Rambler's Top100
Статьи ИКС № 2-3 2009
Олег ЧЕКСТЕР  10 марта 2009

Системы бесперебойного питания. Антикризисная оптимизация

Нынешний кризис подталкивает компании к оптимизации подходов, применяемых ими для решения тех или иных задач. Построение системы электропитания объекта связи, ИТ-инфраструктуры или ЦОДа – не исключение. Каким же образом можно повысить надежность системы, одновременно снижая стоимость устанавливаемого оборудования и эксплуатационные расходы?

Олег ЧекстерStatus quo

Для электропитания крупных объектов используются, как правило, различные комбинации источников. Там, где к качеству переменного тока не предъявляется высоких требований и где допускаются перерывы в электроснабжении, основным источником является сеть переменного тока, а автоматизированная дизельная электростанция (АДЕС) и ИБП – резервными. Если перерывы не допускаются, а требования к качеству электроэнергии высокие, то основным вариантом сегодня становится питание от сети с использованием онлайнового ИБП, в состав которого входят аккумуляторные батареи (АБ).

Посмотрим на отдельные элементы системы электропитания с точки зрения надежности и качества обеспечиваемого электропитания.

Промышленная сеть переменного тока. Статистика по количеству, длительности перерывов и величинам импульсных помех в энергосети в настоящее время в России не собирается. Однако, по данным ЛОНИИС, более 90% общего количества возмущений в сети переменного тока имеют длительность менее 1 мин.

АДЭС – резервный источник питания. При пропадании внешнего электроснабжения дизель-генератор должен запуститься и взять на себя всю нагрузку менее чем за 30 с. Питание нагрузки до его запуска осуществляется от резервного источника (АБ) в составе ИБП. Вероятность поломки АДЭС во время работы определяется величиной MTTF (Mean Time To Failure – среднее время до [первого] отказа) и не сказывается на суммарной надежности СЭП, поскольку учитывается при расчете и проектировании.

ИБП и АБ. Как показывает статистический анализ причин пропадания напряжения на выходе источников бесперебойного питания, большинство аварий ИБП связано с отказом АБ (рис. 1).


Типовой состав системы электропитания (СЭП):
 Построение системы электропитания ЦОДов

Особенность СЭП современных ЦОДов – постоянный рост энергопотребления и связанного с ним тепловыделения. Очевидно, что остановить этот рост не удастся, но необходимо принимать меры для его замедления. Они известны:

•Рациональное построение СЭП, максимизация КПД работы оборудования. Максимальный КПД ИБП обеспечивается, как правило, при их загруженности на 70–90%. При существующих схемах резервирования N+N и N+1 достичь оптимального КПД можно за счет правильного выбора режима работы («горячий» или «холодный» резерв) для того или иного оборудования. Кроме того, предпочтение следует отдавать тому оборудованию, у которого шире диапазон работы с максимальным КПД.

•Рациональное построение системы охлаждения. Не секрет, что от 10 до 30% оборудования постоянно загружено не более чем на 7%. Следовательно, оно меньше нуждается в охлаждении. Не надо охлаждать те зоны ЦОДа, где нет оборудования. В идеале степень охлаждения должна зависеть от нагруженности и, соответственно, тепловыделения оборудования, а совмещенная с оборудованием система охлаждения должна быть интеллектуальной.


промышленная сеть переменного тока;

собственная автоматизированная дизельная электростанция;

источник бесперебойного питания переменного тока;

аккумуляторные батареи;

система токораспределения;

оборудование, обеспечивающее технологический процесс;

система жизнеобеспечения (обогрев, кондиционирование, освещение и др.);

система заземления.


Итак, подведем итоги:

1| В промышленной сети присутствует большое количество импульсов, всплесков, провалов напряжения. Большая часть возмущений имеет длительность менее 1 мин, поэтому ИБП, помимо резервирования электропитания, должны обеспечить улучшение качества электропитания даже в том случае, если основной его источник – промышленная сеть.

2| Большинство аварий ИБП связано с отказом АБ, которые являются самым слабым звеном СЭП. Можно назвать наиболее частые причины отказа (по данным ЛОНИИС):

- коррозия пластин вследствие естественного старения;

- высыхание электролита из-за эксплуатации при высокой температуре или повышенного напряжения заряда/подзаряда;

- превышение максимально допустимого тока заряда;

- систематический недозаряд.

3| Нарушение работы СЭП в 15% случаев вызвано неправильными действиями обслуживающего персонала.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

Должно быть обеспечено резервирование АДЭС и ИБП.

Время работы ИБП от собственной АБ должно быть достаточным для запуска основного дизель-генератора АДЭС, а при его неисправности – резервного.

Мощности каждого дизель-генератора АДЭС должно хватать для поддержания работы оборудования, обеспечивающего технологический процесс, и оборудования систем жизнеобеспечения.

При пропадании внешнего электроснабжения емкости АБ недостаточно для обеспечения продолжительной работы оборудования крупного объекта. Увеличение емкости АБ ведет к увеличению мощностей выпрямителей ИБП, обеспечивающих ее заряд. Учитывая редкие пропадания внешнего электроснабжения, подобное решение нельзя признать рациональным.

Необходимо постоянно обучать персонал компаний, занятый проектированием, монтажом и эксплуатацией оборудования.

Уроки кризиса

Вспомним энергетический кризис 1973 г. Он заставил обратить внимание на развитие энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии. В результате в обществе начало формироваться «экологическое» мышление и появились новые бизнес-практики:

- поощрение действий персонала, направленных на сбережение электроэнергии;

- пересмотр концепции использования воздушных кондиционеров и изменение конструкции зданий объектов связи;

- стремление к нулевому приросту энергопотребления для новой техники;

- оптимизация соотношения «цена установленного оборудования/расходы на электроэнергию» за счет повышения эффективности работы СЭП;

использование альтернативных источников энергии.

Остановимся подробнее на двух последних направлениях.

Повышение эффективности СЭП

Оценим экономичность стандартной системы электропитания на примере СЭП ЦОДа (рис. 2).

В ИБП и в блоках питания технологического оборудования имеется несколько последовательных ступеней преобразования переменного тока в постоянный, постоянного в переменный различных напряжений и частот. Каждое преобразование ведет к потерям, а, следовательно, к лишнему тепловыделению и снижению общей надежности системы электропитания. Причем в виде тепла рассеивается не менее 30% потребляемой электроэнергии (см. рис. 2). На отвод этого тепла также требуется затрачивать дополнительную электроэнергию. Системы кондиционирования и вентиляции требуют в среднем 90–100% мощности, потребляемой серверным и телекоммуникационным оборудованием ЦОДа. Кроме того, систему кондиционирования и вентиляции следует резервировать по такой же схеме, которая применяется для системы электропитания. Поэтому повышение эффективности электропитающего оборудования на 10% позволит снизить общее энергопотребление на 15–20%.

Возможны несколько путей повышения суммарного КПД СЭП:

- сокращение количества ступеней преобразования;

- повышение величины опорного напряжения;

- оптимальное использование резервного оборудования и резервных источников энергии.

При переходе оборудования на питание постоянным током количество ступеней преобразования уменьшается на две. Помимо этого постоянный ток легче резервировать, поскольку АБ может быть подключена непосредственно к шинам постоянного тока. В отличие от сети переменного тока сеть постоянного тока – низкоомная и, следовательно, значительно менее чувствительная к внешним наводкам и помехам. Для питания оборудования охлаждения можно также использовать постоянный ток высокого напряжения.

Повышение опорного постоянного напряжения до 550–600 В позволяет снизить величину тока и, следовательно, потери в токораспределительной сети, которые прямо пропорциональны квадрату величины этого тока (закон Джоуля–Ленца). Помимо выигрыша в надежности и КПД, это дает возможность уменьшить сечение медных кабелей токораспределительной сети.

Сокращение величины аккумуляторного резерва позволит снизить стоимость самой АБ, стоимость и мощность зарядных выпрямителей в ИБП, сделать менее трудоемкими обслуживание и периодическую замену батареи. Не стоит забывать, что АБ – самое ненадежное звено СЭП и разумное снижение «удельного веса» этого звена повысит суммарную надежность системы.

Альтернативные источники энергии давно появились на рынке и могут использоваться в составе СЭП. В первую очередь необходимо отметить механические накопители кинетической энергии с маховиком (Flywheel Energy Storage – FES).

FES состоит из маховика, дополненного генератором и электрическим преобразователем, обеспечивающим независимость выходного напряжения от частоты вращения ротора. При наличии внешнего питающего напряжения маховик раскручивается, запасая кинетическую энергию, а при пропадании – отдает запасенную энергию в виде электрической. Очень важно, что в зависимости от вида преобразователя FES может быть использован в сети как постоянного, так и переменного тока.

В системах электропитания FES эффективны при использовании в комбинации с дизель-генераторными установками или источниками бесперебойного питания переменным и постоянным током. При этом они могут заменять или дополнять существующие АБ. Так как по статистике большинство перерывов во внешнем электроснабжении длится от нескольких секунд до нескольких минут, использование FES наряду с АБ позволит избежать частых разрядов аккумуляторной батареи, что положительно скажется на «здоровье» последней.

Из-за относительно больших потерь в механической и электрической частях накопители наиболее эффективны при разрядах продолжительностью до нескольких минут. FES никогда не используются в режиме холостого хода, поскольку их «время выбега», т.е. сохранения энергии на уровне 0,5 от запасенной, пока находится в диапазоне от десятков минут до нескольких часов. Другими словами, саморазряд может достигать 10–20% в час. Этот недостаток FES компенсируется их высокой надежностью как резервного источника. В режиме «горячего» резерва (standby) или в режиме подзаряда потери составляют 0,1–1% номинальной мощности. Следует отметить, что потери АБ в режиме подзаряда в 10 раз меньше.

Несколько известных производителей ИБП уже включили в свои продуктовые линейки FES, размещая их в типовых шкафах. Эти FES предназначаются для использования в составе ИБП в диапазоне мощностей 60–1000 кВА и при нагрузке 50–85% от номинальной обеспечивают резервирование питания до 1 мин.

От традиционных аккумуляторных батарей FES отличаются значительно большим сроком службы, меньшими массогабаритными показателями и высокой надежностью, что делает их весьма перспективными. В ряде стран срок амортизации для оборудования электропитания крупных объектов, к которым относятся и ЦОДы, принят равным 15 годам. В течение этого времени АБ может быть заменена 2–4 раза в зависимости от типа аккумуляторов, условий эксплуатации, увеличения мощности нагрузки и, соответственно, ИБП. Вышесказанное свидетельствует в пользу FES, они могут окупиться уже через два-три года. Препятствует их широкому распространению сегодня даже не цена, а в первую очередь чрезмерная приверженность традициям, незнание новых технологий и отсутствие «указаний» к внедрению.

Использование FES позволяет значительно повысить надежность СЭП за счет диверсификации резервных источников. Для тех операторов, кому важна надежность работы оборудования, FES, образно говоря, является еще одной «корзиной», куда можно положить свои «яйца».

Преимущества СЭП с использованием FES в качестве резервных источников питания (рис. 3):

Более высокая надежность по сравнению с традиционной схемой с ИБП и АБ. Надежность FES, заявленная одним из производителей, – 99,998% для одиночного устройства. Трудоемкость обслуживания механической части – 4 часа за весь срок службы (20 лет).

Более высокий коэффициент использования установленного оборудования. За исключением АДЭС, все оборудование постоянно участвует в обеспечении качественного электропитания.

Увеличение или уменьшение времени резерва осуществляется изменением количества параллельно работающих FES. Это более гибкая схема, так как монтаж и демонтаж FES значительно менее трудоемок по сравнению с монтажом и демонтажом АБ.

В цепи переменного тока FES служит дополнительным фильтром, повышающим качество напряжения на входе СЭП.

  


Целью работы, направленной на оптимальное построение СЭП, может и должно являться снижение стоимости устанавливаемого оборудования, повышение надежности, уменьшение эксплуатационных расходов. Иными словами, необходима работа профитора: анализ и поиск возможностей оптимизации всех технологических процессов с целью снижения себестоимости конечной продукции. Правильная оценка всех составляющих надежного электропитания и знание предлагаемого сегодня оборудования являются при этом необходимым условием.  


Построение системы электропитания ЦОДов

Особенность СЭП современных ЦОДов – постоянный рост энергопотребления и связанного с ним тепловыделения. Очевидно, что остановить этот рост не удастся, но необходимо принимать меры для его замедления. Они известны:

•Рациональное построение СЭП, максимизация КПД работы оборудования. Максимальный КПД ИБП обеспечивается, как правило, при их загруженности на 70–90%. При существующих схемах резервирования N+N и N+1 достичь оптимального КПД можно за счет правильного выбора режима работы («горячий» или «холодный» резерв) для того или иного оборудования. Кроме того, предпочтение следует отдавать тому оборудованию, у которого шире диапазон работы с максимальным КПД.

•Рациональное построение системы охлаждения. Не секрет, что от 10 до 30% оборудования постоянно загружено не более чем на 7%. Следовательно, оно меньше нуждается в охлаждении. Не надо охлаждать те зоны ЦОДа, где нет оборудования. В идеале степень охлаждения должна зависеть от нагруженности и, соответственно, тепловыделения оборудования, а совмещенная с оборудованием система охлаждения должна быть интеллектуальной.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!