执行概要
数据中心功率密度和设备多样性的增强正促使动力及制冷系统发生改变。关键业务服务器及通信设备的性能及可靠性亦取决于动力及制冷系统。
由于各公司均配备新应用程序以提高业务对数据中心系统的依存度，不断上升的设备密度使得系统的重要性不断增加。同时，随着服务器外形不断缩小，整套设施及独立机架可为越来越多的设备提供支持。
上述变化提出了对动态数据中心基础设施的更高需求。当关键基础设施系统能更好的适应新技术及新业务变化带来的密度、容量及可用性方面的改变时，即可大大提高运行的灵活性，从而可实现更高的系统可用性并降低总成本。
在关键电源领域，动态基础设施必须包括UPS 系统、配电系统及在架式电源管理。
UPS 系统中的冗余技术可支持更高的可用性及灵活性，但UPS 模块数量不能太多。平均无故障工作时间（MTBF ）的分析显示，当UPS 模块数量超过4 时，该单总线模块系统会存在许多应用上不能接受的可靠性风险。
由于服务器等核心设备数量的增加，促使了配电系统的改变。配电系统由单级式发展为双级式以增加可扩容性、降低布线要求并更高效地使用数据中心空间。
独立机架目前可支持高达20kW 的应用，从而产生了对在架式电源管理的需求。在架式配电可增强机架电源的控制及可视性，同时简化电缆管理并增大机架的通孔率以提高空气流量。
由一体化UPS 、配电及在架式电源管理设备所创建的电源系统，可实现当今数据中心及网络机柜所需的可用性及可扩容性。
数据中心功率密度和设备多样性的增强正促使动力及制冷系统发生改变。关键业务服务器及通信设备的性能及可靠性亦取决于动力及制冷系统。
由于各公司均配备新应用程序以提高业务对数据中心系统的依存度，不断上升的设备密度使得系统的重要性不断增加。同时，随着服务器外形不断缩小，整套设施及独立机架可为越来越多的设备提供支持。
上述变化提出了对动态数据中心基础设施的更高需求。当关键基础设施系统能更好的适应新技术及新业务变化带来的密度、容量及可用性方面的改变时，即可大大提高运行的灵活性，从而可实现更高的系统可用性并降低总成本。
在关键电源领域，动态基础设施必须包括UPS 系统、配电系统及在架式电源管理。
UPS 系统中的冗余技术可支持更高的可用性及灵活性，但UPS 模块数量不能太多。平均无故障工作时间（MTBF ）的分析显示，当UPS 模块数量超过4 时，该单总线模块系统会存在许多应用上不能接受的可靠性风险。
由于服务器等核心设备数量的增加，促使了配电系统的改变。配电系统由单级式发展为双级式以增加可扩容性、降低布线要求并更高效地使用数据中心空间。
独立机架目前可支持高达20kW 的应用，从而产生了对在架式电源管理的需求。在架式配电可增强机架电源的控制及可视性，同时简化电缆管理并增大机架的通孔率以提高空气流量。
由一体化UPS 、配电及在架式电源管理设备所创建的电源系统，可实现当今数据中心及网络机柜所需的可用性及可扩容性。
简介
服务器在数量、配置及密度方面的变化正在重塑数据中心环境。更高的散热可形成热区，从而影响服务器的可靠性，同时也使数据中心的制冷模式发生了巨大的变化。该热量由增加的功耗所致，将对UPS 系统及配电系统产生巨大影响。该类系统的设计如果缺乏灵活性，就可能严重缩短数据中心的使用寿命并威胁到设备的可用性。
回顾过去十年里IT 设备机架对电源要求的变化历程。1996 年，单个机架可最多容纳14 台单线缆连接、以220 伏电压运行的服务器。该机架功耗约为4kW 。2001年，完全填充满的机架可容纳42 台服务器，这些服务器大多都可采用双电源输入。
在五年内，单个机架内电源插座数量从14 增加到84 ，总能耗从4kW 增至约20kW 。刀片服务器的推出带来了更多的变化。目前，一个标准的机架可容纳6 个双线连接、以单相220 伏电压运行的刀片，功耗为24 kW 。
该项革新给管理数据中心的IT 经理提出了诸多新的挑战：不断上升的功耗、对电路需求的增加、对设备多样化的更高要求等等。这些挑战推动了对能源基础设施的需求，相关能源基础设施应能根据设备数量的变化、设备分布密度及设备安装地点进行调整。
该基础设施必须包含从市电输入到核心负载的关键电源管理，包括：
•取决于UPS 类型和系统配置的电源可用性
•从UPS 至机架的配电
服务器在数量、配置及密度方面的变化正在重塑数据中心环境。更高的散热可形成热区，从而影响服务器的可靠性，同时也使数据中心的制冷模式发生了巨大的变化。该热量由增加的功耗所致，将对UPS 系统及配电系统产生巨大影响。该类系统的设计如果缺乏灵活性，就可能严重缩短数据中心的使用寿命并威胁到设备的可用性。
回顾过去十年里IT 设备机架对电源要求的变化历程。1996 年，单个机架可最多容纳14 台单线缆连接、以220 伏电压运行的服务器。该机架功耗约为4kW 。2001年，完全填充满的机架可容纳42 台服务器，这些服务器大多都可采用双电源输入。
在五年内，单个机架内电源插座数量从14 增加到84 ，总能耗从4kW 增至约20kW 。刀片服务器的推出带来了更多的变化。目前，一个标准的机架可容纳6 个双线连接、以单相220 伏电压运行的刀片，功耗为24 kW 。
该项革新给管理数据中心的IT 经理提出了诸多新的挑战：不断上升的功耗、对电路需求的增加、对设备多样化的更高要求等等。这些挑战推动了对能源基础设施的需求，相关能源基础设施应能根据设备数量的变化、设备分布密度及设备安装地点进行调整。
该基础设施必须包含从市电输入到核心负载的关键电源管理，包括：
•取决于UPS 类型和系统配置的电源可用性
•从UPS 至机架的配电
• 在架式电源管理
电源可用性
UPS 系统的内部结构设计决定了UPS 与输入市电电源间的关系，并最终决定其在防护特定电源干扰中的有效性。目前，正在使用的UPS 产品大致可分为三类：后备式、互动式、在线双变换式。惟有在线双变换反向传输拓扑可用于防护全范围电源干扰并推荐用于当前关键业务或潜在关键业务中，实际上包括了所有数据中心。选择在线双变换UPS 可确保可用性要求不会超越UPS 拓扑。
使用冗余UPS 系统有助于确保获得适当的可使用级别。根据配置类型的不同，冗余系统仍能确保可扩容性。表1 为当前正在使用的最通用的系统配置概要。
单机系统仅可用于支持99.99% 的可用性等级，或每年少于1 小时的意外停机时间，但关键业务系统在UPS 维护期间将处于非保护状态。
UPS 冗余可增强设备的可用性，支持UPS 系统在不影响连接设备的电源质量的情况下进行使用。含冗余UPS 的单总线系统可支持99.999% 或更高的可用性，而双母线系统用于通过消除UPS 与核心用电负载设备之间的单点故障来实现持续可用性。
冗余的最简单方式为1+1 系统，其中每个UPS 模块都可为所有连接的设备提供支持。该配置以最少数量的UPS 模块提供冗余。
单机系统仅可用于支持99.99%的可用性等级或每年至或每年少于1 小时的意外停机时间，但关健系统在UPS维护期间将处于非保护状态
UPS 系统的内部结构设计决定了UPS 与输入市电电源间的关系，并最终决定其在防护特定电源干扰中的有效性。目前，正在使用的UPS 产品大致可分为三类：后备式、互动式、在线双变换式。惟有在线双变换反向传输拓扑可用于防护全范围电源干扰并推荐用于当前关键业务或潜在关键业务中，实际上包括了所有数据中心。选择在线双变换UPS 可确保可用性要求不会超越UPS 拓扑。
使用冗余UPS 系统有助于确保获得适当的可使用级别。根据配置类型的不同，冗余系统仍能确保可扩容性。表1 为当前正在使用的最通用的系统配置概要。
单机系统仅可用于支持99.99% 的可用性等级，或每年少于1 小时的意外停机时间，但关键业务系统在UPS 维护期间将处于非保护状态。
UPS 冗余可增强设备的可用性，支持UPS 系统在不影响连接设备的电源质量的情况下进行使用。含冗余UPS 的单总线系统可支持99.999% 或更高的可用性，而双母线系统用于通过消除UPS 与核心用电负载设备之间的单点故障来实现持续可用性。
冗余的最简单方式为1+1 系统，其中每个UPS 模块都可为所有连接的设备提供支持。该配置以最少数量的UPS 模块提供冗余。
单机系统仅可用于支持99.99%的可用性等级或每年至或每年少于1 小时的意外停机时间，但关健系统在UPS维护期间将处于非保护状态
表1 最通用UPS 系统配置概要
确保较低的零件数量及系统复杂性。基于软件的新扩容方法支持1+1 系统根据当前要求定制型号，同时可使容量增至100%，而无需添加UPS模块。
若系统复杂性可以控制，N+1配置将试图并可有效地平衡可扩容性及可用性。这要求选择适当的UPS模块型号，可尝试根据初始要求UPS模块，但若UPS模块数目过多，则可能在以后引起可靠性问题。
艾默生网络能源通过对能源系统的可靠性进行分析，确定单母线、多模块UPS系统可靠性最高可接受3+1的配置（图1）。超过该点后，可靠性开始迅速降低，原因是模块数量的增加引起系统零件数量的增加，从而增大了故障的可能性及与维护相关的故障风险。服务器阵列可在发生多个故障且性能减退时照常运行，但若UPS模块故障导致系统低于承载能力点，则N+1UPS系统将关闭。
若系统复杂性可以控制，N+1配置将试图并可有效地平衡可扩容性及可用性。这要求选择适当的UPS模块型号，可尝试根据初始要求UPS模块，但若UPS模块数目过多，则可能在以后引起可靠性问题。
艾默生网络能源通过对能源系统的可靠性进行分析，确定单母线、多模块UPS系统可靠性最高可接受3+1的配置（图1）。超过该点后，可靠性开始迅速降低，原因是模块数量的增加引起系统零件数量的增加，从而增大了故障的可能性及与维护相关的故障风险。服务器阵列可在发生多个故障且性能减退时照常运行，但若UPS模块故障导致系统低于承载能力点，则N+1UPS系统将关闭。
图1 N+1 系统配置的系统可靠性为10 、15 及20 年MTBF ，超过3+1 配置后，可靠性将迅速降低。
若对可靠性的要求较高，UPS 单机容量规格应不低于计划的总设施负载的三分之一。 若确定会有增长，则容量规格应为初始负载的一半。这样既提供了增长的空间，又可确保在设施的整个使用寿命期间有足够的可用性。作为能源系统中最昂贵的零部件之一，电池的容量可等于初始负载，并根据需要增加额外容量。
在选择UPS 规格时，应同时考虑可靠性和系统成本。单机容量增加，则UPS 系统的每千瓦成本将降低。例如，采用10 个均为10kW 的模块替代一个100kW 模块，成本反而更高。图2 基于对艾默生网络能源有限公司UPS 产品的实际成本分析，显示当设备规格增加时，每千瓦成本的下降走势。
在选择UPS 规格时，应同时考虑可靠性和系统成本。单机容量增加，则UPS 系统的每千瓦成本将降低。例如，采用10 个均为10kW 的模块替代一个100kW 模块，成本反而更高。图2 基于对艾默生网络能源有限公司UPS 产品的实际成本分析，显示当设备规格增加时，每千瓦成本的下降走势。
图2当UPS模块规范增大时，每千瓦成本将降低，因此采用小构建模块的UPS系统的总成本比采用最佳规范构建模块的UPS系统的成本高。
间隔配电
传统的配电设计由UPS 向所需的配电单元（PDU）供电，然后直接向机架上的设备进行配电。该设计足以应付服务器及机架相对较少的情况，但目前的设备对可扩容性及灵活性的要求更高。达到系统容量前通常需要花费大量的成本用于断路器空间扩展。
二级配电是一种新兴的替换方式，即在UPS 和服务器间形成间隔配电以提高灵活性和可扩容性（图3）。
二级系统的第一级提供中级配电。与传统的配电单元类似，中级配电单元从UPS 获得480V 或600V 电源。中级配电单元包括传统配电单元的大多数零部件，但具有优化的混合电路及支路。
采用二级配电可区分供应至独立系统的可交付能力及实际配电能力，从而消除传统配电单元的断路器空间限制。
传统的配电设计由UPS 向所需的配电单元（PDU）供电，然后直接向机架上的设备进行配电。该设计足以应付服务器及机架相对较少的情况，但目前的设备对可扩容性及灵活性的要求更高。达到系统容量前通常需要花费大量的成本用于断路器空间扩展。
二级配电是一种新兴的替换方式，即在UPS 和服务器间形成间隔配电以提高灵活性和可扩容性（图3）。
二级系统的第一级提供中级配电。与传统的配电单元类似，中级配电单元从UPS 获得480V 或600V 电源。中级配电单元包括传统配电单元的大多数零部件，但具有优化的混合电路及支路。
采用二级配电可区分供应至独立系统的可交付能力及实际配电能力，从而消除传统配电单元的断路器空间限制。
图3 间隔配电为设备机架提供更多的极位，使配电系统更好地满足不断变化的应用要求。
配电断路器。不用直接的负载级配电，该设备通过I-Line 配电盘的配电区为地面安装配电柜供电。I-Line 配电盘具有极高的灵活性，可根据需要增加多达 10 个具有不同额定值的插件输出断路器。
负载级配电单元直接为安装于机架的设备供电。该单元为安装于标准机架的高密度部件，可安装于各排机架的末端或中间。当安装至一排机架时，负载级配电单元与设备机架组合，可提高设备的整体外观。另外，可根据应用需要进行定制，包括单源、双源（适用于双母线应用），或由 4 类不同的输入或源供电。
采用二级配电可区分可供应能力及实际配电能力至独立系统，消除传统配电单元的断路器空间限制。可配置负载级配电单元以满足其直接支持的具体技术要求，同时让中级配电单元维持原状。对于老式设备，负载级单元可配置标准 225A、42 极配电盘。对于当前或下一代设备，可对负载级单元进行相关配置，以支持更高的电源密度，如 400A 或 380V 配电盘，同时可保护对中级配电单元的投资。
以前的UPS 规格确定理念扩展至中级配电单元。若中级配电单元具有适当的规格，可根据需要向中级配电单元及额外负载级单元添加断路器，从而获得一系列增长周期。
该方法的另一个优势在于其对空调系统气体流量的影响。在二级配电中，极大降低了对地下布线的需要。跨过道走线仅用于从中级配电单元至负载级单元的连接。自负载级单元（沿IT 设备机架分布）的配电垂直于机架下部或穿过机架，使冷通道中并无电源线，并缩短机架级设备的电缆长度。此外，该方法还可确保从UPS 至中级配电间的电源路径数量更少、功能更强大，从负载级单元至能耗点的路径更短，从而提高配电系统的效率。
机架级电源管理
机架密度的变化为机架级电源管理提出了新的挑战。随着服务器整体数量及每个机架上服务器数量的增加，机架成为电缆管理中最棘手的问题。这个问题并不仅仅存在于移出设备时，大捆电缆还可能严重影响机架里的空气流通，增加发生过热的可能性。
此外，更高的密度增加了新设备电路过载的可能性。当使用所有供应至机架的可用电源时，新高密度型服务器可不占用机架空间及使用外引线。当相关人员在单机架上配备新服务器时，若未意识到具体机架内的电源容量限制，可能引发问题。结果，服务器可能安装至容量不足的机架，从而导致电源电路过载和支路断路器跳闸，造成整个机架故障。
智能电源插座是成本低廉、易于实施的在架式电源管理解决方案（图4）。该类插座可垂直或水平安装，以简化设备更换过程，降低电缆干扰，并增加可视性和对机架能耗的控制。该类电源插座可监控单个电源插座的电气属性，包括经由 SNMP 和本地LED 显示电压、电流、功率、相载或电源电路实现实时远程管理。
更高级的插座亦可提供电源开关的插座级控制，以监控插座并进行本地或远程打开/关闭，从而防止因增加新设备而导致过载。
负载级配电单元直接为安装于机架的设备供电。该单元为安装于标准机架的高密度部件，可安装于各排机架的末端或中间。当安装至一排机架时，负载级配电单元与设备机架组合，可提高设备的整体外观。另外，可根据应用需要进行定制，包括单源、双源（适用于双母线应用），或由 4 类不同的输入或源供电。
采用二级配电可区分可供应能力及实际配电能力至独立系统，消除传统配电单元的断路器空间限制。可配置负载级配电单元以满足其直接支持的具体技术要求，同时让中级配电单元维持原状。对于老式设备，负载级单元可配置标准 225A、42 极配电盘。对于当前或下一代设备，可对负载级单元进行相关配置，以支持更高的电源密度，如 400A 或 380V 配电盘，同时可保护对中级配电单元的投资。
以前的UPS 规格确定理念扩展至中级配电单元。若中级配电单元具有适当的规格，可根据需要向中级配电单元及额外负载级单元添加断路器，从而获得一系列增长周期。
该方法的另一个优势在于其对空调系统气体流量的影响。在二级配电中，极大降低了对地下布线的需要。跨过道走线仅用于从中级配电单元至负载级单元的连接。自负载级单元（沿IT 设备机架分布）的配电垂直于机架下部或穿过机架，使冷通道中并无电源线，并缩短机架级设备的电缆长度。此外，该方法还可确保从UPS 至中级配电间的电源路径数量更少、功能更强大，从负载级单元至能耗点的路径更短，从而提高配电系统的效率。
机架级电源管理
机架密度的变化为机架级电源管理提出了新的挑战。随着服务器整体数量及每个机架上服务器数量的增加，机架成为电缆管理中最棘手的问题。这个问题并不仅仅存在于移出设备时，大捆电缆还可能严重影响机架里的空气流通，增加发生过热的可能性。
此外，更高的密度增加了新设备电路过载的可能性。当使用所有供应至机架的可用电源时，新高密度型服务器可不占用机架空间及使用外引线。当相关人员在单机架上配备新服务器时，若未意识到具体机架内的电源容量限制，可能引发问题。结果，服务器可能安装至容量不足的机架，从而导致电源电路过载和支路断路器跳闸，造成整个机架故障。
智能电源插座是成本低廉、易于实施的在架式电源管理解决方案（图4）。该类插座可垂直或水平安装，以简化设备更换过程，降低电缆干扰，并增加可视性和对机架能耗的控制。该类电源插座可监控单个电源插座的电气属性，包括经由 SNMP 和本地LED 显示电压、电流、功率、相载或电源电路实现实时远程管理。
更高级的插座亦可提供电源开关的插座级控制，以监控插座并进行本地或远程打开/关闭，从而防止因增加新设备而导致过载。
图4垂直安装智能电源插座的机架
在关键电源基础设施的多点应用监控技术，可为支持数据中心的整个数据中心电源基础设施提供全面的认识。
在某些应用中，若在分支电路级采用电源监控可能更有效。虽然监控力度不如插座级监控,但可支持更多变量监控。在某些高密度环境中，一条电路可能仅支持一个高密度机架，因此，支路监控与机架级监控同等重要。
配电监控也可用于中级配电。大多数配电单元提供主输入断路器的电源监控，因而与支路监控相比，可提供更多的数据。此外，亦可对次级输入断路器（控制负载级配电单元）进行监控。这可提高可视性和管理力度，用于识别容量限制和潜在过载情况。
随着对电源要求的不断提高，更紧迫地要求更好的能耗下游可视性。在关键电源基础设施的多点应用监控技术，可为支持数据中心的整个数据中心电源基础设施提供全面的认识。对于任何要求支持快速交变荷载的电源基础设施而言，支路或机架级的电源监控应视为其重要组成部分。
在某些应用中，若在分支电路级采用电源监控可能更有效。虽然监控力度不如插座级监控,但可支持更多变量监控。在某些高密度环境中，一条电路可能仅支持一个高密度机架，因此，支路监控与机架级监控同等重要。
配电监控也可用于中级配电。大多数配电单元提供主输入断路器的电源监控，因而与支路监控相比，可提供更多的数据。此外，亦可对次级输入断路器（控制负载级配电单元）进行监控。这可提高可视性和管理力度，用于识别容量限制和潜在过载情况。
随着对电源要求的不断提高，更紧迫地要求更好的能耗下游可视性。在关键电源基础设施的多点应用监控技术，可为支持数据中心的整个数据中心电源基础设施提供全面的认识。对于任何要求支持快速交变荷载的电源基础设施而言，支路或机架级的电源监控应视为其重要组成部分。
结论
目前，数据中心正大力投入技术研发，以适应未来的技术变革。不断提高的容量要求及对可用性的需求促使数据中心运营更多地关注基础设施设计，以实现更大的灵活性、更高的可用性和更低的总拥有成本。UPS 系统配置可与功能更强大、更灵活的配电配置形成最佳组合，从而可使用户通过采用最新监控技术更好地管理其关键基础设施。该类方案可使当前和新型的设备支持更高的密度和容量，同时确保以更快捷的服务、更低廉的成本应对未来的信息技术变革。
目前，数据中心正大力投入技术研发，以适应未来的技术变革。不断提高的容量要求及对可用性的需求促使数据中心运营更多地关注基础设施设计，以实现更大的灵活性、更高的可用性和更低的总拥有成本。UPS 系统配置可与功能更强大、更灵活的配电配置形成最佳组合，从而可使用户通过采用最新监控技术更好地管理其关键基础设施。该类方案可使当前和新型的设备支持更高的密度和容量，同时确保以更快捷的服务、更低廉的成本应对未来的信息技术变革。