當前，信息與通信技術(shù)深刻改變著人類生產(chǎn)與生活的方式。以移動寬帶、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)為顯著特征的ICT技術(shù)，正在重塑世界，成為引領(lǐng)人類社會下一輪可持續(xù)發(fā)展的新浪潮。今天的ICT技術(shù)，已經(jīng)由過去以提高效率為特征的支撐系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動價值創(chuàng)造的生產(chǎn)系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)中心是信息社會的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是ICT技術(shù)的核心載體。ICT技術(shù)發(fā)展帶來的個人信息消費的增加與企業(yè)及各種機構(gòu)的信息化建設(shè)與改造催生了巨量的數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求。據(jù)ICT research預測，2012年至2020年間，中國數(shù)據(jù)中心的數(shù)量將從4萬個增至8萬個，從1000萬m2增長至3000萬m2。建設(shè)數(shù)據(jù)中心是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及建筑、制冷、供電等多個專業(yè)及不同的施工單位，建設(shè)周期長，投資巨大(僅基礎(chǔ)設(shè)施部分即達到每平方米3-5萬元)。但其作用非常關(guān)鍵，關(guān)系著未來十年企業(yè)信息系統(tǒng)的可靠運行。因此規(guī)劃建設(shè)一個合理、經(jīng)濟、回報率高的數(shù)據(jù)中心非常重要�；A(chǔ)設(shè)施是整個數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)，而供電系統(tǒng)則是基礎(chǔ)設(shè)施中最關(guān)鍵系統(tǒng)之一。筆者將從數(shù)據(jù)中心需求的角度分享自己關(guān)于供電系統(tǒng)建設(shè)與UPS選型的一些體會。
1. 易擴容性
數(shù)據(jù)中心的生命周期一般在十年左右，包括供電在內(nèi)的各子系統(tǒng)容量在全生命周期內(nèi)如何靈活彈性地匹配業(yè)務(wù)需求是數(shù)據(jù)中心建設(shè)中的重要難題。事實上，隨著企業(yè)全流程與全業(yè)務(wù)向信息化平臺遷移及數(shù)據(jù)爆炸帶來大量數(shù)據(jù)存儲與分析需求，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模增長往往超出預期。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心因為架構(gòu)問題難以實現(xiàn)按需擴容，而一次性建設(shè)一個嚴重超出初期需求的數(shù)據(jù)中心，將導致投資激增，各系統(tǒng)運行在低負載低效率狀態(tài)，造成資源浪費與高運營成本。這種困境對數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)實現(xiàn)在全層面、全顆粒度地根據(jù)業(yè)務(wù)需求彈性擴展提出了必然要求。
傳統(tǒng)UPS是一個典型的無法按需擴容的系統(tǒng)。對于傳統(tǒng)UPS 系統(tǒng)如果規(guī)劃容量過小，無法滿足業(yè)務(wù)增長時，需要進行擴容。但UPS系統(tǒng)擴容有較大的風險。擴容可能涉及上下游布線結(jié)構(gòu)的更改，為了避免影響業(yè)務(wù)一般在閑時施工，擴容周期長；而復雜的施工過程使其對人員技能的依賴非常明顯，增大誤操作等帶來的斷電風險。為了規(guī)避這些問題，在傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，一般會結(jié)合當前的業(yè)務(wù)需求與未來3-5年的業(yè)務(wù)發(fā)展綜合考慮規(guī)劃供電系統(tǒng)。這種方式又導致了另一種極端的出現(xiàn)，即系統(tǒng)剛投入運行初期UPS負載率非常低，甚至低于10%，導致巨大的能源浪費和資源浪費。因此能夠彈性適配業(yè)務(wù)需求、按需部署、無擴容風險的的UPS供電解決方案勢在必行。
圖-1 實際容量遠低于裝機容量
2. 可用性
業(yè)務(wù)連續(xù)是數(shù)據(jù)中心的最基本最關(guān)鍵訴求之一�？捎眯允呛饬繕I(yè)務(wù)處于可用狀態(tài)即保障業(yè)務(wù)連續(xù)的基本指標，也是數(shù)據(jù)中心建設(shè)中一直關(guān)注的因素。可用性不同于可靠性，是一個綜合可靠性與可維護性的概念，可更全面反應數(shù)據(jù)中心的真實需求。關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重要標準TIA-942《數(shù)據(jù)中心電信基礎(chǔ)設(shè)施標準》、《電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范》GB50174-2008及Uptime Institute的白皮書均對數(shù)據(jù)中心的可用性做出了明確規(guī)定。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心IT系統(tǒng)一般通過使用高度穩(wěn)定可靠的大型機及“兩地三中心”架構(gòu)確保IT系統(tǒng)的可用性， 基礎(chǔ)設(shè)施則采用N+X冗余、2N甚至2( N+1)冗余的方式提升可用性，以確保單設(shè)備或單路故障不影響業(yè)務(wù)運行。
云計算技術(shù)的出現(xiàn)使IT設(shè)施的可用性有了極大的改善。當前基于X86等通用服務(wù)器的云計算數(shù)據(jù)中心中，虛擬化使存儲、服務(wù)器等IT物理設(shè)施資源池化，業(yè)務(wù)在虛擬機上運行，而不再與某個具體設(shè)備綁定(煙囪式架構(gòu))。這樣做帶來兩個優(yōu)勢，一是容錯性明顯改善，單個物理硬件的故障之后，業(yè)務(wù)可以遷移至其他虛擬機運行，不會因單個硬件故障導致業(yè)務(wù)中斷，二是使IT硬件更易標準化、廉價化，IT硬件故障之后只需更換故障硬件即可，使IT硬件維護難度及其對維護人員的技能需求大幅降低，維護效率有效改善，降低運維成本。
圖2 傳統(tǒng)UPS可用性與IT系統(tǒng)形成巨大反差
與之形成反差的是，供電系統(tǒng)的核心UPS系統(tǒng)尤其是傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障必須由廠家專業(yè)人員進行維護，維護周期長，費用高。在維護期間，系統(tǒng)處于無冗余的狀態(tài)，一旦再出故障，業(yè)務(wù)則會因無供電而中斷。為了能更好地匹配現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的可用度需求，保障客戶數(shù)據(jù)零中斷，UPS系統(tǒng)必須在保障可靠性的同時，提高易維護性，以改善UPS系統(tǒng)的可用性。
3. 效率
能耗是數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵問題。隨著數(shù)據(jù)中心越來越集中，規(guī)模越來越大，能耗已經(jīng)成為運營者最關(guān)注的問題之一。動輒電費數(shù)千萬甚至使部分數(shù)據(jù)中心陷入了建得起用不起的尷尬境地。從宏觀的角度說，目前全球數(shù)據(jù)中心年耗電量約達3000億度，導致大氣中每年約增加2.35億噸二氧化碳，為地球帶來了沉重的環(huán)境負擔。因此，無論是從企業(yè)節(jié)約運營成本的角度，還是從保護環(huán)境的角度，數(shù)據(jù)中心節(jié)能降耗都勢在必行。對于我國，數(shù)據(jù)中心節(jié)能的需求更為迫切。目前我國數(shù)據(jù)中心PUE平均值約在2.2-3.0之間，而國外平均可以達到1.8，即IT設(shè)備每消耗1度電，我國數(shù)據(jù)中心的制冷供電等輔助設(shè)施要比國外數(shù)據(jù)中心多耗25%以上的電。
改造制冷系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心節(jié)能的有效方式。工信部于2013年發(fā)布了《關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)布局的指導意見》，即推薦大型數(shù)據(jù)中心建設(shè)在靠近電力資源豐富，便于利用自然冷源的地區(qū)，以降低數(shù)據(jù)中心PUE，節(jié)約能源。當前冷凍水制冷系統(tǒng)、密閉通道、近端制冷甚至自然冷卻等均可實現(xiàn)較好的節(jié)能效果，已逐步在業(yè)界推廣應用。
但僅僅依靠選用高能效比的制冷系統(tǒng)卻并不能達到極致的效果。UPS系統(tǒng)的損耗也是數(shù)據(jù)中心能耗的主要組成部分，大約占到數(shù)據(jù)中心能耗的6%-10%。數(shù)據(jù)中心要進一步節(jié)能，必須選擇運行效率更高的UPS。以1MW的數(shù)據(jù)中心為例，如果選用96%效率的高效UPS，將比選用85%效率的UPS，年用電量可少157萬度以上。
圖-3 不同類型UPS對PUE貢獻差異可達0.1以上
4. 功率密度
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，體積更小、處理速度更快、功能更強大的高功率密度機架服務(wù)器、刀片服務(wù)器、存儲服務(wù)器應運而生，在數(shù)據(jù)中心中的應用日益廣泛。數(shù)據(jù)中心單機架功耗從傳統(tǒng)的2KW ~ 3KW成倍的上升至10KW甚至20kW以上。
IT功率密度的快速增長對數(shù)據(jù)中心供電、制冷等系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn)。除了更大的電力制冷需求導致電力與冷量不足的問題，占地面積的矛盾也日益顯現(xiàn)。相比IT設(shè)備，基礎(chǔ)設(shè)施的功率密度并沒有很大的提升。以UPS為例，傳統(tǒng)工頻UPS因內(nèi)置用于升壓和產(chǎn)生中線的輸出變壓器，功率密度難以提升，大約為100KVA/柜；而更為先進的高頻UPS取消了輸出變壓器，功率密度約為200KW/柜，而最高僅能達到300kVA/柜。相比IT設(shè)備，UPS這樣的保障設(shè)備功率密度增長緩慢，不僅沒有為業(yè)務(wù)設(shè)備空間讓位，反而進一步擠壓了IT的空間，IT設(shè)備的功率密度越高，基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域面積與IT區(qū)域面積比例就越大。寶貴的空間資源并沒有應用到最該應用的地方，降低了數(shù)據(jù)中心的運營效率。因此，選用更高功率密度的UPS，讓供配電讓位于IT是數(shù)據(jù)中心的必然趨勢。
5. 可管理性
當前數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增大，僅我國目前正在構(gòu)建獨立機架數(shù)量在1萬個以上的超大型、PUE在1.5以下的數(shù)據(jù)中心即達20個；單個中大型數(shù)據(jù)中心需要管理的設(shè)備據(jù)統(tǒng)計達1000種以上，而功率密度的不斷提升需要電量冷量等資源的管理更加精確，這些因素都促使了數(shù)據(jù)中心管理必須從傳統(tǒng)粗放式、依賴人力的管理的模式向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、部署靈活的智能管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。為了讓管理者清晰認識數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)的現(xiàn)狀與水平，451group基于全球數(shù)據(jù)中心狀況調(diào)研發(fā)布了管理系統(tǒng)分級報告，以提供一可衡量的標準。451group將數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)分為基本型、被動式、主動式、優(yōu)化的和自我優(yōu)化與自治五個等級。據(jù)統(tǒng)計，目前僅有30%的數(shù)據(jù)中心達到主動管理的等級。也即70%的數(shù)據(jù)中心只能達到被動式或者更低的管理等級。然而，一個運營高效的數(shù)據(jù)中心，其管理等級最起碼要達到主動式以上。
表-1 不同等級的數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)
管理等級的提高涉及到對數(shù)據(jù)中心方方面面的改造，如對供配電、制冷、環(huán)境、安防等均需實現(xiàn)完備實時的管理與控制。UPS作為供電系統(tǒng)的核心子部件，智能化程度不斷提升不可避免。例如，實現(xiàn)對UPS自身及包括供配電、電池這些智能化程度較低的供電系統(tǒng)組成部分更強大實時的控制與監(jiān)管功能，向網(wǎng)管提供更詳細實時的運行狀態(tài)信息，并根據(jù)業(yè)務(wù)運營狀況接受調(diào)度，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施與業(yè)務(wù)的智能聯(lián)動，達到整體效率性能最優(yōu)狀態(tài)等。
綜上所述，從數(shù)據(jù)中心需求的角度上來說，最佳的UPS應該具有彈性擴容、高可用、高效率、高密度、智能化等特點。依據(jù)這個標準，筆者對數(shù)據(jù)中心中常用的工頻UPS(Transformer-based)、高頻UPS(Transformerless)和模塊化UPS進行了一個比較，詳見表-2：
表-2 不同類型UPS對數(shù)據(jù)中心需求的適配度
由表-2可見，工頻UPS無論是可擴展性、可用性、效率還是功率密度方面都已經(jīng)難以匹配數(shù)據(jù)中心的需求。而模塊化則在這幾個方面均表現(xiàn)優(yōu)異，必將成為數(shù)據(jù)中心的不間斷供電系統(tǒng)的主流選擇。
作者：中國人民銀行清算總中心園區(qū)管理部總經(jīng)理 尼米智 
