权衡N+1冗余UPS配置之间的成本、部署速度与可靠性#不间断电源ups#
摘要：
随着通过软件实现IT 容错的持续改进，越来越多的数据中心倾向于采用N+1 冗余的UPS 架构，而非2N 架构。一般而言，实现N+1 冗余配置的常见方式有两种：将多个单一UPS 并机或部署一个包含多个内部模块的UPS 主机，以实现N+1 冗余。在本文中，我们对内部“模块化”冗余UPS 和并机冗余UPS 之间的主要权衡项进行了量化，得出部署内部“模块化”冗余时，其投资成本节省了27%，同时可缩短1 至2周的部署时间。此外，我们还讨论了容错在UPS 内的重要性，以确保满足可用性、可靠性和可维护性的需求。
简介：
数据中心会根据其所支持负载的关键性，采用不同的冗余等级。双路架构（例如，两个的电源路径）能够确保最高等级的可用性，在任一系统进行维护或发生故障时亦无需停用负载。
而在当今的数据中心中，我们会发现在IT 层面通过软件实现容错的情况越来越多。随着虚拟化和超融合等技术的出现，服务器宕机不再意味着IT 任务随之中断。如果一台物理服务器由于上游故障而出现宕机，或按计划进行停机维护，那么数据中心能够将业务功能迁移到另一台服务器、另一个IT 区域、另一间IT 机房或另一个完全的数据中心。
虽然可用性仍是数据中心的一个关键目标，但我们发现，借助对关键物理基础设施（如UPS）部署N+1 冗余，也可以保证其可用性目标。在本白皮书中，我们将阐明实现UPS 系统N+1 冗余的不同方法，并量化其投资成本、部署时间、效率和可靠性的权衡项，同时，我们还将讨论UPS 内部容错的重要性，以确保满足可靠性、可用性和可维护性的需求。
术语说明
在有关数据中心的多种讨论场合，“N+1”一词可能用来指代多种UPS 配置。以下的关键术语定义旨在阐明三个特定“N+1”配置之间的区别。
N+1 冗余：一种在组件发生故障时保证系统可用性的灵活方法。组件（N）至少有一个的后备组件（+1）1。简单来说，N 代表需要的总数，+1 代表我有一个备用的组件。
串联冗余：一种特定的N+1 配置。在这种配置下，通常由一个“主”UPS 模块给负载供电。这种配置要求主UPS 模块为静态旁路配置单独的输入电源。“串联”或“次要”UPS 向主UPS 模块的静态旁路供电，且完全保持空载2。
并联冗余：一种特定的N+1 配置。它由多个同一规格的UPS 模块并联在一根公用输出母线上组成。并联冗余系统要求UPS 模块的容量和型号相同2。
内部“模块化”冗余：一种特定的N+1 配置。由于没有相同的命名结构，该词是本文中定义的新术语；在这一配置下，“+1”发生在UPS 架构内，通常出现在功率模块层。在这一配置下，共用同一个背板、控制系统和电池设备。
电池设计
无论选择哪种N+1 配置，都可以改进所部署电池系统的容错方式。目前比较常见的做法是将多个电池组并联，以提供额外的冗余便于维护操作。使用这种方法时，倘若某个电池组出现故障，则其余电池组会在停电时为负载继续供电。请注意，虽然故障的电池组会缩短电池系统持续运行的时间，但仍有充裕的时间可以避免宕机的发生。
在本文中，我们重点比较并联冗余和内部“模块化”冗余——这两种N+1 配置中
的“+1”组件都是工作的（而非待机状态）。图1 从概念上说明每种情况下“+1”组件的位置。
并联冗余和内部“模块化”冗余在概念上具体的UPS配置信息
为突出各权衡项的区别，我们选择一台不带冗余的UPS 与N+1 冗余 UPS 进行比较，因此中使用三种具体的配置。在这三种情况下，我们选择1MW 作为额定容量。
1. 作为比较基准的1N 配置：一台不带冗余的1000 kW UPS（由四个250 kW的“内部”模块组成）；是一种基本的配置情况。
2. 内部“模块化”N+1 冗余配置：一台模块化的1000 kW UPS，由5 个250 kW的“内部”模块组成（4 个构成全部容量，1 个作为冗余）。
3. 并联N+1 冗余配置：3 台500 kW的UPS“主机”配置为并联冗余（2 台构成全部容量，1 台作为冗余）。
作为比较基准的1N 配置
在1N UPS 设计中，任何组件故障都需要将负载转移至UPS 旁路或旁路。最简单的例子就是由一个单一额定的UPS 为负载供电。有些UPS 设计为模块化、可扩展模式，而有些UPS 则为固定容量。我们所的1N UPS 采用模块化设计，在其单独的主机内由四个250 kW的模块组成，达到1000kW的额定容量。通过同时并联多个单元也可构成1N 架构，从而达到所需容量。图2 显示的是我们所的1N UPS。
作为比较基准的“N”配置内部“模块化”N+1 冗余配置
正如我们在基准配置中所描述的一样，模块化UPS 通过添加一个额外的功率模块，也能提供N+1 冗余。请参见图3。这种内部模块化N+1 冗余配置其实就是在基准配置以外增加第五个250 kW模块即可。电池系统由四个并联电池组组成，每个电池组带有各自的断路器，因此一个电池组故障不会导致整个电池系统瘫痪。如图所示，UPS 输出母线和电池（直流）母线为所有模块公用，因此其代表了UPS 系统的单点故障，需要转换到旁路。
内部“模块化”冗余配置并联N+1 冗余配置
用一条输出母线。每个UPS 的容量是500 kW，所以第三台UPS 即为“+1”冗余。如图所示，每台UPS 均带有一个并联冗余配置，且有其各自的电池系统（每台UPS 由3 个并联电池组组成），可提供额外的冗余等级，而这一冗余等级在模块化UPS 中并未提供。UPS 输出母线仍代表单点故障，除了这一配置，在另外两种配置中，输出母线位于UPS 外部，需要在现场进行安装。
并联冗余配置请注意，有时候并联冗余UPS 会部署公用电池组。这么做的优势是节约了成本（电池支出费用更少），但这种配置从容错性/可靠性上来看，更类似于内部“模块化”配置。此方法遵循的假设是每台UPS 均使用的电池系统。
初始投资成本比较
一般来说，UPS 冗余配置的越多，则越昂贵。但对于数据中心管理人员而言，为业务设定特定的冗余级别存在较大难度。在本节中，我们将对前面所讨论的三种配置进行投资成本，以帮助决策者权衡成本/收益。
方和假设
在估算每种设计的成本时，会用到配置详细的单线图。投资成本包括材料费和安装费。安装费用包括人工费用和所有布线、导管、吊具、线耳等。材料费用包括UPS、维修旁路柜、输出断路器、电池系统和组装服务费用。我们并未将输入断路器计算在内，因为其通常会假定为已部署在楼宇内。
本中未包含的额外费用包括：吊装、储存、持续的维护和空间费用。即使对每个配置采用最理想的布局设计，第3 种配置所需的空间也要比其他两种配置多出25%左右，这代表建设数据中心空间时实现额外的节省。
这一的主要假设包括：
安装成本基于欧美市场平均电气安装费率。
所有线缆位于电气金属管件（EMT）内。
UPS 输入开关柜距离主开关柜15 米（50 英尺）远。
第1 和第2 种配置：1600A 3 线以及接地；
第3 种配置：2000A 3 线以及接地。
UPS 的位置距离UPS 输入开关柜3 米（10 英尺）远。
第1 和第2 种配置：1600A 3 线以及接地至1000 kW UPS；
第3 种配置：800A 3 线以及接地至每一台500 kW UPS（共3 台）。
输出UPS 开关柜距离UPS 3 米（10 英尺）远。
第1 和第2 种配置：1600A 3 线以及接地；
第3 种配置：700A 3 线以及接地。
（维护）旁路距离6 米（20 英尺）远。
第1 和第2 种配置：1600A 3 线以及接地；
第3 种配置：2000A 3 线以及接地。
负载距离UPS 输出开关柜15 米（50 英尺）远。
第1 和第2 种配置：1600A 3 线以及接地；
第3 种配置：2000A 3 线以及接地。
结果
图5 汇总了三种配置投资成本之间的差别。如图所示，内部“模块化”冗余配置的初始投资成本比并联冗余配置的初始投资成本低178 美元/kW（26.9%），而基本配置的初始投资成本比内部“模块化”冗余配置低29 美元/kW（6.1%）。
3 种配置每kW成本比较表 1 提供了每种配置设计更详细的预计成本，按主要成本类别划分。所有费用统一为额定UPS 容量的每kW 成本价格。虽然小容量和大容量UPS 之间的单位kW 成本存在差别，但其对于各方法之间相对成本差具有合理的指导意义。
详细的成本比较结果部署速度
除了两种N+1 配置之间存在投资成本差别外，其对于部署速度也会产生影响。在本节中，我们将讨论安装单台UPS 与安装一组并联冗余UPS 之间的区别。安装一台标准的1 MW UPS 大约需要6 至8 周时间（包括关键步骤之间的时间缓冲）。在这一时间框架内的主要活动包括：
为部署UPS 系统准备空间，包括混凝土放置平台。通常项目进度计划会为这一活动分配一周的时间。然后，空间准备和交付之间通常有一周的缓冲期，避免出现设备到位时部署空间仍未就绪的情况。
UPS 的交货和装配。一套1000 kW的UPS 系统重量和体积都十分庞大。对于这一步骤，一般会预留2 到3 天的项目计划时间。
为UPS 部署导管。馈电线为每条馈线取3 组3"的导管。这项工作可能需要一周时间。
拉线并端接。这项工作一般计划分配一周的时间。
安排启动和调试；在完成UPS 连接后到启动调试前，一般会留出一周的缓冲期。
这是考虑到安装过程中可能出现的意外情况。调试大约需要一周的时间。除了在架构中添加额外的功率模块，1N 设计和内部“模块化”冗余UPS 的安装步骤相同。因此，安装成本也相同。而对于并联冗余的UPS 配置，必须将大型UPS 并联到一起，所以并联系统的部署时间一般会增加1 至2 周或延长25%-30%的时间。在着手多单元安装以设置、配置并确保单元之间正常通信的额外现场作业包括：
用于更多馈电线的更多终端
更多需要部署就位的单元
更多需要启动的单元
更多需要进行负载组测试的单元
并联和同步检查
更多需要测试/执行的程序
更多的控制线路和监控点
采用模块化UPS 时，会使用多个内部“模块”来提高容量或冗余，因此上述工作会在出厂设置时完成，这不仅省时，而且也提高了最终结果的可预测性。除了加快初始安装速度外，模块化UPS 在日后扩容时所需的工作量最小（仅需数小时），而在将新UPS添加到非模块设计中时，布线、接线以及调试工作就需要花费数天或数周的时间。
对能效的影响
UPS 效率取决于其上运行的负载。由于增加冗余意味着增加额外的（备用）容量，因此冗余会对效率产生影响。假定1000 kW额定容量的负载率为80%，该值是数据中心操作人员一般设置的阈值，本白皮书所的UPS 配置在800kW负载下运行。表2说明在假定负载情况下，每个配置的负载百分比的含义。
配置对UPS负载的影响然而，在低负载下，任何特定UPS 的效率会因为制造商、型号之间的不同而不同，应当作为规划过程的一部分加以调查。图 6 显示了两条UPS 曲线——其中一条曲线在轻负载率时的效率远低于满负载时（左图），另一条曲线相对较平坦（右图）。类似左侧的UPS 的固定损耗更大，这会造成在较低负载率时效率下降，并且在这种情况下增加冗余，将对电力成本带来较大的负面影响。类似右图的UPS，增加冗余对能源成本的影响可忽略不计。事实上，当负载率范围在40%至60%时，效率最佳。此外，使用权衡工具三相UPS 效率比较计算器可对这两个不同的UPS 曲线进行对比，以从中了解效率和电力成本的含义。当能源成本作为一项重要的决策标准时，在预期运行负载下评估UPS 至关重要。在配置中增加的冗余越多，运行负载率则越低。
效率与负载率的关系
左图的UPS在低负载率时效率比较低，右图的UPS效率曲线比较平坦。
风险承受能力
根据每个数据中心所支持应用的关键性，都会有一个风险承受能力。正如我们前面提到的，通过诸如虚拟化和超融合等技术，IT 层面的容错能力不断提高。基于所部署的IT技术、企业对硬件宕机成本的解读（包括定性和定量的）、不同UPS 配置的成本费用以及可用性的改进，可以决定UPS 冗余的恰当级别。
根据成本显示，从1N 设计到内部“模块化”N+1 冗余设计，成本小幅提升
（6.5%），而如果从内部“模块化”配置提升至并联冗余N+1 配置时，成本提高幅度较大（36.8%）。在本节中，我们将从定性角度分别讨论这三种配置的宕机风险。表3汇总了宕机风险。
宕机风险比较在1N 设计中，UPS 或其电池内发生任何故障，会导致负载转换到静态旁路。在这一运行模式下，市电故障将致使IT 硬件宕机。
在内部“模块化”冗余设计中，有一个备用功率模块，因此单个模块内的故障不需要转换到静态旁路。相反，该模块会自行脱机，但负载仍由其他工作模块供电。稍后可通过将整个UPS 连接到旁路更换故障模块。不过，在这一设计中，仍存在单点故障。
例如，因为只有一个电池组，电池系统故障（如电池断路器脱扣）会迫使负载转换到静态旁路。同样，如果需要对UPS 进行预防性维护，那么负载将被转换到均未由电池保护的静态旁路或旁路。
在并联UPS 冗余配置电池发生故障期间，负载依然受UPS 电源供电保护。不过，在加入控件、通信和电缆阻抗以确保负载在UPS 间共享会增加新风险。
在本文中，我们关注N+1 配置（其中N=2），但根据所需的总功率和UPS 规格，N 可能会多于2 台。随着N 增加，不仅成本和时间增加，而且可靠性会因为均衡所有运行模式下所有UPS的负载电流的难度增加而有所降低。
人为失误也会影响到各种配置的可用性。与设计相关的现场安装作业越多，则此类停机风险就越大。现场作业越多（即安装期间进行的现场作业），则因为人为失误导致宕机的风险越大；而工厂预制更具可预测性，也更加可靠。对于本文中提出的三种配置，请考虑输出母线故障（关键故障可能会导致负载掉电）。借助模块化UPS，这一母线会设计在UPS 内部，因此由工厂完成安装。在并联冗余UPS 配置下，输出母线在现场进行安装，从而增加了因为人为失误导致的宕机风险。
UPS 容错属性
容错指的是在系统某些组件发生故障时系统仍能继续运行（在此情况下，为支持IT 负载）。也就是说，有些UPS 会比其他UPS 的容错性更高。在选择UPS 时，重要的是要考虑系统容错设计属性；特别是如果所选架构由单个UPS 组成（如第1 种和第2 种配置）。以下是容错设计属性的例子：
功率模块冗余（逆变器/整流器）
风扇冗余
控制器内电源冗余
电池组冗余
通信总线冗余
控制系统冗余
规格高于最大预期负载的静态开关，以用于IT 设备和下游PDU 的峰值/阶跃负载。
通过解决传统UPS 系统中关键的单点故障问题，曾经需要更高冗余级别的数据中心（如2N 冗余），可能能够依靠这些机制来保证关键负载的正常运行。图7 是一台具有容错能力UPS 的示例。
带有容错设计属性的Galaxy VX UPS系列一种普遍的看法是，需要物理方式分离的箱体来隔离故障；但并非始终需要物理方式分离，而是与箱体内的防御等级有关。
随着“N+1”配置成为数据中心更常见的UPS 架构，理解不同方法的权衡项就变得日趋重要，以便数据中心的决策者可以根据既定的风险承受能力、预算和时间尽可能做出最全面的决策。
结论
在本文中，我们讨论了两种常见N+1 部署方法在投资成本、部署时间、能效和可靠性方面的差异（并将其与1N 设计进行对比），以强调其中的差异。据此，我们得出如下重要结论：
成本：内部“模块化”N+1 冗余UPS 配置比1N 设计的投资成本高6.5%。与内部“模块化”冗余配置相比，并联冗余N+1 配置的投资成本高36.8%。
部署时间：并联冗余配置的部署时间比1N 配置或内部“模块化”N+1 配置要长约25-30%。这是因为需要额外的安装、配置和确保单元间的正常通信的现场作业所致。且并联冗余配置日后扩容所需的时间也更长。
能效：冗余会影响UPS 运行负载率，对于部分UPS，这意味着会影响效率和电力成本。不过，如今大多数UPS 的效率曲线较为平坦（低固定损耗），在部分负载运行下效率最大。故其对这一影响可忽略不计。
风险承受能力：与内部“模块化”配置相比，并联冗余配置将为数据中心负载提供更高的可用性。内部“模块化”冗余设计的风险承受能力介于1N 和并联冗余设计之间。在选择UPS 时，重要的是考虑是否为UPS 带来更高容错能力的设计属性。内部“模块化”冗余在规避风险方面具有显著收益，且成本小幅增加，而且不会对效率和部署时间有影响。并联冗余UPS 规避风险的能力虽然更大，但其成本和部署时间都要高出很多。最后，决策者的工作是权衡这些权衡项，以选择对于其业务需求最合适的设计。
