HPC集群机房的可靠性模型与管理

对于HPC集群机房基础设施的各子系统的可靠性，建筑结构、供电、空气凋节、综合布线等系统决定了机房的可靠性运行。下面按照国标《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）、《数据中心基础设施施工及验收规范》（GB 50462-2015）的分级要求，对各个子系统的各个级别相应配置分别进行可靠性模型的分析。

（1）建筑结构子系统的可靠性。

建筑结构子系统可靠性因为涉及建筑及结构的可靠性/可用性，涉及用户使用状况、地质条件与灾害等，属于非常复杂的专题，所以本书不讨论该子系统。

在考虑建筑结构子系统的可靠性/可用性过程中，建议HPC集群机房的设计者、用户按照相关标准、规范，合理地选择数据中心位置，如避免强干扰、地震、爆炸、环境污染等危险，方便的运输条件，进行科学机房分布局等，提高机房建筑结构系统的可靠性/可用性。

（2）供电子系统的可靠性。

供电系统指的是从市电变压器、发电机组之后，包括ATS自动切换开关、配电系统、UPS、供电电缆等环节，如图2-13所示。

图2-13　机房常见供电系统图（示意图）

供电系统应由高低压供配电管理系统、UPS供电系统及后备电源系统组成。它们相互之间的配置是否合理决定了整个供电系统的可靠性。科学合理的供电系统，可确保机房长期高效地运行。主要供电子系统和部件的故障率和修复率数据如表2-4所示。

根据表2-4中数据，由公式可计算出主要供电子系统和部件的可用度，如表2-5所示。

根据表2-5的数据及相关供电子系统可靠性模型，可计算供电子系统相关子系统可用度。

表2-4　主要供电子系统和部件的故障率和修复率数据

表2-5　主要供电子系统和部件的可用度

①配电子系统可用度。配电系统可靠性模型如图2-14所示。

图2-14　配电系统可靠性模型

这是个串联模型，并从表2-5查得：

A1=0.9999 9983 4738

A2=0.9999 9912 1013

因而配电系统的可用度为：

A=A1×A2×A1×A2×A1=0.9999 9774 6241

②电网可用度。220V/380V电网（机房市电电源）系统可靠性模型如图2-15所示。

图2-15　220V/380V电网机房市电电源系统可靠性模型

这是个串联模型，根据国家电力公司电力可靠性管理中心数据，2007年10kV电网的可用度为0.998817，及由表2-5查得：

因而220 V/380V电网电源系统的可用度为：

A=A1×A2×A3×A2×A4×A2×A3×A2=0.9988 1458 3841A=A1.2　×[1-（1-A6.2　）2]A′=A1.2　×[1-（1-A6.2　）2]×A8A1.2　=[1-（1-A1.1　）×（1-A5）]A1.1　=[1-（1-A1）×（1-A2）]×A3×A4A6.1　=[1-（1-A6）2]A6.2　=A6.1　×A7

机房供电系统由市电电源、备用电源（备用市电、备用发电机）、低压配电系统、UPS系统（包含电池）、机柜专用配电等子系统构成。根据上面的分析，各级机房供电系统可用度如下。

③C级机房供电系统可用度。国标C级机房供电系统（基本配置为N）可用度框图如图2-16所示，包括单路市电电源、低压配电系统、无冗余UPS系统、机柜专用配电系统组成了最简单的机房供电系统。

图2-16　国标C级机房供电系统可用度框图

供电系统可用度为：

其中，电网可用度A1=0.9988 1458 3841。

配电系统可用度A2=A5=0.9999 9774 6241。

根据表2-5，UPS主机可用度：A3=0.9999 4883 9291。

UPS电池可用度：A4=0.9999 8303 0881。

计算得可用度：A=0.9999 4150 6652。(www.xing528.com)

④B级机房供电系统可用度。国标B级机房供电系统（冗余配置级为N+1）可用度框图如图2-17所示，包含市电电源、备用电源（柴油发电机）、低压配电系统、UPS冗余并机系统、专用机柜分配电系统。

图2-17　国标B级机房供电系统可用度框图

供电系统可用度为：

其中，UPS输入电源的可用度为：

交流输入电源的可用度为：

UPS“1+1”冗余并机系统的可用度为：

其中，电网可用度：A1=0.9988 1458 3841。

配电系统可用度：A4=A7=0.9999 9774 6241。

根据表2-5，柴油发电机可用度：A2=0.9999 3202 0398。

ATS可用度：A3=0.9999 4378 0437。

UPS主机可用度：A5=0.9999 4883 9291。

UPS电池可用度：A6=0.9999 8303 0881。

计算得可用度：

⑤A级机房供电系统可用度。国标A级机房供电系统（容错配置为2（N+1））可用度框图如图2-18所示，包含两路市电电源、备用电源、两套低压配电系统、冗余UPS系统、两路专用机柜分配电系统，组成了两套冗余配置的机房供电系统。

图2-18　国标A级机房供电系统可用度框图

双电源关键负载的供电系统可用度为：

单电源关键负载的供电系统可用度为：

其中，UPS输入电源的可用度为：

交流输入电源的可用度为：

UPS“1+1”冗余并机系统的可用度为：

一条母线供电系统的可用度为：

其中，电网可用度：A1=0.9988 1458 3841。

配电系统可用度：A4=A7=0.9999 9774 6241。

根据表2-6，柴油发电机可用度：A2=0.9999 3202 0398。

ATS可用度：A3=0.9999 4378 0437。

UPS主机可用度：A5=0.9999 4883 9291。

UPS电池可用度：A6=0.9999 8303 0881。

计算得可用度：

双电源关键负载的供电可用度为：

根据表2-5，STS的可用度：A8=0.9999 9360 5157。

单电源关键负载的供电可用度为：