UPS供電系統現狀與發展趨勢(圖)

中國電源學會副理事長 張廣明

　　談到設計理念的變化，首先要講這個理念是怎么產生的。任何新的理念都是在應用中存在問題以后才產生的，所以首先講當前供電系統里存在的問題，在這個基礎上講未來解決這些問題，產生了什么樣的新的理念，以及相應的新開發的產品。

　　新的理念主要發生在最近四年、五年里，發生了非常明顯的變化。這種變化來自于主要是網絡IT系統對供電的連續性強烈的要求，不允許停電，已經超出了UPS供電系統原來的含義。最早的供電系統，不停電，能延遲10－15分鐘，保持數據和計算機安全關機，而現在提出了更高的要求，必須連續通電，這種變化非常明顯，發展的非�？�，存在的問題決定了技術發展趨勢沒有問題或者不知道問題所在，就不可能接受新的理念和新的產品。

　　第一，現狀和問題。

　　在我國UPS已經發展到第三個階段，關注業務的可用性，同時對業務的適應性也提出了相應的要求，這是我國目前處的階段，應該說這個階段意味著我國UPS市場是成熟的，也就是說在已經建立和未來建立的IT系統中，毫無例外的都在考慮不停電供電。對煙草行業進行的調查表示，在IT系統，95％以上都用了不停電供電系統，當然在調查中還發現，應用的水平還不夠高，僅僅處在初級階段。

　　現狀問題二，對UPS的認識水平有了明顯的改變，UPS各項輸出電信的指標已經不再是影響負載正常運行的因素和購置時衡量性能優劣的主要標準，主要是相對于UPS開始產生，80年代、90年代的時候，那時大家對它的認識只看到了速度的性能指標，而現在大家對它的認識提高了一步，向應用更靠近了一步，所以這些指標并不是最主要的。

　　什么是先進的指標呢？綜合當前應用的需要來說，下面的四個指標是最主要的，第一，不能污染變化，第二，可熱插拔在線維護功能。第三，先進的智能管理技術及第四，強勁的輸出能力和可靠性。這四項指標是最主要的，特別是第一項、第二項是硬指標。如果UPS品牌在這兩個指標尚沒有達到的話，就很難把它列為一流的產品。

　　現狀問題三，什么是重要的指標呢？安全性和可靠性是當前供電系統的最主要的問題，不管是使用者還是UPS廠商，都意識到了這點。因此，對可靠性的衡量才是最主要的衡量先進性能的依據。

　　現狀問題四，使用者和UPS供電的廠商都發現僅僅提高UPS設備的可靠性，不能從根本上解決整個供電系統的安全性和可靠性的，大家都明顯地感覺到，一臺性能非常好的UPS，放在一個供電系統里，可能故障率很高。如果查找故障原因，可能不是UPS本身的問題，可能是系統中其它的問題誘發UPS產生故障。

　　現狀問題五，用戶感到最困難的是供電系統故障后，修復時間長，而且很困難。造成這種現象的原因有一個大的供電系統很復雜，產品供應商的反應速度慢，維護技術人員的經驗、故障查找、原因的查找和分析，包括一個系統里各種設備的供應廠商之間的互相推諉，有時最終沒有查到產生故障的原因。

　　現狀問題六，UPS已經從原來所謂的獨立電源設備發展成為今天有多種通信方式管理與IT系統無縫集成的網絡設備，但是在使用中，從我們國家目前的狀況來看，對這些功能還沒有充分的利用，據權威的估計，對于先進的UPS智能管理和通訊功能的應用，應用率大概只有20％－30％。

　　現狀問題七，現有的供電系統雖然是不停電工業技術，但是由于傳統的設計不合理，存在著很多隱患，這些隱患包括一個系統里，各種設備可能是多供應商，給系統的安裝、運行、管理、維護帶來很多的困難。第二，系統中所有的設備和環節都是串聯的，形成多個單路故障。第三，系統中各相連的設備輸入、輸出骨干不匹配，相互影響或者不得相互使用。第四，系統中為配置的零部件大和啟動電流沖擊大，不僅污染電網，而且首先在系統內部形成嚴重的干擾。再有傳輸線問題，傳輸布局的其它干擾問題�？傊�，傳統的供電系統設計里存在著很多隱患。

　　現狀問題八，由于設計上的問題，所以也影響到在采購設備里的一些誤導，這些誤導表現在多個方面，但是總的來說，在應有水平對認識沒有達到足夠高的情況下，在采購設備時往往受廠商的誤導，而不是根據實際需要，根據應用去確定衡量的標準，而是把個別廠商能達到的最高的性能指標作為采用選購的指標，這個現象也非常普遍。

　　現狀問題九，提高使用維護水平同等重要。在UPS供電系統的建立和使用提高的過程中，維護技術水平達不到，很多系統，我們通過調查發現，維護人員對所配置的UPS基本性能了解不夠，對UPS監控、監測的信息和顯示功能不熟悉，還有選用配置UPS選型不當，包括維護的制度建立的不健全或者執行不利。

　　現狀問題十，當前已建和正在建設的UPS供電系統普遍存在著資源浪費和周期成本問題。我們經過調查匯總出來的，一般的供電系統，由于很多未知的因素，設計者不得不按最大的容量去設計，而且是一次一設計。這個設計當經過五年，達到最終的使用容量的時候，也就達到了20％－30％，造成了巨大的浪費。

　　根據多個用戶的統計，真正用到70％以上的用戶，這個系統的容量用到了70％以上的機房，大概也就2％－3％，絕大多數都用到了20％－30％，甚至使用容量只用到了10％，還占到了5％。在座的都遇到其中一個兩個或者幾個問題。

　　新的設計理念是隨著問題的出現而產生的，在出現問題的時候已經開始考慮怎么解決�？茖W發展的規律和存在的問題，發展的趨勢是共性的，在技術發展比較早的國家發生過，在我國也會發生過同樣的問題。不同的理念有不同的先進內容，經總結了一下，有五個理念的變化。

　　設計理念變化一，研究工作從單臺UPS設備向整個供電系統研究變化。這是非常明顯的變化之一。在研究設備的同時，要考慮到系統中的問題，這些問題包括系統中各種設備和環節的相互匹配和可靠性的問題，系統可靠性和冗余配置問題，可修復和修復降低至今的問題，UPS的模塊化冗余結構問題，還有供電方式、供電布局的問題。這些問題的研究必然反過來影響為設備的研究，當系統配置提出新的要求的時候，設備也必須有相應的功能，去適應它，所以搞設備研究，同時要對系統研究才能解決。

　　一個供電系統，首先要確定幾個大的方面，供電系統的結構形式是什么，比如是集中的還是分散的，還是區域式供電的，對關鍵的負載，也就是IT設備是不是不停電系統，還有對非關鍵負載，是不是不停電系統。所謂按非關鍵負載，指的是照明、空調或者其它安全方面。系統的可靠性和系統的可用性水平，這些都是對系統研究要解決的問題。

　　設計理念變化二，對系統可靠性的研究向可用性研究變化�？煽啃匝芯康姆浅Ｆ毡�，也是很老的學科，而且各個領域里都有可靠性的問題。但是可用性的研究過去沒有提的那么明確，沒有那么明確的提出來，因為現在對供電系統的要求連續性非常強烈，對連續性要求非常高，在這種情況下提出了可用性的問題�？捎眯愿�可靠性是有區別的�？煽啃允且粋�系統中或者一個設備不發生故障的概率，而可用性是一個系統在一個固定的一段時間內，給用戶使用時間的概率，或者說不可用的概率�？捎眯院�蓋了可靠性，同時包括了可修復性和修復的幅度。

　　不停電觀念的變化，如果一個系統事件故障后，延續時間要10－15分鐘，保證計算機數據存儲和安全關機，這個系統要研究的是可靠性問題，這個系統沒有可用性問題。它故障了以后，只要工作正常，存儲的數據安全關機以后，修復時間是幾個小時，是幾天都無所謂，不存在可用性問題。但是如果事件故障后，必須保證系統不間斷的繼續供電，比如網絡系統，證券、銀行，還有一些生產控制系統，必須連續供電，幾個小時的停電可能損失很大，這個系統我們必須研究可用性問題。一個是不停電保護系統，一個是不停電供電系統，從兩個系統可以明顯地看出來可靠性和可用性的區別。

　　UPS的可用性是用可靠性和可修復性的指標表達的，可用性A就等于整個時間，MTBF和MTTR這兩個時間，無故障時間和修復時間架起了整個時間做分母，分子是平均的無故障，明顯著影響到UPS的發展。提高可用性措施有哪些呢？首先要提高薄弱環節的可用性。提高可用性，首先要提高可靠性，第二是降低修復時間，這兩個措施。提高設備的可靠性，大家常用的是采用先進的電子技術，對電路做可靠性的設計，智能管理的設計，熱設計，電池兼容設計，還有生產工藝的改進和生產管理的改進，這是可靠性，降低維護時間，大家采用的措施主要是模塊化，熱插拔。其實模塊化、熱插拔歷來就有，不是現在才有。計算機從一開始就有電路板，這個電路板就是模塊，只不過今天講的模塊是功能更全的大功率的模塊。

　　當然還要加強提高智能管理水平、維護的水平。如何提高電路技術設備的可靠性呢？常用的是提高功率器件的檔次，再有控制技術，還有先進的電路技術，還有生產工藝的管理。發現用這些辦法對提高可靠性是有效的，但是困難很大，效果也是有限的，因為一個大型的復雜的UPS系統，整機包括上千個器件，有很多作為整機廠家是完不成的，因為里面有半導體技術，有電話技術，有精密器械技術。要提高一個產品的可靠性，必須提高所有器件的可靠性，而提高所有器件的可靠性，必須等待著半導體行業、電話行業、精密機械行業的技術改進和提高，所以做起來非常困難，效果肯定是有限的。但是如果用冗余技術，效果就截然不一樣。只要改變系統設計的理念，整機廠家或者應用，集成商就可以解決。研究可控性的時候用的狀態空間圖，假如這個方塊是整個時間，比如一年8760小時，紅的是不可預測時間，如果這個系統里任何兩個器件，兩個環節串聯，不可用時間幾乎是相加的。如果是冗余的，是并連冗余的，系統A1不可用的時候，但是系統還是可用的，系統A2按不可用的時候，整個系統還是可用的。只有系統A1和A2同時可用，就變成了中間的一點點，不可用的時間就大幅度減少，兩個系統如果可用性都是0.99的話，完全相同的兩個并機以后，可以達到4，這就是冗余的效果。一般來說現在通常采用兩個機器或者三個機器直接并機，這是新的發展趨勢，現在眾多的UPS廠商都在這方面開發研制新的產品。

　　設計理念變化三，從單純的供電系統研究向整個IT基礎設施研究的變化。一個系統不僅僅是單純的供電系統可以解決IT設備的工作。當系統的規模，特別是熱容量發展到一定程度的時候，盡管供電系統很好，但是不見得能很好的工作。從UPS設備到一體化的供電系統，再到基礎物理設施，NCPI，是供電系動設計思維模式的重大變化。

　　基礎物理設施，指NCPI，包括電力供應、機架、空氣調節、服務和管理，這些問題要統一的一體的研究。NCPI實際上把要解決問題的焦點集中到了IP的微環境，要保證IP微環境正常工作，包括電力、空調管理。

　　NCPI和整體機房有什么區別呢？整體機房有屏蔽問題、消防、地板的設置、空調、裝修、天花板，主要是物理設施，當然也包括供電。它的供電是在進口的地方有一個總的配電閥或者總開關，并不解決后面的供電問題，也不解決如何改善供電總量的問題。它的空調是保證房間的溫度適度，并沒有解決IT設備的機柜、機架里的微環境，這就是機房。

　　NCPI涵蓋了機房和里邊的微環境的供電、空調和管理。講到NCPI，NCPI不是今天才產生的，或者今天才發明的，從有了計算機那天開始，就有基礎物理設施的問題，我國在60年代就開始計算機的研制，有過這個工作經歷的能夠知道這一點。任何一個計算機在研究過程中，就開始考慮到了供電系統，內部的低壓供電系統，考慮到機房的空氣件調節，通風問題，機架，線纜的傳遞問題，這些問題都考慮了，有了基礎物理設施，這些研究工作就已經開始了。但是后來到了80年代最明顯的，隨著計算機技術和設備的普及，應用的提高，計算機IT設備開始專業化，專門生產計算機，拿現在來說，專門生產服務器、路由器的設備，很專業，同時一般的建筑裝修的單位沒法管機房，不懂，所以在70年代末到80年代初產生了很多機房公司，機房公司有了，計算機設備有了，微環境誰來保證呢？這就脫節了，當然計算機的提供商會提出相應的要求，但是畢竟沒有專門的研究，所以這中間出現了很多問題�，F在提出微環境，所以APC把自己定位在基礎服務設施方案的提供者。為什么要研究這些問題呢？比如機架問題，普遍的現象應該改變。

　　對于機架，不是簡單的鐵盒子，要解決，包括幾個方面。

　　第一，對不同廠家，不同型號的IT設備必須兼容，IBM的能插，惠普的也能插，不同的廠家必須都能插進去。還有機架一級電源的分配和線纜的管理，要在機架里解決。還有微環境的通風散熱問題，機房里的溫度可能很符合要求，23度左右，但是機架的溫度高了，同樣能工作。還有機架內部的電源狀態的監控和管理，機架不是簡單的盒子，必須有人專門研究它，去做。對于熱量的管理，過去機房的設計標準，把整個發熱量，設備發熱量，人員的發熱量，燈光的發熱量，包括其它的，把整個發熱量平均到機房整個空間里去，提出制冷的標準，這是傳統的設計方法。但是機架內部，設備內部怎么樣沒有管，所以我們現在提出來空調系統的功能怎么定義，應該是把負載設備產生的熱量有效帶走，保證IT設備有一個理想的工作環境，空調的功能是這樣定義的，有氣流的產品，氣流的配送，氣流的移動和返回，不僅僅是在整個房間里，同時要在IT設備的機柜和機架里。

　　設計理念變化四，提高UPS供電系統的適應性，為什么要提高適應性？因為供電系統往往是固定資產投資，而IT設備的技術發展更新的非�？欤�一般是兩三年一個周期，而固定設備投資是不能這樣變化的，它的周期要很長，當發生矛盾時怎么辦？供電系統的設計，必須考慮到可能的變化，還要做的大一點，特別是考慮到不可知的因素要做的大一點，這種適應性能不能由供電系統本身來解決？也有是說設備和系統的配置本身就有很大的可擴充性，可變更的能力，可快速的建設，所以對UPS供電系統提出了適應性的要求。這種變化包括經濟形勢的變化，今天上網，可能明天要壓縮，或者明天找更大的規模，IT設備技術的革新和功率密度的變化，維護人員操作水平的變化，組織管理模式的變化，還有設備運行場地的變化，這些都是可變的因素，這個系統能不能適應它，提出了適應標準。比如服務器，現在已經開始使用刀片式服務器，做一個極限的估計，一個刀片式服務器在42路的機架里，可以最多裝150個，這是極限。如果每個是200瓦，一個機架可能就是三千瓦，這是天文數字，不可能。如果到那個時候，這個系統能不能工作不取決于IT設備質量的高低，系統有多先進，或者供電系統有多好，決定能否工作的主要是環境溫度，一個是機架，一個是空氣溫度的調節。

　　設計理念變化五，前面講的四個理念變化，從可靠性研究到可行性研究，從單排設計到系統研究，從供電系統研究到基礎物理設施的研究，再有就是提出信息的要求。這四個理念的變化，如何解決呢？如何同時適應這四個理念的變化呢？這就是第五個理念變化基層化，對整個系統做基層化的設計，同時解決前面的四個理念。這個理念從產生到大家取得共識，非�？�，很多廠商都往這兒發展，有的是到了一體化，其實觀念是一樣的�；鶎踊�的設計觀念包括四個方面，一個是系統的設備和供應的渠道首先要統一化，不能是多廠商供應。多廠商供應帶來很多問題。第二，設備結構的一體化和連接的規范化，結構都是一樣的，連接起來非常容易，可以無縫連接。第三，各設備和環節狀態管理的機動化，全都統一管理。第四，各設備結構模塊化和連接的正�；�功能，包括電力供應、空氣調節、IT設備機架支撐和系統管理四個子系統，也就是說對于原來的系統，只要輸入端給它交流電，另外一端插IT設備，服務器一個個往里插，中間全部統一的界定起來，這就是APC公司根據新的設計理念，推出的一款新的產品Infra，有一個實物，這個系統的特點是模塊化設計，冗余設計，是高度集成的。

　　基礎物理設施的商業價值，任何應用型的科學和技術必須形成產品，這個產品怎么衡量？最終的衡量是商業價值，而不是哪一種性能，最終衡量它的是商業價值，商業價值等于什么呢？可用性乘上適應性，除上總的擁有成本，這是商業價值�；鶎踊�的設計可以做到模塊化和標準化，標準化是任何應用性產品的最高水平，一流的廠商賣標準就是這個意思�；鶎踊�的設計為標準化提供了條件，標準化首先是模塊化的東西，模塊化的東西提高了設備的價值，可以擴展，可更改，可移植，可拔插，同時也提高了人類的學習能力，標準化、模塊化的東西，簡化多了，對使用、維護簡化多了，可以避免出措錯，可以預見問題，可以共享知識，可以提高效率。

　　模塊化和標準化對提高的適應性貢獻在哪兒？擴展很容易，重新布置也很容易，所以適應性很強。標準化、模塊化對系統可用性的貢獻在哪兒呢？第一是提高可靠性，其中對系統設計首先是可靠性提高了，第二是提高了空間。第三，減少了錯誤，所以可用性提高了。

　　模塊化、標準化對降低總擁有成本的貢獻表現在：第一，減少了資本成本，也就是投資的購置和建設成本可以降低。第二，減少了能源成本，可以讓設備充分發揮使用效率，降低能源損耗。第三，減少了非能源運營成本，包括人員成本、培訓成本、維護成本等其它成本。以人員來說，可能不需要這么龐大的維護人員隊伍，也不需要專業訓練素質很高的維護人員，總的來說造成總擁有成本的降低。

　　基層化的設計，給產品的標準化、模塊化設計創造了條件。而模塊化、標準化設計又提高了可用性，提高了適應性，降低了總擁有成本，提高了這種產品的商品價值。