編者按：隨著IT技術(shù)的發(fā)展，當代數(shù)據(jù)中心對機房基礎(chǔ)設施的可用性、適應性和總擁有成本提出了更高的要求，作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)物理設施的UPS供電系統(tǒng)，其設計理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。日前，《電源世界》采訪了中國電源學會專家委員會主席張廣明先生，就新形勢下如何科學地規(guī)劃設計數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)等問題做了深入交流和探討。同時，張主席與陳冀生先生共同撰寫的“現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計”一文將分為10期，連續(xù)刊載于本刊，相信文中敘及的新穎論點和理念能帶給讀者和相關(guān)從業(yè)者不少啟發(fā)借鑒作用。
《電源世界》：最近，您和陳冀生先生共同撰寫了“現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計”一篇文章，內(nèi)容很豐富，共分10個專題，請談談您寫這篇文章的初衷，主要研究和解決什么問題？
張主席：不停電供電概念的出現(xiàn)和UPS設備的產(chǎn)生，至今已經(jīng)歷了五十多年的歷程，在這個漫長的過程中，隨著IT技術(shù)的發(fā)展，特別是當代數(shù)據(jù)中心對機房基礎(chǔ)設施的可用性、適應性和總擁有成本提出了更高的要求，作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)物理設施的UPS供電系統(tǒng)，其設計理念和配置方法也在發(fā)生著明顯的變化。供電系統(tǒng)設計理念的變化概括起來有“研究工作從單臺設備向整個供電系統(tǒng)變化”、“對系統(tǒng)可靠性的研究向可用性研究變化”、“提高供電系統(tǒng)的適應性”、“集成一體化設計理念”、“系統(tǒng)模塊化設計成為供電系統(tǒng)設計的基本原則”等五個方面，這些變化反映了數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)技術(shù)進步的進程，并全面地指導著供電系統(tǒng)的規(guī)劃、方案設計、產(chǎn)品開發(fā)、設備選型、安裝與維護管理的全過程。供電系統(tǒng)所有的這些變化都是緊緊圍繞著IT技術(shù)的進步和當前存在的問題進行的，變化過程的一個突出特點是其漸進性，新技術(shù)新產(chǎn)品的產(chǎn)生到被廣大用戶認可并接受通常是一個漫長的過程，這個過程有時需要產(chǎn)品的一個或兩個生命周期才見分曉。
這個過程之所以如此漫長，除了產(chǎn)品技術(shù)本身需要一個成熟過程外，還有用戶對新技術(shù)、新理念、新設計方法的實踐認知過程。在這個過程中，傳統(tǒng)的設計觀念、對新技術(shù)新產(chǎn)品的誤解和誤導、相關(guān)過時的標準條款等，都會成為新技術(shù)新產(chǎn)品新理念推廣應用的束縛因素。所以，加強新技術(shù)新產(chǎn)品新理念的宣傳、討論和技術(shù)交流是非常必要的。
為此，我和陳冀生先生聯(lián)合撰寫了“當代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計”這篇文章（共10個專題），旨在全面介紹現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)要求、存在的問題、新的設計理念和規(guī)劃設計方法，并對高頻機、模塊化UPS、直流UPS、數(shù)據(jù)中心節(jié)能等業(yè)內(nèi)的熱點議題作了專題分析介紹。陳冀生先生長期從事數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計研究和UPS設備的開發(fā)工作，對系統(tǒng)模塊化設計理念和供電方案有很深的造詣。由他和他帶領(lǐng)的團隊開發(fā)的系列模塊化UPS，在功率等級、技術(shù)性能方面都處于領(lǐng)先水平，并在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得到了越來越多的認可和應用。
《電源世界》：您在文章的前兩篇講的主要是當代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)存在的問題和規(guī)劃設計方法，您能扼要地講講在當代數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)規(guī)劃設計方面存在著什么問題嗎？
張主席：在現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心建設的整個過程中，規(guī)劃設計是最重要的一個環(huán)節(jié)，規(guī)劃設計階段要考慮并確定的因素包括：數(shù)據(jù)中心業(yè)務定位、建設規(guī)模、選址、可持續(xù)發(fā)展能力、可用性級別、經(jīng)濟性和總擁有成本、可服務性等。應該說，規(guī)劃設計指導和規(guī)定了數(shù)據(jù)中心建設的整個過程，實際上對設備選型、施工安裝和運行維護等都做了嚴格明確的規(guī)定；數(shù)據(jù)中心的絕大多數(shù)問題都起源于規(guī)劃設計。當前不科學的非規(guī)范化的規(guī)劃設計主要表現(xiàn)在兩個方面：一是，憑主觀臆斷確定數(shù)據(jù)中心規(guī)模、預算、建造進度、能耗預期指標PUE；二是，在功能和技術(shù)可行性不明確的情況下，首先從工程細節(jié)和設備采購入手。要知道過早強調(diào)硬件設備會使項目陷入冗長的技術(shù)討論中，而通常這種按照老方法建造的數(shù)據(jù)中心只能支持老技術(shù)，并得出老的結(jié)果。錯誤的開始給許多數(shù)據(jù)中心設計和建設項目帶來巨大麻煩，如何避免高昂的代價，如何避免這些問題，關(guān)鍵是要有并嚴格遵守的正確的規(guī)劃設計程序。
數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設計流程包括五個階段：確定商業(yè)需求目標功率容量（預算范圍、擴展計劃、關(guān)鍵功能、總體效率、IT需要）；基礎(chǔ)物理設施規(guī)劃（選址、機房布局、供電方案、制冷方案、其它）；確定用戶要求（選擇性傾向、約束條件、預算、升級策略、可用性級別、效率和能源利用要求）；制定項目計劃書；制定工程設計計劃。在這個過程中，要特別注意選擇性傾向與約束條件的區(qū)別，約束條件例如自然環(huán)境、資源條件、配套環(huán)境、安全狀況、建設成本等是不可逾越不可改變的物理條件，而用戶的選擇性傾向則可能包含了許多傳統(tǒng)觀念、片面的經(jīng)驗、錯誤的誤導和誤解，過分地強調(diào)和照顧選擇性傾向可能會給數(shù)據(jù)中心設計和建設帶來巨大麻煩，付出高昂的代價，最終建成一個性能低下的不符合用戶最初確定的目標的數(shù)據(jù)中心。
《電源世界》：據(jù)我們了解，在業(yè)內(nèi)對高頻機UPS和工頻機UPS的優(yōu)劣和應用前景存在著激烈的爭論，請您談談自己的看法。 {$page$}
張主席：最初的UPS輸出逆變器都是帶有變壓器的。應該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。UPS電路技術(shù)演變過程的突出問題是：是否必須用變壓器以及如何配置變壓器。UPS電路技術(shù)的進步直接取決于功率半導體器件的進步，50年前UPS問世時，使用的是可控硅（晶閘管），UPS輸出帶4個不同接線形式的變壓器，到雙極型功率晶體管以及電子控制級的IGBT等功率半導體器件的出現(xiàn)，UPS經(jīng)歷了輸出4個變壓器到1個變壓器的演變過程。應該說，輸出變壓器是工頻機UPS不可分離的構(gòu)成部分，而且它的作用也很簡單：系統(tǒng)升壓和在輸出端產(chǎn)生三相四線輸出的零線。也就是說，沒有輸出工頻變壓器，工頻機UPS就無法正常運行，也不能對單相負載供電。在UPS供電系統(tǒng)中，UPS設備的一個至關(guān)重要的功能是當輸出過載或者UPS逆變器故障時，要自動轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路供電，另外，在系統(tǒng)中還設置了維護旁路，當UPS需要維護時可手動轉(zhuǎn)維護旁路向負載供電。執(zhí)行這兩個操作時，都是由旁路輸入三相四線電壓直接向負載供電，所以，系統(tǒng)的零線與負載端的零線必須短接在一起。這就決定了帶輸出變壓器的UPS根本不具備系統(tǒng)隔離功能。
隨著半導體器件水平的提高和UPS電路技術(shù)的進步，就出現(xiàn)了高頻機電路結(jié)構(gòu)的UPS，這種電路結(jié)構(gòu)之所以不再需要輸出變壓器，一是在輸入端采用高頻IGBT整流技術(shù)，不僅完成了系統(tǒng)升壓功能，還極大地改善了輸入特性，輸入功率因數(shù)可提高到0.99；二是在輸出端采用了半橋逆變電路形式，電路本身提供了單相負載需要的輸出零線。當新的電路結(jié)構(gòu)本身具備升壓和產(chǎn)生輸出零線這兩個功能時，輸出變壓器自然也就沒有存在的必要了。高頻機（無輸出變壓器）UPS的性能優(yōu)勢是針對工頻機（帶輸出變壓器）UPS由于自身的電路結(jié)構(gòu)而不可能達到的固有缺點而言的，包括成本、效率、重量和體積等，當然還包括在設備電氣性能方面的改進和提高。這些與當前社會提倡的降低能源損耗、節(jié)省資源（銅和鐵）消耗、提倡綠色產(chǎn)品的趨勢是一致的。
值得注意的是，業(yè)內(nèi)對這兩種電路結(jié)構(gòu)UPS爭論的焦點是可靠性問題，就當前情況來看，工頻機和高頻機的可靠性都達到了較高的水平，我認為關(guān)鍵是使用者對產(chǎn)品可靠性要求的期望值是多大。下面的例子或許可以說明這一問題：馬車與飛機相比，誰都知道馬車的安全性永遠比飛機高。但是，當今的社會人們還是選擇了飛機，難道是人們?yōu)榱耸孢m和效率而不顧生命安全嗎？不是的，人們所以選擇飛機是飛機的安全系數(shù)已經(jīng)超過了人們對安全要求的期望值。當前的器件和電路技術(shù)決定了帶輸出變壓器UPS和不帶輸出變壓器UPS的可靠性都達到了很高的水平，都超過了人們的期望值，盡管我們不能說不帶輸出變壓器UPS的可靠性比帶輸出變壓器UPS的可靠性還高，但我們有充分的根據(jù)說，不帶輸出變壓器UPS的可靠性已經(jīng)不是問題。
《電源世界》：很多UPS廠商都在開發(fā)模塊化UPS，但在推廣應用中卻存在不同看法，用戶選用時也就顧慮重重，請您談談您的觀點，用用前景如何？
張主席：這要從應用的需要談起，現(xiàn)代信息系統(tǒng)對基礎(chǔ)設施可用性的基本要求可用三句話表達：一是，該系統(tǒng)必須能連續(xù)工作；二是，一個能連續(xù)工作的系統(tǒng)必然是一個能夠修復和可快速修復的系統(tǒng)；三是，一個能修復和可快速修復的系統(tǒng)要求組成該系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)都必須有模塊化功能。
模塊的基本特征是：系統(tǒng)中一個功能定義明確的可獨立運行的單元；結(jié)構(gòu)上可整體安裝、拆卸、更換、移動；相同單元可冗余并機運行。一個螺帽，一條電纜，它們都有獨立功能，但系統(tǒng)運行后，由于工具和物理空間原因，無法再對其拆卸，則該螺帽或電纜就不再具備模塊化功能，也就是說它是不可修復的。一臺復雜的UPS設備，它有冗余并機功能，可在線維護、拆卸、擴容、移動、運進運出更換，則這臺UPS就具備模塊化功能；一個集裝箱數(shù)據(jù)中心是一個最復雜且集成度最高的模塊，它也具備模塊化的一切特征。
以上講的是廣義的模塊化定義，系統(tǒng)模塊化設計是數(shù)據(jù)中心機房基礎(chǔ)設施設計的重要理念和基本策略，數(shù)據(jù)中心機房設計建造中的很多問題都與系統(tǒng)模塊化程度有關(guān)。供電系統(tǒng)和設備的設計者首先把模塊化設計概念應用到可靠性最低的UPS設備中，這就是模塊化UPS。由于模塊化UPS同時具備冗余容錯和可拔插快速修復功能，所以，我們把模塊化UPS歸結(jié)為可用性級別最高的模塊化系統(tǒng)。
用戶的疑慮在于他們發(fā)現(xiàn)模塊化UPS比單機1+1冗余并機的UPS系統(tǒng)的設備故障率高，因此得出模塊化UPS可靠性差的概念。其實這是個認識問題，是看問題的方法和觀念存在偏差。我們可以從兩個方面作出解釋和分析：
第一，要全面地看模塊化UPS的性能優(yōu)勢。為此，我們首先看一下模塊化UPS的體系結(jié)構(gòu)。應該說模塊化UPS就是從單機N+1冗余并機發(fā)展來的，但它是集成化的N+1冗余并機系統(tǒng)，同時具備可拔插快速修復功能。它把單機N+1冗余并機的輸入輸出配電、維護旁路、集中靜態(tài)旁路、并機系統(tǒng)管理等集成在一起，因而帶來諸多優(yōu)勢：一是，集成化的優(yōu)勢，省去了現(xiàn)場安裝、調(diào)試等工作，減少人為錯誤，可明顯地提高系統(tǒng)調(diào)試質(zhì)量，無需再單獨購置和安裝并機需要的設備，提高部署速度，可縮短建設周期、縮短故障修復時間（發(fā)生故障后不再有設備供應上的推諉問題），可優(yōu)化系統(tǒng)配置，節(jié)省機房設備安裝的物理空間，并提高管理維護水平、降低運營費用；二是，可熱插拔快速修復的優(yōu)勢，故障修復時間是單機冗余系統(tǒng)的1/8～1/10，可明顯地提高系統(tǒng)可用性，又因為故障模塊是整體更換和回廠修復，可大幅度降低在故障率；三是，提高系統(tǒng)擴展能力，可按需要擴展系統(tǒng)容量，降低設備和備件成本，明顯地提高設備工作效率，簡化規(guī)劃、設計、安裝流程，降低非設備資本成本。 {$page$}
第二，要明確數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性的定義。數(shù)據(jù)中心的主體是IT設備，衡量供電系統(tǒng)是否可靠的判定標準應該是是否因供電系統(tǒng)和設備的故障而使IT設備運行受到影響。模塊化UPS并聯(lián)運行的模塊數(shù)量多，相對于UPS單機而言，其模塊故障率自然高，這與UPS單機1+1冗余并機的設備故障率比UPS單機高出一倍是同一個道理，為了提高系統(tǒng)的可靠性，人們寧可采用設備故障率高的1+1冗余并機（N+1系統(tǒng)或2N系統(tǒng)）而不采用單機（N系統(tǒng)）。因此，我們必須清楚這樣一個道理：在冗余容錯系統(tǒng)中，設備故障不等于系統(tǒng)故障，設備故障率也不再等于系統(tǒng)可靠性。
《電源世界》：當前電信系統(tǒng)在大力推廣直流UPS供電系統(tǒng)，這是一種全新的技術(shù)，請您談談其應用前景如何？
張主席：自從上世紀90年代末計算機及內(nèi)置電源普遍采用無輸入工頻變壓器的高頻開關(guān)電源后，業(yè)內(nèi)就開始討論UPS直流輸出給IT設備供電問題，并作了大量設備和系統(tǒng)的研究，也有多篇論文和發(fā)明專利發(fā)表。應該說，UPS輸出直流化是一種必然趨勢，優(yōu)點很多，而真正能促使這一變革付諸實現(xiàn)的原因是直流UPS供電可大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。在傳統(tǒng)的交流UPS供電系統(tǒng)中，備用電池是通過UPS可靠性的薄弱環(huán)節(jié)（輸出逆變器）向負載供電的，備用電池是UPS設備的一個重要組成部分，如果UPS供電系統(tǒng)故障，則市電輸入和備用電池這兩路能源都失去作用，所以，UPS供電系統(tǒng)的可靠性就等于整個供電系統(tǒng)的可靠性。而UPS直流輸出系統(tǒng)則不然，此時備用電池可直接向IT負載供電，整個供電系統(tǒng)的可靠性相當于“市電+UPS系統(tǒng)與備用電池”的冗余并聯(lián)，其結(jié)果必然能大幅度提高整個供電系統(tǒng)的可靠性。
對直流UPS的研究開發(fā)，最關(guān)鍵的是正確的選擇直流輸出電壓值，應該說，直流UPS的輸出電壓值不是由供電系統(tǒng)規(guī)劃設計者或UPS廠商決定的，而是IT設備決定的。IT設備的機內(nèi)開關(guān)電源的直流母線電壓有兩種，其中一種是由簡單全波整流做AC/DC變換的是300V，目前這種設備已經(jīng)被高輸入功率因數(shù)的PFC電路替代，其直流母線電壓是380V。直流電壓選擇不當會帶來一系列不利因素，包括影響IT設備壽命（脫離最佳工作狀態(tài)）、系統(tǒng)復雜性和成本（能否減少UPS和開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換次數(shù)）、備用電池的利用率、節(jié)能效果等。根據(jù)當前研究機構(gòu)、行業(yè)和著名IT廠商的研究報告和發(fā)布的信息來看，選擇380V的有臺達電子、法國電信、華為技術(shù)、艾默生、愛立信、NTT數(shù)據(jù)、環(huán)境研究所、英特爾、IBM、戴爾、微軟、伊頓等，選擇300V的是韓國電信，選擇320V的有富士通、NEC、日立。
談到直流UPS的研究和應用前景，我的看法簡單歸結(jié)于以下幾點：1、UPS輸出直流化改革的難度并不在于直流UPS設備本身；2、這種變革要由供電設備廠商和IT設備廠商共同參于；3、對IT設備的開關(guān)電源做相應的變更工作，包括開關(guān)電源的輸入開關(guān)、保險絲、繼電保護等要改為直流器件，初期可能要求IT設備同時適應交流220V和直流380V輸入，最終是重新定型開關(guān)電源，去掉AC/DC變換，只保留DC/DC變換；4、研究和試用是個漫長的過程，通過設備研發(fā)、技術(shù)改進和試運行，來論證這種變革的技術(shù)可行性，通過較長時間的運行實踐，考察系統(tǒng)（包括IT設備）的適應性、可靠性、降低成本和節(jié)能效果等，有些問題（IT設備的可靠性和壽命）要通過設備運行的一個生命周期才能看出，有些問題要通過一定設備量經(jīng)過一定時間運行的統(tǒng)計數(shù)字才能得出結(jié)論，標準更要在以上問題得出結(jié)論并在業(yè)內(nèi)得到普遍認可的情況下才能制定�？傊琔PS輸出直流化是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的一次重大變革，目前已進入改變觀念、技術(shù)研發(fā)、方案論證和系統(tǒng)試運行階段，這是一個可喜的開端。<