N+1冗余UPS配置

随着通过软件实现 IT 容错的持续改进，越来越多的数据中心倾向于采用冗余的架构，而非架构。一般而言，实现冗余配置的常见方式有两种：将多个单一并机或部署一个包含多个内部模块的主机，以实现冗余。在本文中，我们对内部“模块化”冗余和并机冗余之间的主要权衡项进行了量化，得出部署内部“模块化”冗余时，其投资成本节省了 27%，同时可缩短 1 至 2周的部署时间。此外，我们还讨论了容错在内的重要性，以确保满足可用性、可靠性和可维护性的需求。

 

数据中心会根据其所支持负载的关键性，采用不同的冗余等级。双路架构（例如，两个独立的电源路径）能够确保最高等级的可用性，在任一系统进行维护或发生故障时亦无需停用负载。

 

而在当今的数据中心中，咱们会发现在 IT 层面通过软件实现容错的情况越来越多。随着虚拟化和超融合等技能的呈现，服务器宕机不再意味着 IT 任务随之中断。如果一台物理服务器因为上游故障而呈现宕机，或按计划进行停机维护，那么数据中心能够将业务功能迁移到另一台服务器、另一个 IT 区域、另一间 IT 机房或另一个彻底独立的数据中心。

 

虽然可用性仍是数据中心的一个要害方针，但咱们发现，借助对要害物理基础设施（如UPS）布置冗余，也能够保证其可用性方针。在本文中，咱们将阐明实现体系冗余的不同办法，并量化其出资本钱、布置时间、功率和可靠性的权衡项，同时，咱们还将讨论内部容错的重要性，以保证满足可靠性、可用性和可维护性的需求。

  

在有关数据中心的多种讨论场合，“N+1”一词可能用来指代多种配置。以下的关键术语定义旨在阐明三个特定“N+1”配置之间的区别。

 

 •冗余：一种在组件发生故障时保证系统可用性的灵活方法。组件（N）至少有一个独立的后备组件（+1）1。简单来说，N 代表需要的总数，+1 代表我有一个备用的组件。

 

• 串联冗余：一种特定的配置。在这种配置下，通常由一个“主”模块给负载供电。这种配置要求主模块为静态旁路配置单独的输入电源。“串联”或“次要”向主模块的静态旁路供电，且完全保持空载 2。

 

• 并联冗余：一种特定的配置。它由多个同一规格的模块并联在一根公用输出母线上组成。并联冗余系统要求模块的容量和型号相同 2。

 

• 内部“模块化”冗余：一种特定的配置。由于没有相同的命名结构，该词是本文中定义的新术语；在这一配置下，“+1”发生在架构内，通常出现在功率模块层。在这一配置下，共用同一个背板、控制系统和电池设备。

 

在本文中，我们重点比较并联冗余和内部“模块化”冗余——这两种配置中的“+1”组件都是工作的（而非待机状态）。图1从概念上说明每种情况下“+1”组件的位置。 

 

 

为突出各权衡项的区别，我们选择一台不带冗余的与冗余进行比较，因此分析中使用三种具体的配置。在这三种情况下，我们选择 1MW 作为额定容量 3。

 

1. 作为比较基准的 1N 配置：一台不带冗余的1000kW UPS（由四个250kW的“内部”模块组成）；是一种基本的配置情况。

2. 内部“模块化”N+1 冗余配置：一台模块化的1000kW UPS，由5个250kW的“内部”模块组成（4 个构成全部容量，1 个作为冗余）。

3. 并联冗余配置：3 台500kW的APC UPS“主机”配置为并联冗余（2 台构成全部容量，1 台作为冗余）。

 

作为比较基准的 1N 装备

 在 1N规划中，任何组件毛病都需要将负载转移至旁路或外围旁路。最简单的例子便是由一个单一额定的为负载供电。有些规划为模块化、可扩展形式，而有些则为固定容量。咱们所剖析的 1N选用模块化规划，在其单独的主机内由四个250kW的模块组成，到达 1000kW 的额定容量。通过一起并联多个单元也可构成 1N 架构，从而到达所需容量。图2显示的是咱们所剖析的 1N UPS。 

图2- 作为比较基准的“N”配置

 

内部“模块化”N+1 冗余装备

 

正如咱们在基准装备中所描述的相同，模块化通过添加一个额定的功率模块，也能提供冗余。请参见图 3。这种内部模块化冗余装备其实便是在基准装备以外添加第五个250kW模块即可。电池体系由四个并联电池组组成，每个电池组带有各自的断路器，因而一个电池组毛病不会导致整个电池体系瘫痪。如图所示，输出母线和电池（直流）母线为所有模块共用，因而其代表了体系的单点毛病，需要转化到外围旁路。

图3-内部“模块化”冗余配置

并联冗余配置

 

图 4 所示的是我们所分析的并联冗余配置。在这一配置中，三台独立的一同并联，共用一条输出母线。每个的容量是500kW，所以第三台即为“+1”冗余。如图所示，每台均带有一个并联冗余配置，且有其各自的电池系统（每台由 3 个并联电池组组成），可提供额外的冗余等级，而这一冗余等级在模块化中并未提供。输出母线仍代表单点故障，除了这一配置，在另外两种配置中，输出母线位于外部，需要在现场进行安装。

图4-并联冗余配置

请注意，有时候并联冗余会部署公用电池组。这么做的优势是节约了成本（电池支出费用更少），但这种配置从容错性/可靠性上来看，更类似于内部“模块化”配置。此分析方法遵循的假设是每台均使用独立的电池系统。

电池设计说明：电池配置无论选择哪种配置，都可以改进所部署电池系统的容错方式。目前比较常见的做法是将多个电池组并联，以提供额外的冗余便 于维护操作。使用这种方法时，倘若某个电池组出现故障，则其余电池组会在停电时为负载继续供电。请注意，虽然故障的电池组会缩短电池系统持续运行的时间，但仍有充裕的时间可以避免宕机的发生。