癮觀點:你可能沒想過的面向,UPS追求效率與虛擬化管理

UPS(Uninterruptible Power Supply)不斷電系統雖然大家都不陌生,卻總又是一知半解的程度。舉例來說,你知道作為市電斷電時的電力來源「鉛酸電池」每隔 2~3 年就要換新,2~3 個月就要深度充放電一次(完全使用到沒電,再完全充飽)以確保電池性能嗎?很多人根本不理解 UPS 的種類和正確使用觀念,只是覺得「我好像應該要買一台」就到 3C 賣場拎了一台回家;平常時候插在插座上浪費電,等到真的斷電,UPS 撐不到幾分鐘就掛點,來不及關機造成資料損毀,有裝等於沒裝一樣。

 

離線式 V.S. 在線式

UPS 依據內部電路拓樸可以分為兩種極端,Off-line 離線式和 On-line 在線式,前者為最基礎的 UPS 產品,價格也最低,受到預算有限的使用者喜愛,能夠提供最基礎的保護。其工作原理為監視市電狀況,一旦市電斷電,便啟用內部的蓄電池供電,將電壓轉換至 110V∕60Hz 交流電(台灣電器經常使用的規格),即可供給後端的電器使用。

這種市電斷電後才介入的方式,使得市電斷電到電池備援上線之間有細微的時間差,耗電量較高或儲能緩衝不足的電器會有斷電的現象。再者此類 UPS 較為便宜,輸出的交流電波型為方波(市電為正弦波),與部分電器會有相容性問題;也因為便宜的關係,低價款式沒有高、低電壓保護機制,也不會有跟電腦溝通的介面。不過考量比較完善的產品會加入後兩者,譬如APC的離線式具備AVR(Automatic Voltage Regulator,俗稱穩壓器)和PowerChute個人版軟體幫助電腦正確關機。

▲離線式和在線式 UPS 的運作原理圖。

 

在線式恰好是完全相反的存在,UPS 從市電插座擷取電量之後轉換為直流電,一部分為電池充電,一部分則是經由逆變器再轉換為交流電。這種 24 小時完全介入的電路拓樸,讓市電斷電後改由電池供電之間,不存在任何的時間差。加上此種電路特性,也能夠讓後端電器不受市電突波、過壓、低壓、雜訊等問題困擾,等於是將後端電器與市電隔離,且輸出的交流電波型為正弦波,沒有電器相容性問題。通常在線式 UPS 也會提供與電腦溝通的介面(USB、網路等),萬一電池即將耗盡而市電尚未恢復,可以通知電腦安全地關機。

當然在線式也並非完全沒有缺點,昂貴的價格成了阻擋消費者的第一道牆,24 小時不斷充放電也比較容易消耗電池的壽命。再者,此種「交流-直流-交流」轉換,無法避免轉換途中損失掉的能量,一般來說交流轉直流或直流轉交流可達 9 成效率(亦即輸入 100%電量,有 10%會轉成廢熱逸失),在線式由於經過兩次轉換,9 成的 9 成只有 81%,而市面上在線式 UPS 的轉換效率約在 80%~85%之間,長久下來這些廢熱會轉換成電費帳單,吃掉賺來的辛苦錢,對地球來說也是無謂的負擔。

 

結合兩種優點的在線互動式

跟政治一樣,多數民眾會比較喜歡中間的選擇,而非極右和極左派的主張。Line-interactive 在線互動式 UPS 就是結合離線式和在線式的優點,一般狀況使用 AVR自動電壓調節連結市電和後端電器。當電壓略有偏移時,例如交流電掉到 95V 或是跳至 130V,會先行使用穩壓器調整電壓至 110V。若是電壓偏移幅度超過穩壓器調整範圍或是完全斷電,才會切換至內部電池。

相較於在線式,在線互動式部分使用穩壓器、部分使用電池的運作方式效率較高,依施耐德電機旗下的 APC 為例,Back-UPS Pro 和 Smart-UPS 系列都是在線互動式,轉換效率可達 98%,與在線互動式 85%相比高出許多。假設以 UPS 後端電器耗電 1000W 計算,裝設在線式 UPS 之後的總體耗電量約為 1176.5W,而在線互動式僅提升至 1020.5W 左右。

若以 24 小時運作、電力一度 4 元計算,在線式一年電費需要約 41,224 元,而在線互動式約為 35,758 元,相差近新台幣 5,500 元,都已經可以買 1 台 APC 1000VA 在線互動式 UPS。這還不考慮累進電價計費方式,用電越多,每度花費成本更高。因此在線互動式在3000VA以下規格的UPS當中,同時具備效能和成本優勢,相當適合家庭或個人使用。

▲在線互動式 UPS 之所以能夠提升運作效率,就是靠 AVR 在背後運作,避免頻繁進入電池供電狀況。

▲APC Back-UPS Pro 和 Smart-UPS 系列均為在線互動式,擁有接近在線式的功能,卻沒有在線式轉換效率低落的問題。另外 Back-UPS Pro 還撈過界,提供網路線和電視同軸電纜的突波保護。

 

保護部分也無需太擔心,雖然在線互動式的運作方式比較偏向離線式,但產品設計出發點則是偏向在線式,因此會加入突波吸收、雜訊抑制等保護機制,也有和電腦溝通的介面告知電量訊息。輸出交流電波型除了模擬(近似)正弦波之外,Smart-UPS系列還撈過界提供純正弦波,因此後端電器類型並無限制。價位部分則介於離線式和在線式之間,略為偏向離線式,很適合一般具備UPS需求的使用者選購。

 

虛擬化風潮吹向 UPS

前些日子筆者小玩了一下虛擬機器,雖然有些高階功能需要伺服器等級的軟、硬體才能夠開啟,卻也深刻體驗到拉開軟硬體相依性所帶來的快速佈建和方便管理等好處。許多公司行號也早已大量使用虛擬化,享受其便利性,那 UPS 在這浪潮下又有什麼樣的變化和要求?

傳統上作業系統與硬體緊密結合,一組硬體僅安裝一套作業系統,當連結的 UPS 電力耗盡,透過與硬體相互連結的介面通知作業系統關機即可。但是虛擬機會安裝多套客體作業系統虛擬機,即使一一通知這些客體關機,若是沒有支援最上層的虛擬化軟體,還是會發生無預警斷電情事,硬體損壞事小,資料遺失才是最不願看到的情況。

前述提到的 UPS 廠商 APC,原本就有推出透過網路與 UPS 互動管理的 PowerChute Network Shutdown 軟體,自從 4.0 版本之後就開始支援虛擬化。目前的版本為 4.2,支援市面上常用的虛擬化軟體,如 VMware ESX∕ESXi、Microsoft Hyper-V∕SCVMM,安裝完成之後就能夠由上層虛擬化軟體通知客體作業系統關機,最終再將整台電腦關機。

▲VMware ESXi 免費授權給個人使用。

雖然支援虛擬化軟體能夠解決關機問題,但倘若能夠結合虛擬化的管理優勢豈非更佳!PowerChute Network Shutdown 具備自訂管理策略功能,當發生 UPS 電源事件時,還能夠設定不同客體作業系統的重要性,按照順序依序關閉。除此之外尚有遷移功能,更能夠跨虛擬叢集、跨地理位置進行遷移,且軟體本身隨硬體免費提供。如果不用 APC UPS 與這套軟體,其它UPS廠商的解決方案得要依靠 VMware DRS(Distributed Resource Scheduler)授權去運作,又是一筆花費。

舉個例子比較容易理解,一般在佈屬客體作業系統至多台實體主機時,通常會避免吃重效能的應用集中於同一部硬體主機。但是當市電異常時,為了最大化服務上線時間,可能會把不重要的服務先行關閉,將執行重要服務的客體作業系統遷移至少量主機上,關閉部分實體主機。此時 PowerChute Network Shutdown 就扮演相當重要的角色,依照管理人員事先設定好的管理策略,進行儲存、關機、遷移等動作。

▲PowerChute Network Shutdown 支援虛擬化環境下的遷移作業。

▲PowerChute Network Shutdown 也有供 Web Client 使用的版本,直接使用網頁瀏覽器連結至管理位址即可使用。

如同電源供應器近年來的進步一般,80 PLUS 追求轉換效率、減少廢熱;加入數位化管理晶片和電腦溝通,便可得知其運作狀態。同屬電力設備的 UPS 也能夠以在線互動式追求電源效率,和加入虛擬化支援功能,均為不可避免的發展趨勢,只希望透過相關原理技術與功能解說,了解近期 UPS 發展狀況,或許你下次選購 UPS 時,可以找到更適合自己的產品。


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