行。

由上所述可知：当两路交流输入电源都正常工作时，“双电源输入”IT设备经两套相互独立的开关电源模块1和2来获得它所需的能源。此时，由于每套开关电源模块仅需提供IT设备所需的50％功率。在此条件下，位于每套开关电源模块中的功放管(MOS管或IGBT 管)所产生的功耗仅为其额定功耗的25％。所以，可以大大提高IT设备的可靠性。同“单电源输入”的IT设备相比，这种“双电源输入”的IT设备的可靠性可提高5-6倍左右。

与此同时，两路不同的DC 48 V／24 V电源还分别驱动两组“N+1”型冗余的风扇组A 和B，以便能充分地满足对其内部的各种芯片的风冷需求，确保消除掉IT设备因散热不良而可能出现设备加速老化／过热保护型的自动关机／热宕机等故障隐患。

(2)非均流型的“双电源输入”IT设备

对于这种“双电源输入”的IT设备而言，为了降低成本，IT设备生产厂家并没有在它的两套直流稳压电源Udc-1和Udc-2之间配置有自动均流调控电路。因此，在IT设备运行中，从这两路直流电源馈送到后接负载的电流有可能相差很大。如从某型服务器所检测到两路交流电源A和B的输入电流分别为10．2 A和1．5 A，两者之间相差很大。在此条件下，往往会错误认为在这种“双电源输入”的IT设备中两路交流电源分别工作在主、从热备份工作状态。然而，事实并非如此。在这种非均流型的“双电源输入”IT设备的两路A和B交流输入电源中，并不存在固定的“主、从备用”关系。

类似地，在这种IT设备的运行中，如果遇到其中一套直流电源供电模块的交流输入电源因故出现停电／闪断故障时，由剩下正常工作的另一套直流电源供电模块来继续承担全部负载电流，从而确保这台IT设备能不间断地正常运行。

在此还需说明的是：为了防止位于服务器中的具有双输入供电特性的DC／DC变换器本身因故出现输出停电故障或在它的输出后端出现短路故障而导致宝贵数据丢失的不幸事件

发生，往往会采取由两路交流电源分别驱动PCI通信接口及采用镜像冗余调控方式运行的存储模块的设计方案(见图2)，以便在即便出现这种非常罕见的故障时，也不会出现丢失存储数据的事件发生。

(3)在服务器的开关电源供电系统中，采用热插拔的“N+1”型并联运行的设计方案

在采用“双电源冗余输入”的单相中、高档机架式服务器／刀片式服务器中(见图2)，为了确保它能获得尽可能高的可利用率和优异的可维护性，在所配置的具有“双电源冗余输入”特性的服务器中，不但为它配置有两套相互独立的直流电源供电模块，而且还在每套直流电源供电模块所用的直流开关电源供电系统中采用了具有热插拔更换功能的“1+1”型冗余并联式设计方案。因此在服务器运行中，如果因故致使其中的某套“1+1”式的冗余并联直流电源模块中的一台开关电源模块被损坏时，它会在将被损坏的直流电源模块自动从冗余并机系统中脱离出来的同时，发出报警信号。此时，值班人员可以通过执行热插拔式的在线操作来更换掉已出现故障的直流电源模块，无需对整台服务器执行关机的维修操作。因此，就可将服务器的脱机维修时间降低到零，从而达到最大限度地提高服务器的可利用率的目的。

采用这种“双电源输入”IT设备所带来的另一个显著优点表现在它对输入电源的极强适应能力上。具体主要体现在：①允许的输入电压的波动范围很宽：典型值为不超过±15％，允许的输入频率的波动范围不超过±10％。②对其两路输入电源而言，并不要求它们必须具有同频率、同相位和同电压幅值的苛刻的运行特性。只要这两路输入电源的频率和电压在其所允许的波动范围之内，不管它们是否来源于三相电源中哪一相的220 V单相电源均可确保这种IT设备的安全运行，如可以将幅值分别为AC 230 V的A相电源和幅值为AC 205 V的B相电源馈送到同一台IT设备的两条输入端上。显然，对于这种“双电源输入”IT设备而言，只要它的两路交流输入电源不同时出现停电／闪断故障均能正常工作。在此条件下，这种IT设备都能正常工作。正因为如此，“双电源输入”IT设备被广泛地应用于各种类型的数据中心机房中。

(4)由两路三相电源供电的的“双电源输入”IT设备

近年来，随着单台IT设备的功耗不断增大，如果再继续采用“单相输入电源供电”的设计方案的话，就可能带来如下麻烦：由于某台单相IT的输入功率特别大，使得难于确保将UPS供电系统的三相负载不平衡度控制在合理的范围之内(三相不平衡度的典型值为小于±15％~20％)。为此，近年来，IT设备生产商开发出由两路三相输入电源来供电的“双电源输入”IT设备(见图2)。

在这里，分别由两路三相电源中的A、B和C相所产生的6路单相电源来构成“3+3”型的“电源输入”的冗余供电系统来负责向大功率的IT设备供电。正常工作时，由6路幅值为220 V的单相电源来共同承担这种“双电源输入”IT设备所需的负载电流。在其运行中，即使遇到其中的3路单相电源因故同时出现输出停电或闪断的这种极为罕见的故障时，IT设备仍能正常工作，大大地提高了IT设备的可靠性。由此所带来的两个显著优点是：

①极大地提高了IT设备的可利用率，使其可利用率趋近于100％。这意味着可以将IT 设备发生宕机故障的几率降低到几乎为零。

②极易实现输入电源的三相平衡供电，从理论上讲，可将它的输入电源的三相负载的不

平衡度降低到几乎为零。

同样地，对于这种由两路三相电源供电的“双电源输入”型IT设备中的各路单相交流电源来说，既不要求其输入电源的频率和相位相同，也不要求其电压幅值相同。如可将两套UPS供电系统的幅值分别为370 V和395 V的两路三相交流电源馈送到这种“双电源输入”IT 设备中。为了能充分地发挥这种服务器的冗余输入特性，期望它们的输入电源应该尽量地来源于不同的UPS／市电供电源系统。只要条件允许，就应该尽可能避免采取由一套“N+1”UPS并机系统或由同一台UPS单机来供电的供电设计方案。正是基于这样的原因，由UPS“双总线输出”供电系统来负责向“双电源输入”IT设备供电的设计理念被越来越多的数据中心的主管所选用。“双电源输入”型IT设备的典型的应用案例及其主要运行参数如表2所示。

表2 某7U型刀片式服务器机箱的典型配置和主要运行参数

在常见的42U服务器机柜中，可以配置6台7U的服务器机箱(服务器机箱的高度=7U，1U=43．5 mm)。在每台7U型服务器机箱中的典型配置是：

①刀片托架：最多14个双路、刀片服务器／最多7个四路、刀片服务器。

②可选的千兆以太网交换机扩展卡：在刀片式服务器、管理模块和外部硬件之间建立千兆以太网通信。

③可选的双端口、光纤通道交换机扩展卡：提供具有高可利用率的经济型存储网络、各种SAN(Storage AreaNetwork)。

④直流电源模块：支持4个2 kW的带热插拔功能和冗余供电特性的直流开关电源模块，它们具有负载均衡供电和故障自恢复功能。⑤风冷式的冷却模块：两个带热插拔和冗余运行特性的风扇／鼓风机系统。⑥配置基于Web的管理软件：实时跟踪和监控IT设备的电力使用情况、温度和热量的变化，并以此为根据执行智能化的实时调控，从而达到既能有效避免因电源问题或冷却问题的调控不当而导致对刀片式服务器的供电中断或热保护性的宕机故障的发生，又能达到节能降耗的目的。

结束语

综上所述，在当今的数据中心机房中，不仅有单相的“双电源输入”的IT设备可供用户选用，而且还有三相的“双电源输入”的IT设备可供用户选用。对于这样的三相IT设备

而言，它不仅解决了IT设备的双电源冗余输入问题。而且，还解决了IT设备的三相负载的平衡带载的问题。上述事实表明：为了充分发挥“双电源输入”的IT设备优异的容错功能，UPS供电系统的设计者应该尽可能地采用由两路不同的UPS单机或两套UPS并机系统来负责向它们供电。相反，如果采用的是由同一套UPS供电系统来负责向具有“双电源输人”特性的IT设备供电的话，一旦发生该输入电源因故出现停电／闪断故障时，此时所有的IT设备都会因失去全部输入电源的供电而立即进入自动关机状态。显而易见，在此条件下，“双电源输入”IT设备的容错功能将丧失殆尽。