主题：UPS供电系统现状与发展趋势
APC高级顾问、中国电信学会副理事长  张广明：

    大家好。我今天讲的题目UPS供电系统的现状与发展趋势，重点讲供电系统设计理念的变化。

    谈到设计理念的变化，首先要讲这个理念是怎么产生的。任何新的理念都是在应用中存在问题以后才产生的，所以我今天首先讲当前供电系统里存在的问题，在这个基础上讲未来解决这些问题，产生了什么样的新的理念，以及相应的新开发的产品。

    新的理念主要发生在最近四年、五年里，发生了非常明显的变化。这种变化来自于主要是网络IT系统对供电的连续性强烈的要求，不允许停电，已经超出了UPS供电系统原来的含义。最早的供电系统，不停电，能延迟10－15分钟，保持数据和计算机安全关机，而现在提出了更高的要求，必须连续通电，这种变化非常明显，发展的非常快，存在的问题决定了技术发展趋势没有问题或者不知道问题所在，就不可能接受新的理念和新的产品。

    现状问题一
    在我们国家UPS已经发展到第三个阶段，关注业务的可用性，同时对业务的适应性也提出了相应的要求，这是我们国家目前处的阶段，应该说这个阶段意味着我们国家UPS市场是成熟的，也就是说在已经建立和未来建立的IT系统中，毫无例外的都在考虑不停电供电。我们对烟草行业进行的调查表示，在IT系统，95％以上都用了不停电供电系统，当然我们在调查中还发现，应用的水平还不够高，仅仅处在初级阶段。

    现状问题二，对UPS的认识水平有了明显的改变，UPS各项输出电信的指标已经不再是影响负载正常运行的因素和购置时衡量性能优劣的主要标准，主要是相对于UPS开始产生，80年代、90年代的时候，那时大家对它的认识只看到了速度的性能指标，而现在大家对它的认识提高了一步，向应用更靠近了一步，所以这些指标并不是最主要的。

    什么是先进的指标呢？综合当前应用的需要来说，下面的四个指标是最主要的，第一，不能污染变化，第二，可热插拔在线维护功能。第三，先进的智能管理技术及第四，强劲的输出能力和可靠性。这四项指标是最主要的，特别是第一项、第二项是硬指标。如果UPS品牌在这两个指标上没有达到的话，就很难把它列为一流的产品。

    现状问题三，什么是重要的指标呢？安全性和可靠性是当前供电系统的最主要的问题，不管是使用者还是UPS厂商，都意识到了这点。因此，对可靠性的衡量才是最主要的衡量先进性能的依据。

    现状问题四，使用者和UPS供电的厂商都发现仅仅提高UPS设备的可靠性，不能从根本上解决整个供电系统的安全性和可靠性的，大家都明显地感觉到，一台性能非常好的UPS，放在一个供电系统里，可能故障率很高。如果查找故障原因，可能不是UPS本身的问题，可能是系统中其它的问题诱发UPS产生故障。

    现状问题五，用户感到最困难的是供电系统故障后，修复时间长，而且很困难。造成这种现象的原因有一个大的供电系统很复杂，产品供应商的反应速度慢，维护技术人员的经验、故障查找、原因的查找和分析，包括一个系统里各种设备的供应厂商之间的互相推诿，有时最终没有查到产生故障的原因。

    现状问题六，UPS已经从原来所谓的独立电源设备发展成为今天有多种通信方式管理与IT系统无缝集成的网络设备，但是在使用中，从我们国家目前的状况来看，对这些功能还没有充分的利用，据权威的估计，对于先进的UPS智能管理和通讯功能的应用，应用率大概只有20％－30％。

    现状问题七，现有的供电系统虽然是不停电工业技术，但是由于传统的设计不合理，存在着很多隐患，这些隐患包括一个系统里，各种设备可能是多供应商，给系统的安装、运行、管理、维护带来很多的困难。第二，系统中所有的设备和环节都是串联的，形成多个单路故障。第三，系统中各相连的设备输入、输出骨干不匹配，相互影响或者不得相互使用。第四，系统中为配置的零部件大和启动电流冲击大，不仅污染电网，而且首先在系统内部形成严重的干扰。再有传输线问题，传输布局的其它干扰问题。总之，传统的供电系统设计里存在着很多隐患。

    现状问题八，由于设计上的问题，所以也影响到在采购设备里的一些误导，这些误导表现在多个方面，但是总的来说，在应有水平对认识没有达到足够高的情况下，在采购设备时往往受厂商的误导，而不是根据实际需要，根据应用去确定衡量的标准，而是把个别厂商能达到的最高的性能指标作为采用选购的指标，这个现象也非常普遍。

    现状问题九，提高使用维护水平同等重要。在UPS供电系统的建立和使用提高的过程中，维护技术水平达不到，很多系统，我们通过调查发现，维护人员对所配置的UPS基本性能了解不够，对UPS监控、监测的信息和显示功能不熟悉，还有选用配置UPS选型不当，包括维护的制度建立的不健全或者执行不利。

    现状问题十，当前已建和正在建设的UPS供电系统普遍存在着资源浪费和周期成本问题。我们经过调查汇总出来的，一般的供电系统，由于很多未知的因素，设计者不得不按最大的容量去设计，而且是一次一设计。这个设计当经过五年，达到最终的使用容量的时候，也就达到了20％－30％，造成了巨大的浪费。

    根据多个用户的统计，真正用到70％以上的用户，这个系统的容量用到了70％以上的机房，大概也就2％－3％，绝大多数都用到了20％－30％，甚至使用容量只用到了10％，还占到了5％。在座的都遇到其中一个两个或者几个问题。
    新的设计理念是随着问题的出现而产生的，在出现问题的时候已经开始考虑怎么解决。科学发展的规律和存在的问题，发展的趋势是共性的，在技术发展比较早的国家发生过，在我们这儿也会发生同样的问题。不同的理念有不同的先进内容，我总结了一下，有五个理念的变化。

    设计理念变化一，研究工作从单台UPS设备向整个供电系统研究变化。这是非常明显的变化之一。在研究设备的同时，要考虑到系统中的问题，这些问题包括系统中各种设备和环节的相互匹配和可靠性的问题，系统可靠性和冗余配置问题，可修复和修复降低至今的问题，UPS的模块化冗余结构问题，还有供电方式、供电布局的问题。这些问题的研究必然反过来影响为设备的研究，当系统配置提出新的要求的时候，设备也必须有相应的功能，去适应它，所以搞设备研究，同时要对系统研究才能解决。

    一个供电系统，首先要确定几个大的方面，供电系统的结构形式是什么，比如是集中的还是分散的，还是区域式供电的，对关键的负载，也就是IT设备是不是不停电系统，还有对非关键负载，是不是不停电系统。所谓按非关键负载，指的是照明、空调或者其它安全方面。系统的可靠性和系统的可用性水平，这些都是对系统研究要解决的问题。

    设计理念变化二，对系统可靠性的研究向可用性研究变化。可靠性研究的非常普遍，也是很老的学科，而且各个领域里都有可靠性的问题。但是可用性的研究过去没有提的那么明确，没有那么明确的提出来，因为现在对供电系统的要求连续性非常强烈，对连续性要求非常高，在这种情况下提出了可用性的问题。可用性跟可靠性是有区别的。可靠性是一个系统中或者一个设备不发生故障的概率，而可用性是一个系统在一个固定的一段时间内，给用户使用时间的概率，或者说不可用的概率。可用性涵盖了可靠性，同时包括了可修复性和修复的幅度。

    不停电观念的变化，如果一个系统事件故障后，延续时间要10－15分钟，保证计算机数据存储和安全关机，这个系统要研究的是可靠性问题，这个系统没有可用性问题。它故障了以后，只要工作正常，存储的数据安全关机以后，修复时间是几个小时，是几天都无所谓，不存在可用性问题。但是如果事件故障后，必须保证系统不间断的继续供电，比如网络系统，证券、银行，还有一些生产控制系统，必须连续供电，几个小时的停电可能损失很大，这个系统我们必须研究可用性问题。一个是不停电保护系统，一个是不停电供电系统，从两个系统可以明显地看出来可靠性和可用性的区别。

    UPS的可用性是用可靠性和可修复性的指标表达的，可用性A就等于整个时间，MTBF和MTTR这两个时间，无故障时间和修复时间架起了整个时间做分母，分子是平均的无故障，明显着影响到UPS的发展。提高可用性措施有哪些呢？首先要提高薄弱环节的可用性。提高可用性，首先要提高可靠性，第二是降低修复时间，这两个措施。提高设备的可靠性，大家常用的是采用先进的电子技术，对电路做可靠性的设计，智能管理的设计，热设计，电池兼容设计，还有生产工艺的改进和生产管理的改进，这是可靠性，降低维护时间，大家采用的措施主要是模块化，热插拔。其实模块化、热插拔历来就有，不是现在才有。计算机从一开始就有电路板，这个电路板就是模块，只不过今天讲的模块是功能更全的大功率的模块。

    当然还要加强提高智能管理水平、维护的水平。如何提高电路技术设备的可靠性呢？我们常用的是提高功率器件的档次，再有控制技术，还有先进的电路技术，还有生产工艺的管理。但是我们发现用这些办法对提高可靠性是有效的，但是困难很大，效果也是有限的，因为一个大型的复杂的UPS系统，整机包括上千个器件，有很多作为整机厂家是完不成的，因为里面有半导体技术，有电话技术，有精密器械技术。要提高一个产品的可靠性，必须提高所有器件的可靠性，而提高所有器件的可靠性，必须等待着半导体行业、电话行业、精密机械行业的技术改进和提高，所以做起来非常困难，效果肯定是有限的。但是我们如果用冗余技术，效果就截然不一样。只要改变系统设计的理念，整机厂家或者应用，集成商就可以解决。我们研究可控性的时候用的状态空间图，假如这个方块是整个时间，比如一年8760小时，红的是不可预测时间，如果这个系统里任何两个器件，两个环节串联，不可用时间几乎是相加的。如果是冗余的，是并连冗余的，系统A1不可用的时候，但是系统还是可用的，系统A2按不可用的时候，整个系统还是可用的。只有系统A1和A2同时可用，就变成了中间的一点点，不可用的时间就大幅度减少，两个系统如果可用性都是0.99的话，完全相同的两个并机以后，可以达到4，这就是冗余的效果。一般来说现在通常采用两个机器或者三个机器直接并机，这是新的发展趋势，现在众多的UPS厂商都在这方面开发研制新的产品。

    设计理念变化三，从单纯的供电系统研究向整个IT基础设施研究的变化。一个系统不仅仅是单纯的供电系统可以解决IT设备的工作。当系统的规模，特别是热容量发展到一定程度的时候，尽管供电系统很好，但是不见得能很好的工作。从UPS设备到一体化的供电系统，再到基础物理设施，NCPI，是供电系动设计思维模式的重大变化。

    基础物理设施，指NCPI，包括电力供应、机架、空气调节、服务和管理，这些问题要统一的一体的研究。NCPI实际上把要解决问题的焦点集中到了IP的微环境，要保证IP微环境正常工作，包括电力、空调管理。

    NCPI和整体机房有什么区别呢？整体机房有屏蔽问题、消防、地板的设置、空调、装修、天花板，主要是物理设施，当然也包括供电。它的供电是在进口的地方有一个总的配电阀或者总开关，并不解决后面的供电问题，也不解决如何改善供电总量的问题。它的空调是保证房间的温度适度，并没有解决IT设备的机柜、机架里的微环境，这就是机房。

    NCPI涵盖了机房和里边的微环境的供电、空调和管理。讲到NCPI，NCPI不是今天才产生的，或者今天才发明的，从有了计算机那天开始，就有基础物理设施的问题，我们国家在60年代就开始计算机的研制，有过这个工作经历的能够知道这一点。任何一个计算机在研究过程中，就开始考虑到了供电系统，内部的低压供电系统，考虑到机房的空气件调节，通风问题，机架，线缆的传递问题，这些问题都考虑了，有了基础物理设施，这些研究工作就已经开始了。但是后来到了80年代最明显的，随着计算机技术和设备的普及，应用的提高，计算机IT设备开始专业化，专门生产计算机，拿现在来说，专门生产服务器、路由器的设备，很专业，同时一般的建筑装修的单位没法管机房，不懂，所以在70年代末到80年代初产生了很多机房公司，机房公司有了，计算机设备有了，微环境谁来保证呢？这就脱节了，当然计算机的提供商会提出相应的要求，但是毕竟没有专门的研究，所以这中间出现了很多问题。现在提出微环境，所以APC把自己定位在基础服务设施方案的提供者。为什么要研究这些问题呢？比如机架问题，普遍的现象应该改变。

    对于机架，不是简单的铁盒子，要解决，包括几个方面。

    第一，对不同厂家，不同型号的IT设备必须兼容，IBM的能插，惠普的也能插，不同的厂家必须都能插进去。还有机架一级电源的分配和线缆的管理，要在机架里解决。还有微环境的通风散热问题，机房里的温度可能很符合要求，23度左右，但是机架的温度高了，同样能工作。还有机架内部的电源状态的监控和管理，机架不是简单的盒子，必须有人专门研究它，去做。对于热量的管理，过去机房的设计标准，把整个发热量，设备发热量，人员的发热量，灯光的发热量，包括其它的，把整个发热量平均到机房整个空间里去，提出制冷的标准，这是传统的设计方法。但是机架内部，设备内部怎么样没有管，所以我们现在提出来空调系统的功能怎么定义，应该是把负载设备产生的热量有效带走，保证IT设备有一个理想的工作环境，空调的功能是这样定义的，有气流的产品，气流的配送，气流的移动和返回，不仅仅是在整个房间里，同时要在IT设备的机柜和机架里。

    设计理念变化四，提高UPS供电系统的适应性，为什么要提高适应性？因为供电系统往往是固定资产投资，而IT设备的技术发展更新的非常快，一般是两三年一个周期，而固定设备投资是不能这样变化的，它的周期要很长，当发生矛盾时怎么办？供电系统的设计，必须考虑到可能的变化，还要做的大一点，特别是考虑到不可知的因素要做的大一点，这种适应性能不能由供电系统本身来解决？也有是说设备和系统的配置本身就有很大的可扩充性，可变更的能力，可快速的建设，所以对UPS供电系统提出了适应性的要求。这种变化包括经济形势的变化，今天上网，可能明天要压缩，或者明天找更大的规模，IT设备技术的革新和功率密度的变化，维护人员操作水平的变化，组织管理模式的变化，还有设备运行场地的变化，这些都是可变的因素，这个系统能不能适应它，提出了适应标准。比如服务器，现在已经开始使用刀片式服务器，我们做一个极限的估计，一个刀片式服务器在42路的机架里，可以最多装150个，这是极限。如果每个是200瓦，一个机架可能就是三千瓦，这是天文数字，不可能。如果到那个时候，这个系统能不能工作不取决于IT设备质量的高低，系统有多先进，或者供电系统有多好，决定能否工作的主要是环境温度，一个是机架，一个是空气温度的调节。

    设计理念变化五，前面讲的四个理念变化，从可靠性研究到可行性研究，从单排设计到系统研究，从供电系统研究到基础物理设施的研究，再有就是提出信息的要求。这四个理念的变化，如何解决呢？如何同时适应这四个理念的变化呢？这就是第五个理念变化基层化，对整个系统做基层化的设计，同时解决前面的四个理念。这个理念从产生到大家取得共识，非常快，很多厂商都往这儿发展，有的是到了一体化，其实观念是一样的。基层化的设计观念包括四个方面，一个是系统的设备和供应的渠道首先要统一化，不能是多厂商供应。多厂商供应带来很多问题。第二，设备结构的一体化和连接的规范化，结构都是一样的，连接起来非常容易，可以无缝连接。第三，各设备和环节状态管理的机动化，全都统一管理。第四，各设备结构模块化和连接的正常化功能，包括电力供应、空气调节、IT设备机架支撑和系统管理四个子系统，也就是说对于原来的系统，只要输入端给它交流电，另外一端插IT设备，服务器一个个往里插，中间全部统一的界定起来，这就是APC公司根据新的设计理念，推出的一款新的产品Infra，有一个实物，这个系统的特点是模块化设计，冗余设计，是高度集成的。

    基础物理设施的商业价值，任何应用型的科学和技术必须形成产品，这个产品怎么衡量？最终的衡量是商业价值，而不是哪一种性能，最终衡量它的是商业价值，商业价值等于什么呢？可用性乘上适应性，除上总的拥有成本，这是商业价值。基层化的设计可以做到模块化和标准化，标准化是任何应用性产品的最高水平，一流的厂商卖标准就是这个意思。基层化的设计为标准化提供了条件，标准化首先是模块化的东西，模块化的东西提高了设备的价值，可以扩展，可更改，可移植，可拔插，同时也提高了人类的学习能力，标准化、模块化的东西，简化多了，对使用、维护简化多了，可以避免出错，可以预见问题，可以共享知识，可以提高效率。

    模块化和标准化对提高的适应性贡献在哪儿？扩展很容易，重新布置也很容易，所以适应性很强。标准化、模块化对系统可用性的贡献在哪儿呢？第一是提高可靠性，其中对系统设计首先是可靠性提高了，第二是提高了空间。第三，减少了错误，所以可用性提高了。

    模块化、标准化对降低总拥有成本的贡献表现在：第一，减少了资本成本，也就是投资的购置和建设成本可以降低。第二，减少了能源成本，可以让设备充分发挥使用效率，降低能源损耗。第三，减少了非能源运营成本，包括人员成本、培训成本、维护成本等其它成本。以人员来说，可能不需要这么庞大的维护人员队伍，也不需要专业训练素质很高的维护人员，总的来说造成总拥有成本的降低。

    基层化的设计，给产品的标准化、模块化设计创造了条件。而模块化、标准化设计又提高了可用性，提高了适应性，降低了总拥有成本，提高了这种产品的商品价值。