大型数据中心UPS四母线冗余供电方案设计(牛广锋)-供用电2017.6
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关于大型数据中心供电方案设计，《大型数据中心UPS四母线冗余供电方案设计(牛广锋)-供用电2017.6》，看看大咖怎么说！
文本预览
配电
4
大型数据中心 UPS 四母线冗余供电方案设计
牛广锋
（中国科学院计算机网络信息中心，北京100190）
摘 要：不间断电源（uninterruptible power system，UPS）是数据中心供电连续性的重要保障。根据三母线
供电方案原理，提出了四母线冗余供电方案，UPS负载率从三母线方案的66.6%提升至75%，同时具备双总线
系统的可靠性等级。文章提出一种大型数据中心UPS四母线冗余供电方案，该方案在不降低可靠性等级的前
提下降低了建设成本，为数据中心供电系统设计提供借鉴和参考。
关键词：UPS负载率；UPS供电方案；系统可用性；大型数据中心
中图分类号：TM73 文献标志码：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2017.06.010
0 引言
突变到100%。备用UPS需要强大的加载能力，甚至会短
数据中心具有投资大、耗电量大、供电可靠性要求 时过载，对UPS品质要求高。Catcher Bus方案使用大量
高的特点，当前部分城市用户供电可靠性指标已进入高 STS设备，设备投资额外增加，系统复杂性增加，可靠
可靠性阶段［1］，仍无法满足数据中心的要求。根据标准 性降低。
GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》［2］，数 直接并机供电方案（简称并机方案）是把多台
据中心供电系统通过设备冗余提高可靠性。冗余增加可 UPS设备的供电能力汇聚在一起，统一对外输出。图集
靠性，也增加了设备成本和维护成本。UPS是供电系统 09DX009［4］介绍的“N＋x”并机方案是“并机方案”
中的核心部分，采用合理的UPS供电方案设计可提升可 的进一步具体化。为保证可用度，参与并机的UPS设备
用性，降低建设和维护成本。 数量比负载需求多x台。当某台UPS设备故障时，则从
《数据中心供配电系统技术白皮书》［3］对双母线供 系统中切除，不影响负载需求，可靠性提高，UPS设备
电方案、三母线供电方案、Catcher Bus供电方案和直接 初始投资降低，且扩容相对方便，可消除UPS设备的单
并机供电方案进行了比较。双母线供电方案（简称双母 点故障。然而为了实现并机，必须确保各UPS单机的逆
线方案）通过完整地1套冗余系统来提高供电可靠性， 变器输出电压处于同幅度、同频、同相位状态［5］。这
在线维护方便，然而UPS负载率低于50%，初始投资高， 些参数需要UPS相互通信来保持同步，一旦出现偏差就
设备运行能耗大。三母线供电方案（简称三母线方案） 会引起系统的紊乱，甚至使整个UPS系统宕机而中断电
采用3组独立的UPS供电，两两配合向负载供电，任何1 力输出。并机方案需要UPS具备高性能的并机能力，系
组UPS出现故障，其他2组都可负担全部负载，具备双母 统的复杂性给后期维护带来一定困难。因UPS并机技术
线方案的可靠性等级。三母线方案提升UPS负载率最高 复杂，并机的数量有所限制，UPS负载率一般维持在
可达66.6%，虽然负载率比双母线方案高，但仍然比较 66.6%~80%。因并机UPS输出到同一个输出配电柜，会
低，导致设备初始投资高。 存在单点故障。
Catcher Bus供电方案（简称Catcher Bus方案）由N 本文提出的四母线冗余供电方案（简称四母线方
台UPS做主用，1台UPS备用，出现故障的UPS不能超 案）有4条母线同时对外输出电力，在任意1条母线故障
过1台。任意1台主用UPS出故障，静态转换开关（static 时，仍可保证负载的电力供应，不存在单点故障，可保
transfer switch，STS）负责切入备用UPS。Catcher Bus 持高可靠性。UPS等设备负载率可高达75%，初始投资
供电方案有效提升了UPS负载率，可做到75%~90%，高 也有所降低，并且四母线方案采用的技术比较简单，便
负载率可降低UPS初始投资。不过备用UPS平时使用率 于运行维护，可为数据中心供电系统设计提供借鉴和
为0，只有在主用UPS出故障时才突然启用，即电流从0 参考。
DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2017.06 57配电
4
UPS设备在高负载率条件下效率更高，损耗所占比例相 案与四母线方案的可用度差值为：R -R =3(A A )2(1-
3 4 1 2
对低。与双母线方案和三母线方案相比，四母线方案的 A A )2。双母线方案与四母线方案的可用度差值为：R -
1 2 2
负载率更高，可节省设备投资，降低设备能耗。 R =[2A A +3(A A )2](1-A A )2。A 、A 的数值非常接近
4 1 2 1 2 1 2 1 2
并机方案要求UPS具备并机能力，并机UPS之间通 1，两者的乘积同样接近1，因此四母线方案与双母线方
过通信线互联，在1台UPS退出后，其余UPS提供冗余补 案的可用度之差约等于5(1-A A )2。因(1-A A )已是非
1 2 1 2
充。并机UPS一般是同厂家、同型号的UPS，不利于降 常小的数值，又进行平方，所以5(1-A A )2的数值极小。
1 2
低维护成本。并机方案中的UPS互相关联，1台UPS退出 “N＋x”并机方案要求所有UPS的输出汇聚到专用
或加入时会对整个系统产生影响，带来额外风险，降低 配电系统。“N＋x”台UPS在N台UPS正常时仍能正常输
可靠性。在四母线方案中，所有负载由2组不同UPS供 出电力，属于N/（N＋x）表决系统，“N＋x”UPS并机
电，任意1组UPS停机都不会中断负载的电力供应，便于 子系统的可用度Rl ［7-9］为：
N+x
停机检修维护。每组UPS之间没有电气和逻辑联系，便 N/+x
Rl = CN+xAk(1- A)N+x-k
N+x k 1 1
于维护保养。 k=N
(k= N,N+ 1,N+ 2,g ,N+ x)
Catcher Bus方案增加STS设备，在1台常用UPS故障
（4）
时，通过STS把备份UPS切换到常用状态。多台常用UPS
输出配电柜与“N＋x”UPS并机子系统串联，串联
共享1台备份UPS，减少备份数量。Catcher Bus方案使用
系统可用度为各组件可用度的乘积，“N＋x”并机方案
大量STS设备，增加设备空间占用和设备能耗，增加维护
整体可用度R ［7-9］为：
N+x
工作量。在UPS故障、维护等情况下，STS设备必须切换
R = A Rl （5）
N+x 2 N+x
供电电源，切换过程易于发生故障，带来额外风险［6］。
由上式可判定R N+x的数值要小于A 2，并机方案的
2 四母线方案与其他方案的可用度分析 UPS部分可通过冗余提升可用度，但受到输出配电柜可
用度的制约，整体方案无法超过配电柜的可用度。与四
持续的电力供应对IT系统是必不可少的，数据中心
母线方案相比，可用度明显低。
的电力系统必须具备高可用性。供电方案中的设备主要
Catcher Bus方案包括N台常用UPS，1台备用UPS，N组
包括UPS、UPS输出配电柜和STS设备，可用度分别用
STS。N+1台UPS作为UPS子系统，如果1台常用UPS出现故
A 、A 和A 表示，具体可用度数值见表1［7-9］。
1 2 3
障，备用UPS被STS切换到常用状态，不会中断供电，UPS
表1 各子系统和部件的可用度
子系统正常运行。如果2台UPS出现故障，因只有1台备用
Table1 Availability of subsystems and components
UPS，部分负载必然中断电力供应，即UPS子系统出故
子系统或 UPS输出配电柜
UPS（A） STS设备（A）
部件名称 1 （A 2） 3 障。因最多允许1台UPS故障，Catcher Bus方案的UPS子
可用度 0.999 948 839 2910.999 997 746 2410.999 993 605 157
系统属于N/（N+1）表决系统，可用度Rl CB［7-9］为：
四母线方案在4组UPS正常工作或1组UPS出现故障 Rl CB(N+ 1)= (N+ 1)(A 1A 2)N(1- A 1A 2)+ (A 1A 2)N+1
的情况下不影响负载电力需求，在2组或更多UPS出现 （6）
故障时，部分负载失去电力，属于3/4表决系统［9］。在 为了解Rl CB如何随N值变化而变化，求得Rl CB(N+ 1)
每组UPS只设置1台UPS条件下，四母线方案可用度 - Rl CB(N+ 2)如式（7）所示。其值是正值，说明Rl CB随
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大型数据中心 UPS 四母线冗余供电方案设计
牛广锋
（中国科学院计算机网络信息中心，北京100190）
摘 要：不间断电源（uninterruptible power system，UPS）是数据中心供电连续性的重要保障。根据三母线
供电方案原理，提出了四母线冗余供电方案，UPS负载率从三母线方案的66.6%提升至75%，同时具备双总线
系统的可靠性等级。文章提出一种大型数据中心UPS四母线冗余供电方案，该方案在不降低可靠性等级的前
提下降低了建设成本，为数据中心供电系统设计提供借鉴和参考。
关键词：UPS负载率；UPS供电方案；系统可用性；大型数据中心
中图分类号：TM73 文献标志码：A DOI：10.19421/j.cnki.1006-6357.2017.06.010
0 引言
突变到100%。备用UPS需要强大的加载能力，甚至会短
数据中心具有投资大、耗电量大、供电可靠性要求 时过载，对UPS品质要求高。Catcher Bus方案使用大量
高的特点，当前部分城市用户供电可靠性指标已进入高 STS设备，设备投资额外增加，系统复杂性增加，可靠
可靠性阶段［1］，仍无法满足数据中心的要求。根据标准 性降低。
GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》［2］，数 直接并机供电方案（简称并机方案）是把多台
据中心供电系统通过设备冗余提高可靠性。冗余增加可 UPS设备的供电能力汇聚在一起，统一对外输出。图集
靠性，也增加了设备成本和维护成本。UPS是供电系统 09DX009［4］介绍的“N＋x”并机方案是“并机方案”
中的核心部分，采用合理的UPS供电方案设计可提升可 的进一步具体化。为保证可用度，参与并机的UPS设备
用性，降低建设和维护成本。 数量比负载需求多x台。当某台UPS设备故障时，则从
《数据中心供配电系统技术白皮书》［3］对双母线供 系统中切除，不影响负载需求，可靠性提高，UPS设备
电方案、三母线供电方案、Catcher Bus供电方案和直接 初始投资降低，且扩容相对方便，可消除UPS设备的单
并机供电方案进行了比较。双母线供电方案（简称双母 点故障。然而为了实现并机，必须确保各UPS单机的逆
线方案）通过完整地1套冗余系统来提高供电可靠性， 变器输出电压处于同幅度、同频、同相位状态［5］。这
在线维护方便，然而UPS负载率低于50%，初始投资高， 些参数需要UPS相互通信来保持同步，一旦出现偏差就
设备运行能耗大。三母线供电方案（简称三母线方案） 会引起系统的紊乱，甚至使整个UPS系统宕机而中断电
采用3组独立的UPS供电，两两配合向负载供电，任何1 力输出。并机方案需要UPS具备高性能的并机能力，系
组UPS出现故障，其他2组都可负担全部负载，具备双母 统的复杂性给后期维护带来一定困难。因UPS并机技术
线方案的可靠性等级。三母线方案提升UPS负载率最高 复杂，并机的数量有所限制，UPS负载率一般维持在
可达66.6%，虽然负载率比双母线方案高，但仍然比较 66.6%~80%。因并机UPS输出到同一个输出配电柜，会
低，导致设备初始投资高。 存在单点故障。
Catcher Bus供电方案（简称Catcher Bus方案）由N 本文提出的四母线冗余供电方案（简称四母线方
台UPS做主用，1台UPS备用，出现故障的UPS不能超 案）有4条母线同时对外输出电力，在任意1条母线故障
过1台。任意1台主用UPS出故障，静态转换开关（static 时，仍可保证负载的电力供应，不存在单点故障，可保
transfer switch，STS）负责切入备用UPS。Catcher Bus 持高可靠性。UPS等设备负载率可高达75%，初始投资
供电方案有效提升了UPS负载率，可做到75%~90%，高 也有所降低，并且四母线方案采用的技术比较简单，便
负载率可降低UPS初始投资。不过备用UPS平时使用率 于运行维护，可为数据中心供电系统设计提供借鉴和
为0，只有在主用UPS出故障时才突然启用，即电流从0 参考。
DISTRIBUTION & UTILIZATION 供用电 2017.06 57配电
4
UPS设备在高负载率条件下效率更高，损耗所占比例相 案与四母线方案的可用度差值为：R -R =3(A A )2(1-
3 4 1 2
对低。与双母线方案和三母线方案相比，四母线方案的 A A )2。双母线方案与四母线方案的可用度差值为：R -
1 2 2
负载率更高，可节省设备投资，降低设备能耗。 R =[2A A +3(A A )2](1-A A )2。A 、A 的数值非常接近
4 1 2 1 2 1 2 1 2
并机方案要求UPS具备并机能力，并机UPS之间通 1，两者的乘积同样接近1，因此四母线方案与双母线方
过通信线互联，在1台UPS退出后，其余UPS提供冗余补 案的可用度之差约等于5(1-A A )2。因(1-A A )已是非
1 2 1 2
充。并机UPS一般是同厂家、同型号的UPS，不利于降 常小的数值，又进行平方，所以5(1-A A )2的数值极小。
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低维护成本。并机方案中的UPS互相关联，1台UPS退出 “N＋x”并机方案要求所有UPS的输出汇聚到专用
或加入时会对整个系统产生影响，带来额外风险，降低 配电系统。“N＋x”台UPS在N台UPS正常时仍能正常输
可靠性。在四母线方案中，所有负载由2组不同UPS供 出电力，属于N/（N＋x）表决系统，“N＋x”UPS并机
电，任意1组UPS停机都不会中断负载的电力供应，便于 子系统的可用度Rl ［7-9］为：
N+x
停机检修维护。每组UPS之间没有电气和逻辑联系，便 N/+x
Rl = CN+xAk(1- A)N+x-k
N+x k 1 1
于维护保养。 k=N
(k= N,N+ 1,N+ 2,g ,N+ x)
Catcher Bus方案增加STS设备，在1台常用UPS故障
（4）
时，通过STS把备份UPS切换到常用状态。多台常用UPS
输出配电柜与“N＋x”UPS并机子系统串联，串联
共享1台备份UPS，减少备份数量。Catcher Bus方案使用
系统可用度为各组件可用度的乘积，“N＋x”并机方案
大量STS设备，增加设备空间占用和设备能耗，增加维护
整体可用度R ［7-9］为：
N+x
工作量。在UPS故障、维护等情况下，STS设备必须切换
R = A Rl （5）
N+x 2 N+x
供电电源，切换过程易于发生故障，带来额外风险［6］。
由上式可判定R N+x的数值要小于A 2，并机方案的
2 四母线方案与其他方案的可用度分析 UPS部分可通过冗余提升可用度，但受到输出配电柜可
用度的制约，整体方案无法超过配电柜的可用度。与四
持续的电力供应对IT系统是必不可少的，数据中心
母线方案相比，可用度明显低。
的电力系统必须具备高可用性。供电方案中的设备主要
Catcher Bus方案包括N台常用UPS，1台备用UPS，N组
包括UPS、UPS输出配电柜和STS设备，可用度分别用
STS。N+1台UPS作为UPS子系统，如果1台常用UPS出现故
A 、A 和A 表示，具体可用度数值见表1［7-9］。
1 2 3
障，备用UPS被STS切换到常用状态，不会中断供电，UPS
表1 各子系统和部件的可用度
子系统正常运行。如果2台UPS出现故障，因只有1台备用
Table1 Availability of subsystems and components
UPS，部分负载必然中断电力供应，即UPS子系统出故
子系统或 UPS输出配电柜
UPS（A） STS设备（A）
部件名称 1 （A 2） 3 障。因最多允许1台UPS故障，Catcher Bus方案的UPS子
可用度 0.999 948 839 2910.999 997 746 2410.999 993 605 157
系统属于N/（N+1）表决系统，可用度Rl CB［7-9］为：
四母线方案在4组UPS正常工作或1组UPS出现故障 Rl CB(N+ 1)= (N+ 1)(A 1A 2)N(1- A 1A 2)+ (A 1A 2)N+1
的情况下不影响负载电力需求，在2组或更多UPS出现 （6）
故障时，部分负载失去电力，属于3/4表决系统［9］。在 为了解Rl CB如何随N值变化而变化，求得Rl CB(N+ 1)
每组UPS只设置1台UPS条件下，四母线方案可用度 - Rl CB(N+ 2)如式（7）所示。其值是正值，说明Rl CB随
