白皮书214v0-对待旧UPS指南

对待旧UPS指南 摘要 “何时应该更换旧 UPS？”这几乎是每个数据 中心所有者都必须面对的问题。答案并非总是 显而易见的，而是取决于多方面的因素。本白 皮书将为数据中心所有者和管理人员提供简单 的框架，方便其在结合自身数据中心的情况和 业务需求的背景下来作出回答。我们将从如下 三种方案的解释和比较着手：持续运行直至发 生故障、更换易损件和更换新机。 版本 0 第 214 号白皮书 作者：John Gray Patrick Donovan 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 2 对待旧 UPS 指南 本白皮书将对旧三相不间断电源（UPS）的处理方法提供指导。答案并非总是显而易见 的，而是取决于多方面因素。主要因素包括： 目前的 UPS 运行条件/容量 未来的业务需求/条件限制 一台 UPS 的使用年限达到 10 年左右时，数据中心所有者就可以考虑以下三种可行的 方案了： 1. 更换新机更换新机UPS 是否应当换新？ 2. 更更新部件和模块新部件和模块能否以某种方式再延长几年的使用寿命和性能表现？ 3. 不采取任何措施不采取任何措施除了最基本的维护之外，不采取任何措施，任由其“持续运 行直至发生故障”是否为更好的做法? 令人惊讶的是，上述这些方案中的每一种都涉及到一系列使之成为理性选择的情况。每令人惊讶的是，上述这些方案中的每一种都涉及到一系列使之成为理性选择的情况。每 种方案各有其优缺点。种方案各有其优缺点。本白皮书将基于上述主要因素对这些方案进行评估，并提供简单 的分步式决策框架。同时，提供相关建议，以帮助数据中心管理人员全面考虑自身的需 求和条件限制来做出决策。 在比较和对比上述三种方案之前，首先需要确定的是，现有的旧 UPS 是否（或将很快） 无法满足其性能要求，也无法进行维护或升级也无法进行维护或升级。表表 1 为通常表明 UPS 处于或接近应用 的有效使用寿命终点的现象列表。如果如果数据中心设施未进行整合或外包；在这种情况下，数据中心设施未进行整合或外包；在这种情况下， 建议使用新的建议使用新的 UPS 进行替换。进行替换。 情况条件 描述 原设备制造商服务支持 终止 这种情况通常发生在该型号停产 10 年之后。缺乏支持使得日 常维护和故障恢复变得相当困难，甚至是不可能的。 无可用备件 一旦无法从生产厂家和第三方供应商获得备件，UPS 基本上无 法进行维护/维修。 维护激增 随着设备老化，维护需要也在增加。维护成本和风险可能超过 安装新 UPS 的成本和优势（容量、效率和可靠性） 。 无法满足关键性能要求 如果 UPS 无法满足企业当前或未来的关键任务性能要求（例 如，在所需的冗余和运行时间层面支持整个 IT 负载） ，那就意 味着“生命周期终止” ，至少对于该应用而言是这种情况。 如果 UPS 还能满足负载和运行时间要求，那么可选择将旧的 UPS 继续使用，持续运行， 直至发生故障。但是，此举将带来高风险。 企业需要认真规划、设施/IT 团队的紧密合作以及训练有素的运营团队，以尽量降低 UPS 即将来临且不可避免的运行故障的影响。 如果 UPS 未达到实际应用的使用寿命期，那么，下一步则可通过三个要素对其进行评 估，所有这些要素均有助于决定是否继续维持 UPS 使用、对其更新部件或更换新 UPS。 表表 1 旧UPS亟待更换为新 UPS的可能条件 评估当前情况并 确定未来需求 简介 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 3 对待旧 UPS 指南 外包策略 能效 未来负载要求 外包策略 当 UPS 变旧时，数据中心所有者可能也正在考虑如何处理其设施的其他即将到期系统。 首先一步是考虑是否升级现有设备、新建或外包给云/托管服务供应商（或两者兼有）。 当现有数据中心拥有可用供电、制冷和空间时，决策通常显而易见，而当数据中心满负 载或接近满负载时，就必须对 IT 设备的放置地点作出决策。第 171 号白皮书自建还 是外包数据中心物理基础设施的考虑因素介绍了满足新 IT 扩容要求的方法，并探讨 了作出明智决策而必须考虑的因素。虽然 10 年期成本分析通常会得出升级或新建数据 中心优于外包的结果，但对现金流的敏感度、收支平衡点、部署时间表、数据中心预期 寿命以及其它战略因素等，也会对最终决定产生重要作用。可借助 TradeOff Tool 在线 权衡工具 13数据中心新建与托管总拥有成本计算器输入自有设施的属性和成本， 以确定自建和将 IT 设备外包给零售托管供应商的 10 年期总拥有成本估计值。 关于 IT 设备放置在何处或是否需要托管的这些战略性选择，可能会对现有 UPS 系统产 生巨大的影响。将所有工作负载均迁移至零售托管供应商处，并由供应商负责维护和管 理 UPS 系统，这一决定无疑将让抉择趋于明朗。唯一考虑的问题就是何时迁移。迁移 过程所花费的时间越长，老化 UPS 的风险将越大。只将部分应用迁移到云端可能意味 着更换新 UPS 的容量会更小，进而使得更换新 UPS 成为更具经济性的选择。将应用负 载在另一个站点或云中进行镜像灾备还可降低所需的冗余等级，从而进一步减少在现有 设施中以新系统替换旧系统所需要的投资。所以评估如何对待旧 UPS 时应当了解外包 策略。还应该注意的是，UPS 决策人员可能与确定整个外包计划的人员并非同一个人。 因此，数据中心管理层与员工之间以及设施与 IT 团队之间的沟通和协调至关重要。 能效 UPS 系统的效率在很大程度上决定了数据中心的运营成本。因此，了解 UPS 系统当前 的效率以及如何通过升级、更改负载要求或通过更换新的 UPS 来改进这一点非常重要。 这些节能举措应在决策过程中予以充分考虑。 UPS 系统的效率在很大程度上取决于表表 2 所示的三大要素。 效率驱动因素 描述 内部设计效率 UPS 本身的内部损耗。现代 UPS 系统的运行范围介于 94%- 99%之间，而旧 UPS 在相同的负载范围内则为 85%-92%。 利用率 相对于 UPS 电源容量的 UPS 负载量。UPS 的效率基于负载量 而异。一般来说，较高负载下的效率高于较低负载时。现代 UPS 通常在 50%或更低的负载下保持高效率。 冗余架构 设施的冗余设计量对 UPS 的利用率有着直接的影响。2N 设计 意味着每台 UPS 的负载不超过 40-50%。如果 UPS 发生运行 故障或者退出，则另一台“备用”UPS 将能够承载剩余的负 载。这种低利用率会对设施的能源使用效率（PUE）造成不利 影响。特别是对于基于变压器的传统 UPS 而言，在半负载下 的效率明显低于 90%。例如带有变压器的旧 UPS 在半负载时 只能达到 85%的效率。 表表 2 提高UPS系统效率的三 大要素 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 4 对待旧 UPS 指南 下例显示了仅基于 UPS 内部功率损耗差异的节能潜力。一款现代高效 500kW UPS 7 24 全天候支持 400kW 的 IT 负载，效率等级为 96%。一款传统的 UPS 在完全相同 的场景中使用，但其效率等级则仅为 88%。表表 3 列出了这两款系统在 10 年内的成本差 异。参见假设条件注释 1。 UPS 系统 UPS 内部 损耗年成本 冷却 损耗年成本 10 年期 总损耗成本 效率为 96%的现代 UPS 14,016 美元 5,606 美元 196,220 美元 效率为 88%的传统 UPS 42,048 美元 16,819 美元 588,670 美元 现代 UPS 所节省的 运营成本 28,032 美元 11,213 美元 392,450 美元 为了解效率如何影响决策，我们将从现有 UPS 的效率曲线开始探讨，该曲线将显示随 着负载百分比而变化的效率百分比。将之与被视为替代方案的新 UPS 进行比较。许多 新上市的 UPS 均配置了更先进的控制系统，通过诸如“节能模式”运行（将逆变器旁 通掉）或无负载功率模块休眠之类的一种或多种方法来提高效率。第 157 号白皮书 节能模式：UPS节能运行模式的收益和风险详细介绍了节能模式的节能情况和局 限性。这些新颖的运行方案可减少功耗，进而降低运营成本。可从产品制造商那里了解 现有 UPS 的电源模块是否可以使用更新、更高效的模块进行升级。 参阅第 108 号白皮书使大型UPS系统更高效，了解有关效率曲线的详细解释、如 何比较，以及如何量化其成本影响。 请注意，基于政府和电力机构的能效提升激励措施（如有）可在财务上显著影响 UPS 更换商业案例（见见边边栏栏）。可能还包括企业“绿色”计划，这将进一步有利于更换新的 UPS。 利用我们的 TradeOff Tool 在线权衡工具三相UPS效率比较计算器可快速、轻松 地评估施耐德电气的 UPS 效率等级及其对能源成本和碳足迹的影响。 未来负载要求 IT 负载随着时间的推移会发生变化，也会影响到数据中心的保留、更新部件或换新决 策。如果现有的 UPS 系统处于或接近满载时，并且预计未来的负载会增长，则必须考 虑扩容方案，例如在并联系统配置中添加更多的电源模块或增加一个 UPS 机组，前提 是现有的 UPS 系统允许。显然，如果现有的 UPS 容量无法改变以满足未来的需求，那 么采购新的 UPS 产品就是唯一的选择。 UPS 本身的容量并非唯一的考虑因素。应对未来的负载增长也取决于为现有 UPS 提供 供配电的配电基础设施网络。输入和输出电缆、断路器、配电柜、开关柜、转换开关和 发电机组的容量都需要进行评估。此信息将决定满足 UPS 未来的扩容要求的相关综合 成本和面临的风险。 另一方面，如果现有 UPS 机组的负载轻，则可能不需要购买新设备或执行升级。但是， 请注意，如果预计负载将继续占额定容量的一小部分，则可以用较小的机组替代。UPS 的容量减小将提高效率，减少所需的电池数量，并可能降低服务成本。在财务分析时， 1 全天候运行的情况下，每年 8,760 小时，能源成本为每千瓦时 0.10 美元，排掉 1kW 热量所需的能耗为 0.4kW 表表 3 两台UPS10年间的电力损 耗成本比较 其他与效率相关的激励 措施 数据中心所有者应咨询当地电力机 构及国家、州/省和市政府，以了解 针对设施能效提升的计划和激励措 施。激励措施形式多种多样，包 括： 降低企业和财产税率 电力机构和政府退税 电力机构和政府为初始投入 项目提供的资助基金/贷款 政府公债 针对位于美国的设施, / 提供了 有关电力机构和政府激励措施以及 能效相关计划的免费综合信息来 源。 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 5 对待旧 UPS 指南 应当注意这些收益。关键是，需注意不要简单地假设新的 UPS 非得与当前安装的规模 相似。 确定未来的 UPS 负载是决定继续保留、升级或购买新机方案的重要步骤。对未来需求 进行合理估计将在某种程度上确定当前 UPS 系统是否能够满足负载要求。第 143 号白 皮书数据中心项目：成长模型介绍了一种为数据中心或网络机房制定容量规划的简 单有效的方法。 冗余要求也可能会使原始设计有所变化。较新的架构可实现更高的电能利用率。例如， 所谓的“分布式冗余”系统使用比例为“3:1”或“4:1”的多个小功率主用 UPS，仅 使用一个 UPS 作为备份 UPS，而传统的 2N 系统中采用“1:1”比例。在评估用新的 UPS 更换旧 UPS 系统的潜在成本时，可能需要考虑配置更少的 UPS 冗余。冗余因素 可能会影响初始投入和运营成本。参阅第 75 号白皮书比较UPS系统设计配置方 案，了解有关 UPS 冗余方案的更多信息。 考虑到 UPS 系统的当前状态和未来要求，应当把如何对待旧 UPS 系统的三种方案进行 比较。每种方案各有优缺点。三种方案分别是：不采取任何措施（“持续运行直至发生 故障”）、主动维护（更新部件和模块）、更换新机。本节末所示的表表 5 列出了每种方 案推荐的情况条件。 不采取任何措施（以最少的维护“持续运行直至发生故障”） “不采取任何措施”并不意味着在 UPS 维护方面也不做任何工作。更准确地说，这意 味着保持旧 UPS 处于使用状态，直到其“生命周期终止”，不花费任何大量的资本支 出来维持或升级 UPS 延长其使用寿命，例如不再通过更换电池或其他主要子系统和部 件（如电容器、电源模块、风扇等）。即使在“持续运行直至发生故障”模式下，仍应 定期监控 UPS 系统的健康状况和状态变化，以确定是否存在问题。假设 UPS 没有发生 意外性故障或掉电，是成本最低的选择，可确保日常运行发生中断的次数最少。然而， 这种方案发生突然故障和影响负载的风险较高。随着 UPS 的老化，根据预期，会遇到 更多的应急响应性维护。经验表明，一旦 UPS 投入使用超过 10 年，维修和维护服务 花费的“时间和材料”可能会增加一倍以上。但是，这种发生突然运行故障的风险可通 过以下几种方式予以缓解： 采用 UPS 冗余设计 o 如果一台 UPS 发生故障，负载供电是否保持不间断? o 是否可以进行并行维护? 运营和维护计划的成熟度 o 员工是否受过培训，可以快速对出现的问题做出响应? o 场地是否有维护操作流程，有应对常见问题的详细步骤。 o 现场备件是否能够处理常见问题? 服务合同条款和状态 o 是否仍然提供故障/修复服务，以及响应时间是否在服务响应要求范围 内？ o 技术支持服务是否符合要求和运维计划? 灾难恢复/故障容错方案 o 负载供电是否需要 724 全天侯不间断? o 工作负载是否在灾备中心或其他站点有镜像同步？ 方案比较 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 6 对待旧 UPS 指南 o 如果一台 UPS 出现故障，工作负载是否可以迁移到设施的其他站点或 其他未受影响的区域?能否以对所需的服务级别影响最小的方式实现? 更新部件和模块 UPS 制造商和第三方服务提供商通常可提供更新部件和模块或更新改造旧 UPS 的服务， 将使用寿命延长数年。这些服务通常带有质量保证（典型情况下为 1 年）和服务条款， 能够延长传统 UPS 寿命，进一步降低运行风险。UPS 中可以升级或更换的部件取决于 制造商和型号。一般来说，一般来说，UPS 设计的标准化和模块化程度越高，可用的升级方案就设计的标准化和模块化程度越高，可用的升级方案就 越多，实施这些改进将更容易或越多，实施这些改进将更容易或更少断电更少断电。表。表 3 列出了在 UPS 的生命周期内可以多次 更换或升级的部件和子系统类型。 可更换的部件和子系统 通常使用寿命 电池组 3-5 年 直流电容器 5 年 风扇组件 5-7 年 交流电容器 7 年 电源模块（PSU） 10 年 智能模块和控制板 10-15 年 逆变器组件 10-15 年 静态开关 10-15 年 整流器可控硅（SCR） 10-15 年 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 10-15 年 *请注意，一些供应商提供捆绑式升级包，包括以较大折扣形式（相较于以逐个、一次 一个的方式进行更新）更换表表 4 中的部分或全部项目。一些更新部件（如逆变器模块和 风扇组件）也可以提高电源效率。除了宕机风险降低之外，这种益处，也应该纳入决策 考虑因素。 即使对于高度模块化的 UPS 系统，仍有至少从成本效益角度来看通常不需更换的组件。 例如，UPS 内部用于连接逆变器模块组件和控制板的 UPS 背板和母排属于此类别。因 此，这种更新部件和模块再生服务可大幅减少应急响应性维护，与更换新 UPS 一样， 也是必不可少的方案选择。 评估现有 UPS 更新部件和模块再生方案时，易于实施是另一个考虑因素。与第一个方 案“不采取任何措施”或“持续运行直至发生故障”相比，执行这些更新肯定会有更多 中断或影响持续运行的风险。但是，与更换全新 UPS 系统相比，更新部件所需要的时 间更少，并且对负载造成的风险较小。更新部件任务通常可以在事先批准的维护窗口执 行，并在几个小时内完成，此时 UPS 处于维修旁路模式，而关键负载由发电机和冗余 电源供电。实施更新部件的难易程度主要取决于两个因素： 表表 4 常用部件和子组件表（可用 新的部件和子组件替换，而 无需更换整个UPS系统） 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 7 对待旧 UPS 指南 UPS 设计的模块化程度 执行服务团队的专业知识和培训情况 更换新机 与上述前两种方案相比，更换旧 UPS 在更换过程中具有短期风险，但由于更换为新设 备，长期风险降至最低。初始投资费用将高于更新部件和模块的支出，但这需要与较低 的运营支出费用进行平衡，这些支出上的降低是由于以下归纳和前文所述的多种可能原 因产生的： 功率损耗减少 由于负载较小所需的 UPS 容量减小 模块化、按需扩展设计（按需规划） 采用更高效的系统或 UPS 内部冗余 对冗余的要求降低 服务成本较旧 UPS 下降 由于效率提升带来的退税、减税、补助等 更换旧 UPS 系统可能比更新部件更复杂、更耗时，特别是模块化 UPS 可进行模块再生 服务。UPS 更换期间需仔细规划和实施，以尽可能缩短 UPS 停机时间。一些供应商以 交钥匙项目形式提供服务来完成这项工作。如果数据中心的运维团队没有这方面的人员 和专业知识，可咨询 UPS 供应商是否可以完成与上面服务要求相关的每项任务，在同 一合同内完成全部服务，包括拆除/处置旧系统、安装新 UPS 系统、开机调试和验证测 试系统，以及延续售后服务合同。 表表 5 列出了合理选择方案的典型条件。 方案 有利于方案的条件 持续运行直 至发生故障 无预算 很快会将所有负载迁移至云/托管或整合到另一处设施 高度冗余安装，并有成熟的运行和维护计划（现场存储备件、良好人员培 训，已建立维护流程体系） 现有服务合同可处理突发故障 UPS 满足当前和不久的将来需求（容量、可用性、冗余和效率） 更新部件和 模块 UPS 为模块化设计，可更换容易发生故障的主要部件（电池、电容器、风 扇、电源模块等） UPS 为模块化设计，电池使用时间超过 5 年，电源模块使用时间超过 10 年 非模块化 UPS，其未来的要求稳定，并且匹配当前的 UPS 容量，且 UPS 使 用时间小于 15 年 更换新机 供应商不再提供 UPS 支持，以及无可用备件 非模块化 UPS 使用时间超过 15 年 容量和效率等级不符合当前或未来需求 如果更换新的 UPS 而提升效率，就能获得高电费折扣或政府税收优惠 不可维护的部件发生故障或可能发生故障。 表表 5 可用于三种方案选择的 一般“经验法则” 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 8 对待旧 UPS 指南 更换新 UPS 的其他主要考量事项 如果更换 UPS 是最佳选择，则应评估可能影响决策过程的其他几个主要事项。这些事 项还将影响既定 UPS 的适用性，以及 UPS 更换项目的工作范围（SoW）。 第 61 号白皮书数据中心环境中的配电设备概括地描述了包括用于数据中心的配电 系统在内的子系统。 在 UPS 的电气输入端，必须确认为 UPS 供电的上游断路器和电缆能否支持准备更换的 UPS。确认工作应由具有配电系统专业知识和熟悉规范要求知识的专业工程师执行。确 认内容至少包括：对断路器和导线进行目视检查、确认断路器维护，以及以换新 UPS 的电气特性作为基础进行的电气系统分析(负载流量、短路分析、保护匹配和电弧放电)。 更新的 UPS 与备用发电机的运行切换也应包括在本分析中。 现有配电系统的多个特性可显著影响 UPS 更换选择。这些特性包括： 输入和配电的电压 发电机的兼容性 有静态转换开关（STS）时的同步要求 现有的上游断路器和电缆 设备占用空间以及地板的承重 这些因素的简要说明如下： 输入和配电电压输入和配电电压 输入电压可能会限制 UPS 更换的可选范围，其中 400 VAC 是最普遍的 IEC 电压，而 480 VAC 在北美地区最常用。北美其他地区使用的电压包括 208 VAC、415 VAC、 575 VAC 和 600 VAC。为了尽量减少现场改造工作，如果可能的话，新的 UPS 应该 符合现有旧 UPS 已有的供配电架构。第第 129 号白皮号白皮书书数据中心配电架构比较提供 了有关机房白区中 IT 设备的常见配电方式的更多信息。 发电机的兼容性发电机的兼容性 虽然大多数新一代 UPS 设备从设计和制造都与备用发电机高度兼容，但如果更换后的 UPS 拥有更大的容量，则极有必要确认现有发电机是否支持这部分增加的功率容量， 同样还要支持所有其他发电机负载。此外，应仔细评估发电机的启动负载曲线/负载启 动时序，以确保在需要切换到备用发电机电源时，整个数据中心设施的供电连续性。当 基于 IGBT 的 UPS 替换基于 SCR 的 UPS（6 脉冲或 12 脉冲）时，假设没有其他负载 变化，整个发电机负载曲线也将得到改善。 多篇关于 IT 和数据中心应用发电机的白皮书可供参阅，包括：第第 52 号白皮号白皮书书四步确 定小型数据中心是否需要备用发电机、第第 90 号白皮号白皮书书下一代数据中心的备用发电 机系统基本要求、第第 93 号白皮号白皮书书信息技术行业所用发电机的基本原理以及第第 200 号白皮号白皮书书超前功率因数对数据中心发电机系统的影响。 与静态转换开关与静态转换开关(STS)的同步的同步 如果 STS 是 UPS 输出配电系统的一部分，请确保 UPS-STS 同步条件符合 STS 切换。 现有的现有的馈电馈电断路器和导断路器和导线线 必须检查现有的馈电断路器和导线（电气和机械），以便更新的 UPS 可继续使用，并 符合所有适用的规范。馈电断路器应该适当维护并处于良好的运行状态。需要确认馈电 断路器是否具有必要的适当电气保护。 施耐德电气 数据中心科研中心 第 214 号白皮书 版本 0 9 对待旧 UPS 指南 电缆长度以及 UPS 电缆进线是位于顶部还是底部，将决定 I/O 机柜可否继续使用。最 好的情况是，现有的断路器和电缆均完美匹配。然而，很可能需要对更新的 UPS 输入 和输出总线进行局部定制，对于此类项目而言，这一点通常很容易实施。 设备设备占用空间和地板的承重占用空间和地板的承重 新一代 UPS 的占用空间很可能小于具有相同容量的传统 UPS。即使更新的 UPS 占用 空间更小，也应确认 UPS 所有维护距离均符合适用的电气和设备维护要求。通常情况 下，大部分传统 UPS 比新一代的 UPS 更重；但是每个项目中都还应评估承重负荷。 对待旧 UPS 的方案并非总是显而易见的，而且如今的方案比许多人预想的要多。事实 上，并没有唯一正确的答案，而是有多种适合的答案，主要取决于各种不同的