掌握四大要诀 规划科士达UPS电源既充裕又省电

      机房中的科士达UPS电源该怎么规划与采购，才能在满足企业需求的基本前提下，以最精简的成本完成部署，同时还顾及到整体系统的稳定性与可靠度？其实只要掌握四要诀：单一容量不要超过80%、高功率因数、善用设备形态与运作架构以及效率高损失小，就能规划出符合企业需求并且更节能的部署方案。长期以来，UPS的使命便是用来供应设备负载，以提供各式各样的设备能有稳定、可靠且不中断的电力使用。因此，UPS容量规划的基本要求便是必须了解企业内部IT设备的总负载。数据中心是企业提供各式营运服务的后盾，如何维持营运不中断也就成了企业面临的挑战。尤其在面临突发的断电状况时，企业就必须有适当的供电设备来提供电力，此时不断电系统（Uninterruptible Power Supply，UPS）就成为重要的关键。然而UPS该怎么规划与采购才能在以满足企业需求的基本前提下，以最精简的成本完成部署，同时还顾及到整体系统的稳定性与可靠度？这点也常常成为IT管理人员在机房规划初期的困扰。仰赖数据中心建置业者的顾问服务固然轻松许多，但对于成本预算不是那么充裕的企业恐怕还是得实际了解一番才行。问题在于，机房设施部署本身就是一门专业领域，若没有专家指导，IT管理人员往往不得其门而入。台湾艾默生网络能源应用工程经理陈仲仓指出，UPS已经算是一门很成熟的产业，规划上并不难，只要掌握四要诀：单一容量不要超过80%、高功率因数、善用设备形态与运作架构以及效率高损失小，就能规划符合企业需求，并且更为节能的部署方案。计算UPS基本量长期以来，UPS的使命便是用来供应设备负载，以提供各式各样的设备能有稳定、可靠且不中断的电力使用。因此，UPS容量规划的基本要求便是必须了解企业内部IT设备的总负载。陈仲仓指出，取得IT设备总负载数据并不难，只要稍加盘点IT设备，加总电力需求即可。 “以IT电力加总为基值，企业可以再加上其他的负载需求，例如PC等装置，其全部的负载量便是企业需求的总合。”台湾艾默生网络能源应用工程经理陈仲仓指出，UPS已经算是一门很成熟的产业，规划上并不难，只要掌握四要诀，就能规划符合企业需求，并且更为节能的部署方案。但是了解IT总负载只是第一步，IT总负载并不等于UPS的基本量。这是因为，UPS在使用过程中，往往不会建议超过八成，换句话说，“0.8”是不断电系统的安全值。虽然UPS本身就有可过载设计，例如在使用110%的过载情况下仍可维持一个小时、使用125%的过载情况下可维持十分钟，甚至过载到150%，还可维持一分钟，以提供IT人员进行紧急的应变措施，但是企业却不应该在一开始就存在以过载设计来节省成本的思维。“也许有人会认为，UPS在使用110%的过载情况下仍可维持一个小时，那么只要以IT总负载的九成作为UPS的基准量就够了，其实这是不正确的想法，因为UPS并不是从电力中断的那一秒开始接手，而是从市电进来的那一刻，IT设备所需的电力便依赖UPS进行交、直流电力的转换以及整流的工作，即使没遇到突如的电力中断情况，UPS也不断在工作中，因此UPS最好不要过载使用。”陈仲仓说。简而言之，IT总负载／0.8便等于UPS基本量（编按：0.8为UPS安全值）。接着以一个新建50坪、总负载为200KW的数据中心为例进行说明。套上公式后，企业所需的UPS基本量即等于250KW。而为了因应企业日后可能的扩张需求，像是预计采购刀锋伺服器或是添购更多样设备，企业必须先预留一些“余度”。倘若IT管理人员经评估后认为建置初期需先预留20%，那么此时的UPS基本量该以300KW为主。功率因数获得300KW数字后，现在IT人员就可以进入到选用UPS阶段了。在选择UPS之前，要先留意UPS的功率因数。功率因数（Power Factor，PF）也有人简称功因，主要代表了UPS作功的能力。就目前市面上的UPS来说，旧型的UPS设备功率因数多半在0.8左右，而新型的UPS功率因数几可达到0.9，最高甚至直逼1.0的水准。基于KVA×PF=KW公式，当功率因数的数值愈低，便需选用愈高KVA的UPS设备。以300KW为例，当功率因数为0.8时，便需选用375KVA的UPS设备；当功率因数为0.9时，便需选用333.33KVA以上的UPS；若是功率因数等于1，那么直接就选择300KVA的UPS即可。300KW/0.8=375KVA
300KW/0.9=333.33KVA
300KW/1=300KVA陈仲仓提到，UPS设备在设计上通常会有固定容量，一般产品设计超过300KVA的容量就会跳到400KVA，以功率因数为0.8及0.9的结果来看，企业必须选择400KVA的UPS才可能满足需求，成本投资自然也会有所不同。并联、N+1架构　投资成本更少部署UPS，除了一次采购到位的方案之外，IT管理人员也可以从架构面上来调整，以节省初期投资成本。 “并联搭配N+1架构是最好的运用方式。除了可节省成本之外，UPS也因为有了冗余机制，可降低企业运作风险。”On-Line UPS的拓朴结构示意图。陈仲仓表示，假设企业一开始的基本需求量为250KVA，不含预估扩充量，那么一般会建议两个150KVA并联方案，并且多采购一台150KVA（N+1架构），如此配置下，不但需求容量明确，而且UPS数量少，占用数据中心空间也少，同时在N+1的架构下，多采购的一台UPS也不会太大，可节省建置费用。如果企业初期使用量小于150KVA，则建议可以先买两台150KVA的UPS设备，采1+1架构，但需多预留一台UPS空间，一旦负载量超过150KVA时，届时再采购一台UPS并联上系统。如果企业初期负载小于100KVA且想采分期建置，那么采购四台100KVA（3+1架构）的方式则最理想。早期在TIA942规范中，机房可靠度分成Tire1至Tire4四个等级，为了预防突发的故障，让系统维持正常输出，有最高的可靠度，往往会建议企业考虑N+N架构，但陈仲仓表示，在Uptime Institute的机房认证中，其实不用到N+N架构也可以到Tire4等级，因此企业不必然采用N+N架构。 “N+N架构其实还有一个缺点是，由于每台UPS均有其设备的运作曲线，当设备的负载低，UPS的运转效率自然也不会高。以300KVA为例，采购四台100KVA（ 3+1架构），每台UPS设备平均负载了75%，但若是N+N架构，UPS设备平均只负载了50%，当企业初期的负载需求愈低，UPS自然就不会有好的效率表现。而采用N+1架构，一方面不用花高昂的建置成本，同时在负载量提高下，相对提升了效率值，还能有效节能。”整机效率愈高 电力损失愈小基于稳定性考量，在数据中心的建置过程中，通常会建议使用On-Line型式的UPS。透过On-Line UPS把交流电变成直流电，经过直流电充电电池后，再转换成交流电，这中间会滤除噪讯，带来稳压以及杂讯衰减的好处。SCR与IGBT整流技术比较旧型On-Line型式的UPS在整流器采用的元件是SCR（Silicon Controlled Rectifier，矽控整流器），由于是透过电压触发，属于低工作频率（60GHz），需要变压器来升压，整个设备的体积较大，因此整机运转效率只能达到88%∼92%之间。但随着技术的演进，现今已有采用IGBT（Insulated-Gate Bipolor Transistor，闸极绝缘双极性电晶体），在高频工作下，因为是震荡运作，不需要变压器，UPS谐波低，整机效率可达94%以上。 （编按：以上效率数字不包含旁路模式）“整机效率影响到的是企业到底会有多少电力损失。”陈仲仓以一台300KVA、最大负载270KW，且输入功因以及输出功因皆为0.9、整机效率为92%的UPS设备，说明电力损失：输入功率=270/0.92=293.48KW
电力损失=（270/0.92－270）=23.48KW
     台电供应前端输入开关所需的KVA=293.48/0.9=326KVA综合推算结论，台电要在前端供应到326KVA才有办法在前面的输入端提供到293.48KW的电力，透过UPS本身92%的运转效率之后，最终提供了270KW的电力给设备。而这中间的电力损失是23.48KW。陈仲仓强调，企业想要以最少的投资达到稳定可靠的配置，并且还能节省电力成本，功因与效率是两个相当重要的数值，他提到，许多人经常把这两个不同意义的数值混淆。 “功因代表的是负载本身KVA与KW之间的差异。功因数字的大小与负载以及设备可以承受的能力有关，功因会影响负载多寡。当然整流技术的提升也会让功因值增加，例如旧型以SCR设计的UPS设备，最高的功率因数只能到0.9，而改为IGBT之后，便能做到1等。而电力损失是因为设备透过交流转直流，又从直流转成交流电力，因为在运作过程中产生热而造成损失，当整机运转的效率愈低，意谓着企业电力耗损愈大。”换句话说，当企业选择的UPS设备是低功率因数，那么就表示企业要买更大型的设备才能符合需求，这时成本投资就会更多。但倘若企业选择的UPS设备是低整机效率，则意谓的是转换效率低，这时，就与电力节省有关。