强者背后的强者 服务器专用UPS面面观

    一个成功的男人，背后肯定有一个女人默默的支持。 
  
    作为一个服务器，它的成功就是稳定而持续的运行，那么支持它稳定运行的是什么呢？
  
    服务器硬件？系统？软件？
  
    不，都不是！答案是UPS！
  
    在现在社会的IT部门，一个系统，一项应用，全都离不开服务器。一向以来，服务器都是行业、企业、部门关注的焦点，但是有几个人了解默默支持服务器能源所需的UPS，又了解多少呢？
  
    想象一下，在全世界以小片区域为单位"电荒"事件频发的现时代，无论大型服务器集群或是单个服务器组建的小型网络，没有强力UPS的续电支持，会有怎么样的情形发生？
  
    突然断电之后，服务器运行中断，正在调用与处理的程序与数据库文件损坏；管理系统运行中断，企业管理决策下发滞后；企业业务系统运行中断，业务资料丢失；动辄百万元计的科研单位高端灵敏电子设备损毁……
  
     有鉴于以上事故的严重后果，今天，笔者将从一张简单而实用的UPS警示与说明书起，结合自己对UPS了解的一些知识以及之前做IDC技术维护中电力系统维护的经验，完成此文，希望引起更多服务器关注者与使用者对于UPS的注意，并作为一部分朋友有意向选购UPS设备的小小参考。
  
   使用UPS的必要性
  
    平常生活与工作中由政府电力部门直接供应的电，称为市电。市电的供应由于受到外界和电网内部的各种因素影响，在很多时候其实是很不稳定的。
  
    由于市电是面向社会各界支持的，而不同单位不同个人在不同时间段接入电网的负载都可能不同，这就导致市电电压和电流的不稳定供应；地震、雷电等自然现象和电力各部门的输变电系统短、断路、跳闸等问题会导致电力的中断。这些都是影响市电正常供应非常严重的外界因素。
  
    以服务器和系统整体应用的PC市电电力供应为例，在电网内部，还有以下这些会影响电力正常供应，从而导致系统无法正常运行的一些因素：
  
    1、电涌：电网突然减载时，输出电压会在一瞬间产生电压升高的现象。一般以超出额定电压110％且持续时间高于一个电力传输周期(20ms)作为标准。
  
    2、高压尖脉冲：指电网遭遇雷电、放电、负载突然增减时，电压达到6000伏，持续时间0.1-20ms的脉冲电压现象。
  
    3、暂态电压：类似于高压尖脉冲，但峰值电压高达20000伏，持续时间为0.001-0.1ms的脉冲电压现象。
  
    4、电压下陷：电网突然加载时，输出电压一瞬间产生电压降低的现象。一般持续时间是一个周期以上。
  
    5、电线噪声：电声设备接入或电波辐射或电气风暴时，射频或者电磁或其他高频物体对于电线的传输通道产生的电线声波干扰现象。
  
    6、频率偏移：不稳定频率的电力设备供电时，产生的市电频率上下变化超过3Hz标准的现象。
  
    7、持续低电压：电网高负载持续运行时，较长时间内市电电压有效值低于额定电压的现象。
  
    以上原因所引起的电力中断和电压不稳等现象都属于电力的不稳定供应现象，而这些不稳定市电的供应，对于没有配备UPS的服务器来说，每一个因素都绝对可以造成系统运行不稳定、设备运行不顺畅甚至自动关闭电源的故障。
  
    那么，看了上文中市电的这么多不稳定因素，在UPS恒压恒频的持续电力支持系统面前，我们有什么理由说NO呢？对UPS不了解？那好，在下文中，笔者将给各位朋友做一个比较详细的介绍，让大家对于UPS这个幕后工作者有个系统的认识。
  
    UPS定义
  
    UPS全称为Uninterruptible Power System,中文即不间断电源系统,是以蓄电池和逆变器(Inverter)为主要组成部分，能够保持电子设备恒压恒频、具有储能功能的电源支持系统。
  
    说它是不间断电源，其实也是言过其实。在一个使用UPS电力支持的电子系统中，当市电突然中断时，UPS通过自身所带的逆变器将己身所带的电能转化为220V交流电，通过放电的方式向负载供电，并支持其继续运行5分钟-8小时的时间，以保护软硬件系统、方便用户保存数据或支撑到市电再次接通。
  
    另外，由于UPS处于电网与电子设备等负载的中间位置，所以在市电供应的情况下，UPS属于电网中的一个负载，而当UPS对系统内的电子设备进行放电以支持电力运行时，其又充当了电源的角色。
  
    UPS功能
  
    UPS的功能总的来说就一句话，支持电子类设备在市电中断时持续运行，以便于用户有足够的时间保存数据或支撑到市电再次接通，同时也尽最大可能保护了硬件系统。
  
    服务器运行的肯定是要求稳定性和持续性。近年来时时出现的"电荒"现象，却迫使包括我国在内的全世界电力部门都出现了拉闸限电的需要。当出现市电中断的情况时，如果我们的系统没有UPS的保护，服务器中正在运行的程序、处理的数据肯定会有所损坏，这对于数据安全要求极高的政府、电信、金融、各行业应用来说，是多么可怕的事情；另外，对于那些动不动就百万元起的高端设备，如果主板、CPU等高昂的配件由于突然断电引起的电压骤变而被烧毁，那又是多么值得痛惜的事情！
  
    以上所述UPS的功能，其实也从侧面提出服务器必须配备UPS的理由。
  
    UPS分类
  
    UPS根据技术、容量的多寡及供电应用的不同有三种分类方式，这里笔者将对其详细阐述，以期作为大家采购的参考。
  
    1、根据UPS所采用的技术划分可分为旋转式和静态变换式
  
    1)旋转式：旋转式UPS由整流器、电池、直流电动机、柴油机(或汽油机)、飞轮和发电机组成。市电供电时，UPS的电动机带动飞轮和发电机给负载供电；市电中断后，飞轮由于惯性，继续带动发电机飞轮旋转，这样发电机就能持续给负载提供电源，起到缓冲的作用，同时启动柴(汽)油机。当柴(汽)油机转速与发电机转速相同时，柴(汽)油机离合器与发电机相连，完成从市电到油机的转换。
  
    旋转式UPS的优点是维护简单，运行稳定，缺点是系统庞大，操作不便，效率相对低下，产生的噪音太大，电流不稳定，不能满足高稳定性电流需求的服务器系统需求。
  
    2)静态变换式：静态变换式在市电电压频率、波幅、相位与工作周期等要素都处于正常状态时，由市电通过UPS给负载供电。UPS对市电进行滤波、稳压和稳频调整后，提供给负载更加稳定的电源。同时，UPS通过充电器把电能转变为化学能储存在电池中。当UPS侦测到市电异常时，切换到电池供电，通过逆变器把化学能转变为交流电能，供给负载，以保证对负载的不间断电力供应。这种UPS还有一种旁路（Bypass）工作状态，它在刚开机或机器故障时，可以把输入经高频滤波后直接输出，保障对负载的供电。
  
    根据UPS逆变器工作原理的不同，静态变换式UPS又分为离线式、在线式和互动式。
  
    离线式：当市电正常时，市电通过离线式UPS对负载进行持续而稳定的电力供应，此时，离线式UPS只相当于一个稳压器的作用，逆变器不工作；当市电电压出现UPS无法承受的的异常时，后备式UPS的逆变器立刻变为工作状态，将储存的化学能转换为220伏的交流电，输送给负载以支持设备的持续运行。从逆变器的空闲到工作的状态变化，有一个小于10ms的操作时间，这段时间设备供电中止–在实际应用中，一些电子设备对于这个时间段的中止采取了容断，即中断之后的设备工作正常，几乎不受断电的影响；另外一些设备对于这个时间的中断则无法承受，如不具有冗余功能的服务器都把这个时间的中断判断为电力中断或电压异常，从而产生服务器重启，导致数据损坏等情况。
  
    在线式：在线是相对离线而言，它与离线式UPS的工作过程大致相同，只是在线式UPS在市电供应期间，其逆变器是处于工作状态，但是不做具体的工作，当市电大的异常时，逆变器仍然一直处于工作状态，而且立刻实现化学能到220伏交流电的转换，中断时间为0。
  
    互动式：互动式在市电正常时，处于向UPS内的蓄电池充电的状态，市电异常时，逆变器马上又变成将化学能转换为电能的工作，期间工作的逆变过程同样也有一个非常小的时间段，相对比离线式UPS时间更短。
  
    在所有静态变换式UPS中，具有冗余功能的服务器基本都能保持工作的正常，而不具有冗余功能的服务器，只有小部分特殊电源设计的服务器当在在线式UPS支持时可以实现不中断工作。
  
    另外，UPS的工作机能是通过市电系统对其进行充电，一些设计周到的UPS，在蓄电池电量将满时，UPS对于电网内的电力续充采取浮充方式，用这个办法来规避电量充满后的溢出放电现象，从而提高UPS的寿命。
  
    2、根据UPS内蓄电池容量的大小可分为标准型和长效型
  
    1)标准型：标准型UPS一般是相对低端UPS产品而言。标准型UPS装载蓄电池组的容器采是盒型，容量教小，一般都是固化不可增减的。标准型UPS所支持的电力供应时间一般在5-25分钟区间内。对于服务器来说，在这段时间里基本可以保障用户完成数据保存、程序关闭、正常关闭机器等工作。
  
    2)长效型：长效型UPS是相对高端大容量UPS而言。长效型UPS装载蓄电池组的容器采用柜型，属于可扩展型，可以根据用户的需求对蓄电池组进行增加或减少的工作。用户使用的长效型UPS支持的电力供应时间一般在1-8小时区间内。以支持服务器电力为例，在UPS供电的这段时间，可以等待市电的重新接通；当UPS内电量支持时间到达预设的某一个较小的时间段时，UPS会自动报警，提醒用户进行程序关闭、数据保存、机器关闭等操作来保持系统的最小损失。
  
     3、根据UPS供电应用的不同可以分为集中供电型和分散供电型
  
    其实UPS供电应用里的集中供电和分散供电基本是按照UPS数量的多寡来分类的，侧重应用中配电的应用，在此笔者将其作为一种分类方式独立列出，主要是把这种应用思想融合进来，也可以为大家采购UPS时，对于采用多个教小型UPS还是单个大型UPS有多一个选择的方式。
  
    1)集中供电型：集中供电是指用一台大型UPS向所有系统负载集中供电。以信息化应用为例，以下列举出了集中供电的优缺点。
  
    集中供电的优点：系统设备的供电线路部署只需要提供一个电源接入点，便于服务器和PC电力续电的集中管理。
  
    集中供电的缺点：线路过于集中，服务器和PC电力续电系统部署的规范性和线路的连贯性等要求更高；电源接入点只有一个，不论线路采用地板式还是墙面式部署，必然产生相对多而杂乱的情形，同时隐藏的UPS系统故障导致信息化应用系统由于市电电力中断而崩溃的风险也随着增高，可靠性较低；集中供电对于电力设备的规格要求更高，随之而来的必然是电力稳定系统等的技术含量要更高，导致单个高档设备成本的高昂，同时，为了尽量避免市电中断的突发事件发生时，因为UPS故障引起的整个系统电力崩溃，必须得另外购置一部同样高昂的高端UPS作为备用，从侧面增加了采购成本。
  
    2)分散供电型：分散供电是指用多台较小型UPS对系统内的多台负载分别供电。同样以信息化应用为例，以下列出分散供电的优缺点。
  
    分散供电的优点：续电线路采用多个接入点，对于线路部署的系统要求比较低；多个UPS供电，降低了单个UPS供电所带来的市电中断时，由于UPS故障所引起的整个系统运行中断的风险，同时由于多个接入点的续电线路部署，续电线路因为朝向比较分散而易于整理，电力线路可靠性高；在额定功率总额相同的情况下，同样需要一个备用UPS，但是这个规格的UPS只需要达到分散供电UPS里的要求就可以，相比集中供电里的高成本备用UPS，分散供电里所需的总体UPS采购成本要低很多。
  
    分散供电的缺点：由于采用多个UPS续电接入点，服务器和PC等整个系统的续电线路部署要分散，这样在管理上相对显得不方便。
  
    UPS使用
  
    UPS的使用，其实也很容易，参照说明书的警示，主要应注意以下几点内容。
  
    1、开关机顺序
  
    开机顺序
  
    1)接通市电予UPS，使其处于旁路。
  
    2)逐个打开负载，需注意：按照有效电流从大到小的顺序开启负载，不可同时开启负载。
  
    3)启动UPS，使其处于逆变工作状态。
  
    关机顺序原理基本同上：逐个关闭负载，关闭UPS(此时UPS处于旁路，市电对其充电)。需要注意的是如果要对UPS放电，必须等到UPS完全关闭,然后将市电断开才可进行放电操作。
  
    2、标准型UPS的使用
  
    标准型UPS一般在市电状态下无负载检测功能，靠其中的保险丝进行保护。在进行市电供电的情况下，如果带载过大，UPS可能继续工作，但当市电异常转为UPS逆变工作时，UPS就会因过载保护而关机，严重时会造成UPS损坏，以上情况都会造成输出中断，给用户带来一定的损失。因此在使用标准型UPS前应确认负载总量。
  
    正常使用时，若无市电中断情况发生，电池应每隔3-6月带载充、放电一次，放电完毕后，标准型UPS充电时间应不少于10小时。
  
    3、长效型UPS的使用
  
    长效型UPS由于采用外接电池组来延长供电时间，外接电池的好坏直接影响到UPS的放电时间，所以在使用长效型UPS时一定要注意电池的质量和保养。
  
    由于长效型UPS外置电池与UPS主机是分开的，相互间由电池连线连接，一般正常使用时不会有什么问题，但是当用户在装机或移机时，就会需要进行重新连线，在连线时应注意以下几个问题：
  
    1)电池连接时电压极性要正确；
  
    2)先向UPS中输入市电产生充电电压，然后将电池与主机进行连接。
  
    4、所有UPS在使用时应注意以下事：
  
    1)UPS接地处理：由于UPS内有超过人体承受能力的高电压，当发生故障时候，若未接地，可能会导致其金属壳带电，危害到人体安全；另外，某些设备对零、地线之间电压有较高的要求，若未接地，会使得零、地线之间电压过高而使设备无法工作甚至发生损坏；
  
    2)正常使用时，若无市电中断情况发生，电池应每隔3月带载放、充电一次，放电完毕后，UPS充电时间应不少于10小时；
  
    3)如果UPS长期处于闲置状态，应每隔3月空载冲、放电一次；
  
    4)电池的外部环境要求以22-28℃为宜，避免阳光直射并做好防尘处理；
  
    5)室温条件下，长期处于浮充状态运行时的密封铅酸电池寿命为3-5年，应根据实际情况及早做好备用蓄电池的购置与预使用状态调试。
  
   总结：
  
    其实，在很多中小企业中，对于服务器养护都没有给予足够的关注。
  
    以笔者初出校门所供职的第一家四百多人的中型企业为例，在一个8平米左右的机房里，把IT部门的清一色DELL塔式服务器（包括核心数据库服务器，集合了几套包括财务、业务与企业管理信息系统的服务器，防火墙服务器，杀毒软件服务器）全部安置了进去，此外，里面还因工作的不确定性放置了二至三部测试用的PC，四台显示器，两台路由器，两台核心交换机，桢中继，两堆一人高的工作文档，两个未拆散的服务器包装纸盒，二至三个流动的维护人员，滴了一个月水就报废的1匹壁式空调。
  
    空间狭小，散热系统差；电力续电设施无，没有后备保障……
  
    笔者在前些天谈到服务器养护的时候，就是希望大家对这种服务器养护现状有所警示。不过在很多企业里，散热系统和防尘、避雷等重要环节都给予了一定的重视，而同样的不少企业中，对于电力续电系统的关注度就少了很多。
  
    在一定条件下，作为电力续电设备的UPS，是一个规范的服务器养护系统里比散热系统更重要的必须的设备。对于UPS设备的关注没有上升到一定程度的服务器使用者与维护员来说，其实从侧面否定了其所使用的或维护的服务器的技术高度，削弱了服务器所需的整体技术含量，同时也不经意的降低了自己这个技术工作者的地位。
  
    笔者完成这篇"服务器背后故事"的中心思想，就是希望服务器行业的各位朋友，可以更加重视起自己，从UPS续电系统的建设或关注始。

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