从系统的角度看供配电系统的发展

导读

近年来，IT设备的基本电路结构没有发生大的变革，而仅在细节上不断有改良。总的来说，IT设备电源朝着功率密度越来越高、效率越来越高、成本越来越低、应用方式越来越灵活、齐全的保护功能、智能化的监控与管理等方向上不断发展。

其中可靠性的提升始终是电源设计者最为关注的问题之一，为了提升可靠性，IT设备电源做出了冗余的设计，极大地提高了IT设备用电的可靠性，而且从根本上对传统的供电方式提出了新的要求，为数据中心采取双路供电（2N）提供了最为重要的基础。

Observe

从系统的角度看供配电系统的发展

数据中心供配电系统在随着数据中心的大规模兴起的过程中，基本完成了从设备到系统、从单系统到冗余系统建设的阶段。随之而来的供配电系统的安全性、可用性、可维护及可管理的特性也都得到了极大的提高。

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从电源设备到电源系统的演变

对于以往的计算机或通信等重要设备，为了保证其运行的连续性和可靠性，都安装有净化电源、调压器、直到UPS等电源保障设备。在计算中心、数据中心出现之后，电源保障性的要求有了大幅度的提高，单机的UPS电源已经不能满足可靠性的要求，于是引入了“冗余”的概念，产生了并联结构，包括“热备份”、“公共旁路”和“模块化”等，这种变化表现了从单一的电源设备向综合供电系统的演变。电源系统包含了从供电电源到UPS、再到负载之间的每一个供电环节。

供电系统示意图

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从单电源体系到多电源体系的演变

随着网络时代的到来，出现了大型的因特网数据中心、大型的网络通信中心，这些中心连续地读取数据、组成数据结构、备份数据并使数据传输保持完整性。数据处理量的增大，基础设施的规模也增大，需要更高的电源保障，即对可靠性又提出了新的要求。

以更高可靠性为目标的电源系统，要求不会出现供电的“瓶颈”现象或单点故障的可能性，即从供电电源到负载之间必须具有两条或以上的供电通路。以往的单一供电电路已经不能满足可靠性的要求，因此出现了以多路供电方式向负载供电的多电源体系（见图）。多电源供电体系的兴起是直接对应于IT设备冗余电源的大规模商用。多电源的供电体系是在GB 50174—2008中要求A级系统或者TIA-942中所述的等级3或者等级4系统。

◆ 单电源体系：即所有负载都由一套供配电系统供电。

◆ 多电源体系：即负载由多套冗余供配电系统供电。

两种电源体系

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从可靠性到可用性的演变

对于单独的电源设备，为了保证其供电的有效性，生产厂家总是力求提高电源设备的可靠性，即提高标志着设备自身可靠性的量化指标平均无故障工作时间（MTBF）。但对于一个供配电系统来说，单一的可靠性指标MTBF已经不足以描述电源系统正常工作的时间。

可用性定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。它由可靠性指标MTBF和可修复性指标平均修复时间（MTTR）表示，可用性A= MTBF/（MTBF MTTR），在概念上“可用性”是考虑从公用电网直到负载设备之间的所有供电环节的有效性。

“可用性”概念包含了多种关键因素：

1）故障容错：延长负载输入端之前的电源系统MTBF的一种方法就是采用 “故障容错”的结构。这种结构能够在出现各种突发问题所造成的非运行状态时（例如，市电停电、设备故障等等）允许电力系统以降级方式为负载供电，继续运行并产生效益。例如，备用发电机组供电是供电系统故障容错的一种形式，N＋1冗余结构就是UPS系统故障容错的一种形式，而静态旁路、维修旁路等是设备故障容错的一种形式。

2）可维护性和可增容性：这是在考虑可用性的同时，必须考虑的使用要求。一个典型的数据中心可能是一个封闭的、高度安全的基础设施，至少由机械、电力、环境、消防、保安等10个以上的主要系统组成，它们之间相对独立而又相互联系，人为地干预某一个至关重要的设备都必须经过预先计划、受到控制、限定时间并需要高度的安全性（任何人为的错误都将导致灾难性的停机）。由于负载系统始终处于不断的变化之中，例如设备的搬移或增加、电源系统的增容等，必须在这些变化发生时不会危及整个供电过程的连续性和可用性；同时对各种带电部件的维护，包括电缆和连接、电源到负载之间的供电路径等，必须是灵活且安全的。

3）防止故障扩散：由于大多数的故障都发生在UPS的下线端，必须采用一种特殊的结构，以便能够消除故障扩散到各路电源上线的任何风险，否则可能会危及整个系统的安全；物理上将故障限制在电源系统的一个最小范围内，以便能够容易隔离故障并允许精确和快速的服务（减小MTTR）且更加容易地为其他负载提供一条冗余的供电路径。

4）可管理性：有效的管理包括对电源系统提供运行的实时信息，对设备进行有效的监控（状态、报警等等），并通过先进的电源配电系统对各种电气参数进行测量，实现对负载的管理，甚至提供非常重要的信息来防止故障和预期可能需要的变化（例如，某个断路器可能具有过载的风险，某些支路存在着供电不平衡需要调整等等）。

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