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艾默生UPS電源
發(fā)布時間:2016.09.12    瀏覽次數(shù):2449
 摘要:本文旨在闡述模塊化UPS的發(fā)展趨勢與前景,通過分析各類傳統(tǒng)UPS 與模塊化UPS的優(yōu)劣勢,幫助用戶識別產品發(fā)展的趨勢所在,論述了模塊化UPS未來在IDC云計算數(shù)據(jù)機房的重要性,系統(tǒng)模塊化將成為數(shù)據(jù)中心的“核心設計理念”。模塊化UPS的發(fā)展積極響應國家“節(jié)能、綠色、環(huán)?!闭撸铝τ诟纳齐娋W質量,減低對電網諧波的污染,提高電能的利用率,體現(xiàn)了對用戶負責的態(tài)度和高度的社會責任感。    關鍵詞:數(shù)據(jù)中心機房;模塊化UPS ;諧波;效率;LBS

引   言


    在數(shù)據(jù)中心產業(yè)蓬勃發(fā)展的浪潮中,依然存在著很多結構性問題:數(shù)據(jù)中心如何向云時代邁進、如何同互聯(lián)網進行完美對接、如何進行節(jié)能減排技術創(chuàng)新、如何進行優(yōu)化運維、如何增強持續(xù)運營能力、如何避免IDC產品服務同質化問題等。數(shù)據(jù)中心的管理者們正在重新審視數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與建設,設計、管理、運營等問題,能耗挑戰(zhàn)將貫穿于數(shù)據(jù)中心的整個生命周期。


    由中國電源學會和中國電子節(jié)能技術協(xié)會聯(lián)合主辦的2014現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心基礎設施建設技術年會(第四屆)對數(shù)據(jù)中心的前沿理論、技術進行了精辟、深入的交流與探討,年會更加專注于中國的數(shù)據(jù)中心產業(yè)發(fā)展,圍繞“智慧城市、信息消費、城鎮(zhèn)化建設;綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心發(fā)展的三駕馬車”的主題,涵蓋了從配電、制冷、機柜系統(tǒng)以及集成、運維等數(shù)據(jù)中心各個領域.此次參會的技術專家、企業(yè)領袖、研究機構等各界人士的思想與言論精華,共同分析中國數(shù)據(jù)中心技術現(xiàn)狀、透視中國數(shù)據(jù)中心技術發(fā)展的新趨勢,并從信息化全局和提高社會生產力的戰(zhàn)略高度研討中國數(shù)據(jù)中心技術發(fā)展趨勢,推動中國數(shù)據(jù)中心健康穩(wěn)定發(fā)展。

1、綠色、集成數(shù)據(jù)機房演進和發(fā)展方
    早在2012年工信部發(fā)布的《工業(yè)節(jié)能”十二五”規(guī)劃》就提出:到2015年,我國電子信息行業(yè)單位工業(yè)增加值能耗比2010年下降18%,要“重點推廣綠色數(shù)據(jù)中心、綠色基站、綠色電源”,并且到2015年數(shù)據(jù)中心PUE值要比2011年下降8%。同年5月,工信部又發(fā)布《通信業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,當中又提出“到2015年單位電信業(yè)務總量綜合能耗比2010年下降10%”、“新建大型云計算數(shù)據(jù)中心的PUE值達到1.5以下”的進一步要求。由此可見,綠色、高效是數(shù)據(jù)機房未來演進和發(fā)展的主要方向。

2、模塊化UPS技術發(fā)展優(yōu)勢

    信息化的發(fā)展使企業(yè),政府信系統(tǒng)數(shù)據(jù)量與日俱增,企業(yè)也需要IDC機房助力云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網的發(fā)展,這推動了IDC機房的巨大發(fā)展和變革,設備的多樣性,系統(tǒng)的高可靠性,使數(shù)據(jù)中心的“心臟”——使機房供電勉勵越來越高的挑戰(zhàn)。


在IDC機房中,傳統(tǒng)動力系統(tǒng)一般包括:UPS設備和蓄電池系統(tǒng)、高低壓配電系統(tǒng)、精密空調系統(tǒng)、應急發(fā)電系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng),各系統(tǒng)在實際運行中組成一個密不可分的綜合整體,如何建設高效、安全、綠色、集成的IDC機房,成為業(yè)界標準的技術趨勢。


    易事特模塊化UPS電源應用領域覆蓋金融、通信、電力、醫(yī)療、軌道交通等行業(yè);突破供電范圍的技術堡壘 ,做到真正的寬電壓輸入,滿足不同電網的供電要求;“模塊化冗余并聯(lián)”凸現(xiàn)價值,體現(xiàn)供電系統(tǒng)的“隨需應變”,讓用戶隨著業(yè)務的發(fā)展而實現(xiàn)“動態(tài)成長”。即滿足了后期設備的所需擴展,又降低了用戶的初期購置成本。未來,隨著UPS系統(tǒng)設計理念的不斷深化,模塊化UPS必將引起不間斷電源新的革命,進而成為未來UPS系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)勢。


3、模塊化UPS替代傳統(tǒng)UPS趨勢

    機房電力系統(tǒng)中每一個環(huán)節(jié)都應具有可擴展性和可管理性;低壓配電自動切換系統(tǒng)以及UPS冗余系統(tǒng)等,對于這些系統(tǒng)我們不僅要精心設計,還要精心施工和系統(tǒng)化測試。UPS電源系統(tǒng)是電子信息機房的重要組成部分,擔負著保障機房服務器與電子通信設備供電的重要任務。


    隨著綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的日漸深入人心,IT設備、供電(包括UPS、PDU、變壓器等)、制冷是機房能耗的主要構成,據(jù)測算,UPS效率每提升1%,全世界數(shù)據(jù)機房可節(jié)電3億度,是機房節(jié)能不可忽視的一環(huán)。用戶需求是市場發(fā)展的“指南針”,用戶以及市場的成熟使“模塊化”UPS產品將成為主導未來市場的中堅核心。 


    在中國,隨著通信與網絡應用的復雜性、精密性與綜合性日益增加,用戶對高擴展冗余、持續(xù)可靠、純凈電源的需求也隨之俱增,這是傳統(tǒng)電源系統(tǒng)所不能提供的。 


    傳統(tǒng)的UPS產品需求大戶如電信、金融等行業(yè)的采購規(guī)模與以前相比出現(xiàn)了較大幅度的滑落。有專業(yè)機構做出的調查表明,由于這兩個行業(yè)的硬件投資比重會逐漸減少,加上這兩個行業(yè)的UPS保有率較高,因此其UPS需求不太可能出現(xiàn)大的增長,預計未來的市場份額將逐漸下降。相反,一些以往占市場比重不大的行業(yè)如制造業(yè)、交通業(yè)、能源業(yè)等對UPS的需求呈現(xiàn)出了快速增長的勢頭,特別是制造業(yè)中,中小企業(yè)的大規(guī)模崛起,更是成為了帶動UPS市場增長的新動力源泉。


易事特模塊化UPS成功入圍“國家廣播電影電視總局”等各大行業(yè),為納入行業(yè)采購標準規(guī)范奠定重要的基石。


4、易事特模塊化UPS特點及價值
    相對于傳統(tǒng)意義上的UPS,易事特模塊UPS優(yōu)勢在于:集成一體化設計、系統(tǒng)模組化架構。
集成一體化設計   系統(tǒng)模組化架構


供電的可靠性

    UPS功率模塊之間并聯(lián)冗余設計,低功耗的類模塊設計與模塊之間獨立的供電電源,從而使整個系統(tǒng)可靠性提高。
    任意模塊損壞均不影響其它模塊正常工作,可在很短時間內完成模塊熱插拔更換、擴容。
    功率模塊單元、系統(tǒng)監(jiān)測單元、充電模塊損壞,也不影響UPS正常工作。另外,配電部分采用雙備份系統(tǒng),提高安全系數(shù)。

    LBS同步控制功能,實現(xiàn)雙母線并機冗余功能,確保供電可靠性。


后期擴展性強

    在行業(yè)用戶的信息網絡供電系統(tǒng)建設中,模塊化UPS可以幫助用戶在未來發(fā)展不明確的情況下分階段進行建設和投資。此外,打破傳統(tǒng)的“1+1”或“N+1”的冗余機制,實現(xiàn)“N+X”的故障冗余及升級擴容,也可以大大節(jié)約采購、安裝及維護成本


    模塊化UPS最多可以增加到20個模塊,單模塊由20、25、50KVA模塊組成。單機最大擴展到250KVA:單個模塊功率25KVA,共10個;單機冗余并機達到1000KVA:單模塊功率50KVA,共20個;


    易事特綠色智能模塊化UPS電源采用N+m冗余并聯(lián)技術是專門為了提高UPS的可靠性和熱維修〔也稱作熱插拔和熱更換(hotplugin)〕而采用的一種新技術。所謂N+m冗余并聯(lián),是指在一個UPS單機內部,采用N+m個相同的電源模塊并聯(lián)組成UPS整機。其中N代表向負載提供額定電流的模塊個數(shù),m代表冗余模塊個數(shù)。m越大UPS的可靠性越高,但UPS的成本也越高。在正常運行時UPS由N+m個模塊并聯(lián)向負載供電,每個模塊平均負擔1/(N+m)的負載電流,當其中某一個或k個(k≤m)模塊故障時,就自行退出供電,而由剩下的N+(m-k)個模塊繼續(xù)向負載提供100%的電流,從而保證了USP的不間斷供電。


n個整流模塊與k個逆變模塊組成的冗余并聯(lián)式UPS

 


高效節(jié)能低成本

    傳統(tǒng)工頻機在滿載狀態(tài)下其效率僅能達到約90%,且此時其THDI通常達>30%;如果需要為降低THDI而增加5、7次無源濾波器,而系統(tǒng)效率會低至90%以下。易事特采用的PFC整流技術與三電平控制技術相比12脈沖整流與二電平控制技術,脈動轉矩減低,其輸入諧波理論上≤5%,而實際易事特模塊化UPS輸入諧波電流<1.9%(見圖一)。


傳統(tǒng)UPS與模塊化UPS拓撲架構對比(圖一)

    易事特綠色智能模塊化UPS電源采用低損耗器件和優(yōu)化設計、純在線雙變換架構、智能輪換休眠控制技術(見圖二)。

智能輪換休眠控制技術(圖二)

    其獨有的逆變拓撲“三電平控制技術”,能有效減低逆變IGBT的導通與關斷的損耗,并通過優(yōu)化母線電壓調整參數(shù)和邏輯,超越傳統(tǒng)UPS效率90%,其整機效率達到96%,排名領先行業(yè)(見圖三)。由此并榮獲得“中國節(jié)能產品認證證書”。


    易事特綠色智能模塊化UPS屬智能化高頻UPS,輸入功率因數(shù)接近于1,相比同類產品節(jié)電15%左右。


傳統(tǒng)UPS與模塊化UPS效率對比 (圖二)

    易事特模塊化UPS其核心器件DSP芯片采用國際市場美國TI品牌,引進其最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片TMS320F2812。它具有它既具有數(shù)字信號處理能力,又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能;指令周期(150MHZ)達到6.67ns毫秒級的運算,確保UPS能快速準確的運算,達到切換時間0ms。
 
雙總線同步與黑匣子功能

    易事特模塊化UPS實現(xiàn)的LBS功能系統(tǒng),由兩臺獨立的系統(tǒng)UPS1和UPS2通過LBS總線電纜相連,LBS總線電纜內包括一條CAN BUS和一條同步信號線。為了避免單點故障,監(jiān)控采用冗余設計,一臺UPS內有個監(jiān)控模塊。EA660III的LBS功能支持8個獨立系統(tǒng)的負載同步(先實現(xiàn)兩個系統(tǒng)的同步)。


    模塊UPS核心元件TMS320F2812內含128K×16位的片內Flash存儲器,并可擴展多達1MB的外部儲存器,結合外部硬件設計構成具有存儲事件的黑匣子功能,在數(shù)據(jù)中心應用領域,遇不可抗力因素發(fā)生的電氣故障,UPS黑匣子存儲記錄瞬態(tài)故障發(fā)生數(shù)據(jù),為分析故障提供權威以及切實有效的數(shù)據(jù)。



總    結
    用戶需求是市場發(fā)展的“指南針”,用戶以及市場的成熟使“模塊化”UPS產品將成為主導未來市場的中堅核心。面臨中國通信與網絡應用的復雜性、精密性與綜合性日益增加,用戶對高擴展冗余、持續(xù)可靠、純凈電源的需求也隨之俱增。引易事特綠色智能模塊化UPS將再度為未來數(shù)據(jù)中心機房保駕護航,引領行業(yè)發(fā)展,滿足市場需求。

參考文獻
{1}周京華·多電平逆變器拓撲架構及調制策略的研究[博士學位論文]西安交通大學
{2}劉娜·基于DSP控制的三電平逆變器的研究[碩士學位論文]
濟南山東大學
{3} 龔春英·基于DSP控制的逆變器并聯(lián)技術研究[副教授論文]
南京航空航天大學

 國務院辦公廳日前印發(fā)《關于2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案的通知》。方案要求,大力推進產業(yè)結構調整:加快建設節(jié)能減排降碳工程;狠抓重點領域節(jié)能降碳;強化技術支撐;進一步加強政策扶持;加強監(jiān)測預警和監(jiān)督檢查;落實目標責任等。一系列政策促使企業(yè)融入國家號召—節(jié)能低耗。


    淘寶、微商等大型電子商務購物模式的脫穎而出,使得傳統(tǒng)的商務模式向電子商務加速轉型,在以云計算為代表數(shù)據(jù)中心IDC創(chuàng)新的襯托下,IT設備供電可靠性、機房散熱、溫濕度、電磁場強度、噪音干擾、防雷、等電位接地、全面監(jiān)控等,為數(shù)據(jù)機房構建者提出新的要求。


    其中能耗是數(shù)據(jù)中心最大的成本,因此數(shù)據(jù)中心的節(jié)能降耗是企業(yè)節(jié)能減排、降低運營成本的關鍵所在。為滿足這一需要,易事特數(shù)據(jù)中心科研團隊根據(jù)多年的實踐經驗為客戶量身訂做了一套高效、安全、穩(wěn)定、綠色的模塊化數(shù)據(jù)中心,其采用的精確氣流遏制與管理(冷池)系統(tǒng)。

1、數(shù)據(jù)中心建設主要內容及分類

    機房的建設是一個系統(tǒng)工程,機房的基礎設施必須具備可靠的容錯、多種備份路徑,其中一個典型的數(shù)據(jù)中心至少由20個主要的子系統(tǒng)構成的總體。這些子系統(tǒng)按工程承包商分類為:電氣工程、消防工程、土建工程、弱電工程、空調工程等多個專業(yè)于一體。見(圖一)機房建設中不可或缺的還有豐富的工程施工和管理經驗。


    其中將各子系統(tǒng)再細化分類,由單獨可用的子系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間無縫對接,構成數(shù)據(jù)機房基礎設施建設。見(圖二)其中供電系統(tǒng)成是基礎設施最重要的子系統(tǒng)之一,結合數(shù)據(jù)機房設計規(guī)范,與電信、移動等行業(yè)巨頭系統(tǒng)集采標準,數(shù)據(jù)機房對溫度、濕度、潔凈度、電磁場強度、噪音干擾、安全保安、防漏、電源質量、振動、防雷和接地等。機房建設者需要轉變傳統(tǒng)IT機房架構,找到一種適合云計算、大數(shù)據(jù)時代全新的設計理念、高效低碳的構思、與全方位的交付模式。


Visio 繪制(圖一)按承包商分類
Visio 繪制(圖二)按各子系統(tǒng)分類
2、易事特數(shù)據(jù)中心解決方案

    易事特“外(內)冷池結構”的數(shù)據(jù)中心機房解決方案,是數(shù)據(jù)機房科研成果最好的見證,為滿足不同高端數(shù)據(jù)中心各種氣流組織而設計,針對現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心局部負載過熱問題,保證設備中心的可靠運行,實現(xiàn)端到端氣流組織設計,以滿足IT設備散熱對冷空氣風量的最大需求。具體做法是將服務器機柜面對面進行排列以形成通道,并在通道兩端及頂部進行封閉設計,構成一個冷空氣室,使IT設備散熱所需的冷空氣和排放的熱空氣完全隔離,阻止數(shù)據(jù)中心冷、熱氣流混合,以此提高制冷設備工作效率,解決了數(shù)據(jù)中心高密度IT設備局部過熱問題,降低了PUE值,使數(shù)據(jù)中心達到綠色和節(jié)能的目的。


易事特數(shù)據(jù)中心解決方案,由一站式綠色節(jié)能解決方案、氣流遏制外(內)冷池系統(tǒng)、一體化E智解決方案。
3、易事特新型模塊化冷池數(shù)據(jù)中心結構概述
    數(shù)據(jù)中心制冷中采用冷池技術稱為數(shù)據(jù)中心冷池方案。為降低數(shù)據(jù)中心造價,提供單機柜設備,考慮機房整機建設,凸顯其機房建設原則。

新一代數(shù)據(jù)機房對空間利用率會更高,逐步向倉儲式發(fā)展,易事特數(shù)據(jù)中心預測5-10年之后機房擴展與冷卻空間,最大限度考慮建設初期投資與規(guī)劃,滿足后續(xù)配套設施同步增長與各子系統(tǒng):高頻模塊化UPS、行級列間空調,智能型精密配電等,均安全冗余設計。


    易事特模塊化數(shù)據(jù)中心機房是新一代數(shù)據(jù)中心解決方案,集成了機柜、氣流密閉、供配電、UPS、精密空調、動環(huán)監(jiān)控、布線管理等所有子系統(tǒng),支持單排或雙排,單機柜IT功率由2KW~10KW/柜的上機率。主要應用于大中小型的網絡機房。
常見的冷池方案根據(jù)冷通道位置差異分為外冷池和內冷池兩種類型,如下圖所示:

    而易事特新型模塊化冷池數(shù)據(jù)中心解決方案運行原理:是將兩排面對面排列的機柜中間的冷通道安裝活動墻隔板使其完全封閉,構成一個冷空氣室,使95%左右的冷風可以直接送到冷空氣室內而進入服務器設備,經過冷熱交換后的熱風排到機房,再回到空調機組。


    這種熱風與冷風路徑分別,不僅能有效防止了冷、熱氣流短路、混合,提高空調系統(tǒng)的風量利用率和冷風利用率,還能更好地集中冷量對數(shù)據(jù)中心的設備功率進行針對性供冷調節(jié),解決數(shù)據(jù)中心設備局部過熱,過冷的問題。有效降低機房能源消耗率PUE數(shù)值,提高數(shù)據(jù)中心的IT設備的容積率,滿足IT設備散熱對冷空氣風量的最大需求,使數(shù)據(jù)中心達到綠色和節(jié)能的目的。(見下圖)新型模塊化冷池數(shù)據(jù)中心。

4、傳統(tǒng)機房冷池與采用氣流遏制系統(tǒng)的冷池

    下圖為傳統(tǒng)機房與采用冷池系統(tǒng)的CFD熱模型對比效果圖,易事特冷池解決方案獨有的“精確送風系統(tǒng)”把冷熱區(qū)分開,普通冷池相較行間精確送風控制冷池還存在較多不足。

         傳統(tǒng)冷池CDF熱模型              采用氣流遏制系統(tǒng)的模塊化冷池CDF熱模型  

1、傳統(tǒng)機房冷熱通道混亂,制冷效果非常不理想,容易形成機房局部過熱。


2、普通冷池系統(tǒng)機柜做不到全面監(jiān)控,沒有針對性控制,冷卻效果參差,不夠理想;


3、普通冷池系統(tǒng)節(jié)能效果還有較大提升余地;


4、即便設有監(jiān)測控制裝置冷池,多數(shù)還是以冷池內的溫濕度為控制依據(jù)進行控制,不能如實的反映組成冷池的機柜實時工作狀況。 


易事特冷池結構特點:

1、制冷單元安裝于IT機柜行間 ,不需要架空地板配送氣流,對于機房高度要求低;
2、制冷單元的出風被鄰近的機柜迅速吸入,貼近熱源,縮短氣流行程;
3、根據(jù)機柜數(shù)量和功率部署制冷單元 ;
4、制冷單元和IT機柜標準化與模塊化,模塊化部署,可滿足數(shù)據(jù)中心的升級擴容;
5、可預見性規(guī)劃,快速安裝,縮短安裝時間;
6、冷熱氣流相互隔離,消除冷熱混合;
7、 安裝方便、節(jié)省空間、可自由組合;
8、所有標準化模塊組件由工廠預裝; 
9、出廠前預檢,提高系統(tǒng)的可靠性;
10、減少方案設計及現(xiàn)場施工的時間;
5、易事特數(shù)據(jù)機房動力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)
   機房監(jiān)控系統(tǒng)是針對中小機房典型應用場景的新一代數(shù)據(jù)機房一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)。整個監(jiān)控系統(tǒng)包括三大部分:軟件應用、集中監(jiān)控和傳感器設備,它可以集中監(jiān)控和管理機房的配電設備、UPS、空調、智能門禁、視頻監(jiān)控等智能設備的運行狀態(tài)以及溫度、濕度、煙霧、水浸、紅外、門磁等環(huán)境量和開關量信號采集,同時也可以通過定制協(xié)議開發(fā)接入第三方智能設備。摘自《E機房事業(yè)部集中監(jiān)控系統(tǒng)》
該系統(tǒng)可以滿足網絡接入間、中小型數(shù)據(jù)機房及分布式數(shù)據(jù)中心等多種客戶應用場景的需求,為客戶提供靈活多樣的一體化機房監(jiān)控解決方案,如下集中監(jiān)控系統(tǒng)案例。


總    結

    海量異構數(shù)據(jù)迸發(fā)處理難、能耗增長成本,設計構建“高效低碳綠色數(shù)據(jù)中心”實現(xiàn)“節(jié)能減排低碳目標”等一系列節(jié)能措施已納入國家“十二五”規(guī)劃,并且積極推進市場化節(jié)能減排機制:實施能效領跑者制度。定期公布能源利用效率最高的空調、冰箱等量大面廣終端用能產品目錄,單位產品能耗最低的乙烯、粗鋼、電解鋁、平板玻璃等高耗能產品生產企業(yè)名單,以及能源利用效率最高的機關、學校、醫(yī)院等公共機構名單,對能效領跑者給予政策扶持,引導生產、購買、使用高效節(jié)能產品。適時將能效領跑者指標納入強制性國家標準。


摘自(2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案)。
    2014年12月10日,綠色網格2014高峰論壇在北京國家會議中心隆重舉行,本屆論壇首次公布了TGG針對中國數(shù)據(jù)中心的多項研究成果:PUE/綠色認證、中國自然冷卻地圖、SpUE 空間使用效率等。并表示:2015年全球權威數(shù)據(jù)中心綠色PUE認證即將在華落地。摘自(中國IDC圈)




參考文獻
{1}《2014-2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案》中國節(jié)能減排網
{2}《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》      GB50174 2008
{3}《中國電信數(shù)據(jù)中心機房電源、空調環(huán)境設計規(guī)范》
{4}《新一代信息化模式催生第四次信息中心變革》浪潮·王恩東