数据中心的关键性和冗余性

数据中心通过确保电力永不中断来确保持续正常运行和可用性。但如果电网中断或电力系统出现故障，设施如何维持 IT 负载？

全球大多数数据中心都使用不间断电源和备用柴油发电机，当检测到电网断电时，备用柴油发电机就会启动。接下来，让我们深入了解不间断电源技术及其如何确保负载的可用性。

不间断电源 (UPS) 位于公用电网和数据中心之间，为设施提供电力。电力来源可以是电网本身，也可以是在电网中断的情况下，由可短时间向设施供电的本地能源提供。

根据其能源来源，UPS 分为两类 - 静态式和旋转式。顾名思义，旋转 UPS 系统将能量存储在旋转飞轮中，飞轮充当发电机，在需要时将电力输送回数据中心。静态 UPS 系统使用电池。后面，我们在继续探讨静态和旋转 UPS 系统的比较特性。

目前，了解 UPS 系统制造商如何表示和命名其产品非常重要。

IEC UPS 标准

IEC 62040-3：UPS - 指定性能和测试要求的方法是一种标准，可确保供应商使用相同的命名约定，帮助用户根据其需求选择最佳产品，并提供性能验证的测试要求。

由于 UPS 为设施提供电力，因此其输出性能通过三种方式来衡量：

输入依赖性 (AAA) - 输出电压取决于输入电压的质量。输入依赖性有三种分类

输出电压波形 (BB) - 以两个字符表示。第一个表示在正常模式下（使用公用电源）运行时的输出电压波形，第二个表示在储能模式下（来自电池）运行时的输出电压波形：

1. 低总谐波失真 (THD) 正弦波 - 用 S 表示
2. 中等总谐波失真 (THD) 正弦波 - 用 X 表示
3. 非正弦波，用 Y 表示。

动态输出性能 (CC) - 动态输出性能表示操作模式改变时发生的输出电压变化 - 即从电网切换到电池（第一个字符）以及系统负载增加或减少时（第二个字符）这些电压波动分为三类：

操作模式

许多不间断电源可以在几种正常模式下运行，这些模式按照 IEC 标准具有不同的输出性能特性。

双转换在线式UPS在正常模式下具有VFI输出性能，在高效正常模式下具有VFD输出性能。本质上是在输出独立性和UPS能耗之间进行了权衡。

主要有三种操作模式：

• 正常模式 - UPS 使用交流输入电源（公用设施）向负载供电，并且储能装置（电池/飞轮等）已连接并正在充电或已充满电。
• 高效正常模式 - UPS 将电力从交流输入电源直接推送到负载，以提高效率。
• 储能模式 - 由于交流输入电源出现断电或超出允许的电压或频率范围，UPS 使用其储能装置（电池/飞轮）为负载提供直流电。

UPS的双重作用

UPS 在设施中的作用不仅是在断电时保持 IT 负载正常运行，而且还要从其储能设备提供高质量、清洁的直流电。电网和公用事业会受到多种电能质量问题的影响，这些问题源于燃料组合、使用年限和地理位置。UPS 可以“清理”电源以消除这些问题。

IEEE 标准 1100-2005 为商业界和电力行业在提及电能质量问题时提供了一个通用的命名法，并根据正弦波的形状将其分为七类：

1. 短暂的
2. 中断
3. 欠压
4. 过压
5. 波形失真
6. 电压波动
7. 频率变化

瞬变

瞬变是最具破坏性的电能质量问题类型，根据其发生方式，瞬变可分为两类 - 脉冲和振荡。

脉冲瞬变是一种突然的高峰值事件，可提高电压和/或电流。脉冲瞬变的例子包括雷电（以及随之而来的电磁场）、ESD（静电放电）和接地不良。

简单来说，振荡瞬变是一种瞬变，它会导致电源信号迅速上升然后迅速下降。这通常发生在关闭电感或电容负载时 - 想象一下刚刚关闭的旋转电机 - 当电机旋转减速时，它就像发电机一样产生电流，并推动电流通过更宽的电路，直到停止。

中断

中断是指电源电压或电流的完全丢失。根据中断时间长度，可将其分为瞬时中断（0.5 至 30 个周期）、短暂中断（30 个周期至 2 秒）、暂时中断（2 秒至 2 分钟）或持续中断（超过 2 分钟）。

欠压

电压暂降本质上是指交流电压在给定频率下持续 0.5 个周期至 1 分钟的下降。电压暂降通常是由系统故障或启动电流很大的设备（如大型空调机组）引起的。

欠压是长期问题导致电压骤降的结果。术语“电压下降”通常用于描述这种情况，欠压会导致非线性负载（如计算机电源）故障，并可能导致电机过热。

电压骤升和过压

突升与突降相反，突升是指交流电压在 0.5 个周期至 1 分钟的时间内出现上升。突升的常见原因是三相系统中突然出现大量负载减少和单相故障。

与欠压一样，过压也是长期问题导致电压骤升的结果。持续的过压情况会因为额外电压的压力而增加设备的发热量，从而对数据中心空间造成极大损害。

波形失真

此类别包括正弦波中存在的所有失真，并进一步分类如下：

a. 直流偏移 - 当直流电流被引入交流配电系统时就会发生这种情况 - 最常见的原因是大多数数据中心使用的当前交流到直流转换系统中的整流器故障。

b. 谐波 - 表示基频正弦波在频率为基频倍数时发生失真 - 120Hz 是 60Hz 基频的 2 次谐波。其影响包括变压器过热、断路器跳闸和同步丢失。

电压波动

电压波动本质上是电压波形的系统性变化，变化幅度较小 - 频率较低（通常低于 25Hz），约为标称电压的 95％ 至 105％。

频率变化

这是稳定的公用电力系统中极少发生的电能质量问题。对于电力基础设施较差且发电机负荷较重的数据中心站点而言，这确实是一个问题。

话虽如此，IT 设备具有频率耐受性，不会受到所连接动力系统频率的微小变化的影响。然而，频率变化可能会导致电机旋转得更快或更慢（具体取决于输入功率）——这将影响其使用寿命和性能。

所有上述详细问题的解决方案都是由不间断电源来实现的，它从公用事业公司获取交流电，用它为其储能设备充电，然后向 IT 大厅提供干净的正弦波和高质量电源。

通过切换机制，即使在电网长时间断电的情况下，UPS 也能保持电池充电并随时准备运行，而不会对 IT 负载或 IT 设备产生影响。

冗余、关键性和“N”

我们现在了解了设施如何避免电力中断，但如果设施中的设备本身出现故障怎么办？这就是 UPS 系统冗余发挥作用的地方。

一个能够提供IT负载所需的满负载而仅此而已的UPS系统用“N”表示，其中的能量由N个子系统或组件提供。

“N+1”系统有一个附加组件，旨在支持单一故障或任何其他组件所需的维护。2N 代表完全冗余的镜像系统，具有两个完整、独立的分发系统。

它们完全独立，互不依赖，这意味着即使整个系统发生故障，另一个系统也可以安全地处理负载。UPS 是防止断电和停机的第一道防线。首先，它调节、转换和净化交流电，将其转换为直流电，以备 IT 设备使用；其次，它纠正了困扰任何电网的大量质量问题。

不存在一种适合所有情况的 UPS 设计 - 所有者和运营商需要通过衡量 IT 负载和环境、业务目标和预算等因素来仔细考虑他们的要求。